2 陶瓷材料的熱輻射機理

    　我們(men) 知道，熱交換的基本途徑為(wei) ：傳(chuan) 導、對流和輻射。為(wei) 了有效散熱，人們(men) 常通過減少熱流途徑的熱阻和加強對流係數來實現，往往忽略了熱輻射。LