與傳統鋁制散熱器相比，新型高導熱尼龍散熱器質量下降30%，降低了生產成本，同時滿足LED后霧燈的散熱及力學要求，實現了在霧燈散熱器上的“以塑代鋁”。自汽車誕生以來，車燈一直伴隨著汽車工業的發展不斷進步。汽車車燈從最初的煤油燈、乙炔燈，到白熾燈以及二代的鹵素燈，再到第三代的氙氣燈，如今已發展到第四代發光二極管(LED)燈。? ? ? ?
? ? ? ?與傳統車燈相比，LED車燈結構簡單、節能高亮、亮燈迅速、體積小、壽命長，其在汽車照明領域的大規模應用已成必然。? ? ? ?
? ? ? ?LED車燈采用LED作為光源，與傳統光源相比光電轉化率較高，但仍有60%~80%的電能轉化為熱能; 另外，LED對溫度十分敏感，當工作溫度超過承載溫度時會導致LED的發光效率快速降低，產生明顯光衰，嚴重縮短LED芯片的壽命; 因此 LED光源大多附帶散熱器以解決散熱問題。? ? ? ?
LED尾燈 ?圖源：智能汽車俱樂部目前，LED光源散熱器多以鋁材通過壓鑄或擠出等工藝手段制備，通過修邊、拋光、鉆孔、氧化等多道工序后才能應用于LED散熱; LED光源散熱器的制作工序復雜，成本高，且質量大。得益于改性塑料技術進步，具有易加工、低密度、高熱導率的導熱塑料被開發出來，并被逐步應用于換熱工程、采暖工程、電子電器等領域。在民用LED照明領域，導熱塑料散熱方案也被人們所接受，但其在車燈行業中的應用還較少。? ? ? ?
LED車燈 ? 圖源：智能汽車俱樂部那么高導熱尼龍材料是否能夠滿足散熱器結構設計和性能要求呢？是否滿足量產LED后霧燈項目整燈性能測試呢？與鋁制散熱器進行比較又有何優缺點呢？項目 | 標準 | 數值 |
密度/(g·cm－3) | ISO 1183—2019《塑料 非泡沫塑料的密度測定方法》 | 1．72 |
拉伸強度/MPa | ISO 527—2012《塑料 拉伸性能的測定》 | 54 |
斷裂伸長率/% | ISO 527—2012《塑料 拉伸性能的測定》 | 0.3 |
彎曲強度/MPa | ISO 178—2010《塑料 彎曲性能的測定》 | 72 |
簡支梁缺口沖擊強度/(kJ·m－2) | ISO 179—2010《塑料 簡支梁沖擊強度的測定》 | 2.9 |
面間導熱系數/(W·m－1·K－1) | ASTM E 1461—2013《用閃光法測定熱擴散率的標準實驗方法》 | 8.0 |
原汽車后霧燈散熱器方案采用鋁型材擠壓成型，散熱器及其對應的LED鋁基板見圖1。結合鋁制散熱器的散熱面積和在后霧燈總成零件中需要達到的散熱效果，在散熱器總尺寸不變的情況下，設計了高導熱尼龍散熱器，如圖2。? ? ? ?
? ? ? ?該高導熱尼龍散熱器與LED鋁基板接觸部分結構與鋁制散熱器相同，對散熱翅片厚度、間距、高度進行設計，相關參數見表2。項目 | 數值 |
翅片厚度/mm | 2．5 |
翅片間距/mm | 5 |
翅片高度/mm | 15 |
制件表面積/cm2 | 105 |
對高導熱尼龍散熱器的有效散熱面積進行了提升，在基板部位尺寸不變的情況下，增大了翅片的高度，減薄單個散熱翅片，并增加翅片數量，得到改進型高導熱尼龍散熱器。測試高導熱尼龍散熱器、改進型高導熱尼龍散熱器和鋁制散熱器的散熱性能，結果見表3 。表3 ?不同散熱器50℃下LED芯片實測針腳溫度Ts散熱器種類 | 質量/g | 表面積/cm2 | Ts/℃ |
LED 1 | LED 2 | LED 3 |
高導熱尼龍散熱器 | 23．7 | 105 | 63.3 | 68.1 | 62.3 |
改進型高導熱尼龍散熱器 | 27．6 | 165 | 61.1 | 63.0 | 63.8 |
鋁制散熱器 | 34．0 | 150 | 60.2 | 61.5 | 65.2 |
(1) 高導熱尼龍散熱器與鋁制散熱器相同位置(見圖3中 LED1、LED2、LED3) 的 實測針腳溫度Ts都在60~70℃，遠遠低于LED的節溫上限，滿足LED的使用要求。? ? ? ?
? ? ? ?(2)?高導熱尼龍散熱器與鋁制散熱器Ts相差不大，溫差為3~7K。??(3)?改進型高導熱尼龍散熱器的Ts與鋁制散熱器的Ts，溫差縮小到了2K以內。綜上分析，結合零件的尺寸、安裝空間等進行散熱面積的最大化設計，優化散熱器翅片結構，增加散熱片面積，有利于提升高導熱尼龍散熱器的散熱效率，是提升高導熱尼龍散熱器散熱性能的有效手段， 可以為后續在高散熱要求的應用中提供優化思路。由于零件安裝空間所限，后續性能驗證采用的均是高導熱尼龍散熱器。LED持續點燈2000h，試驗中、試驗后的配光性能均符合GB 11554—2008。試驗前后，總成樣件和散熱器外觀正常、功能正常，表明高導熱尼龍散熱器滿足該后霧燈長期耐久要求。? ? ? ?
圖源：智能車燈俱樂部對高導熱尼龍材料進行了不同溫度條件下熱老化性能的研究，結果見圖4。? ? ? ?
圖4 在不同溫度下長期熱老化對材料性能的影響由圖4可以看出: 高導熱尼龍材料熱老化前后，其缺口沖擊強度、拉伸強度、彎曲強度及導熱系數的變化率都在10%以內。在高導熱尼龍散熱器進行140℃/1000h老化后對其零件的散熱性能進行測試，結果見表4。表4 ?140℃/1000 h 熱老化后高導熱尼龍散熱器50℃下LED芯片Ts實測溫度散熱器狀態 | 質量/g | 表面積/cm2 | Ts/℃ |
LED 1 | LED 2 | LED 3 |
熱老化前 | 23．7 | 105 | 63．3 | 68．1 | 62．3 |
熱老化后 | 23．7 | 105 | 74．0 | 72．6 | 75．8 |
可以看出: 140℃/1000h熱老化后，高導熱尼龍散熱器散熱性能有所降低，對應的TS有所升高，老化前后TS變化在10K左右。下圖為將裝有高導熱尼龍散熱器的后霧燈散熱器小總成放置在90℃/500h后，與高導熱尼龍散熱器直接接觸的硅膠密封圈、密封膠塞等后霧燈配件的照片。?? ? ? ?
圖5 后霧燈散熱器照片由圖5可以看出: 實驗前后硅膠密封圈無明顯變化，密封膠塞由于膠塞自身特性輕微黃變。將實驗后高導熱尼龍散熱器裝配到后霧燈總成，樣品完全浸沒到水平面下2.5 cm，施加7.0 kPa壓強，試驗時間為5 min，無氣泡產生，滿足后霧燈總成氣密性要求。由以上可以評估，高導熱尼龍散熱器對與其直接接觸的配件硅膠密封圈、密封塞、導熱密封膠等無影響。綜上，高導熱尼龍散熱器在散熱性能和零件性能上均滿足當前所用后霧燈的使用需求，同時經長期老化耐久測試后各項性能變化較小，可以替代當前霧燈的鋁制散熱器。采用的高導熱尼龍材料密度僅為1.7 g/cm3，遠小于鋁的密度(2.7g/cm3 )，可以實現制件質量減重30%。同時，得益于國產高導熱尼龍材料的成本控制，相較于鋁制散熱器，單個高導熱尼龍散熱器在成本上也實現了接近30%的降低。從散熱性能測試結果可以看出，由于此次實驗選取的后霧燈本身對散熱要求不高，散熱要求的安全余量較大，因此可以替代鋁制散熱器。鑒于高導熱尼龍材料的力學性能無法與金屬鋁相比，相較于普通尼龍材料也有所降低，在結構設計上需要著重關注。后續可以考慮采用將高導熱尼龍材料與鋁制件相結合，以塑嵌鋁的方式解決高散熱需求零件和強度問題。由于高導熱尼龍材料具有結構設計上的靈活性，加工工藝上的便捷性和無需表面處理等優勢，在汽車輕量化的大需求背景下，其在汽車燈具上乃至具有散熱需求的各種部件上的應用必將越來越廣泛。參考資料：高導熱尼龍散熱器在汽車后霧燈上的應用，智能車燈俱樂部。原文始發于微信公眾號（艾邦高分子）：以塑代鋁：高導熱尼龍替代金屬鋁用于汽車后霧燈散熱器
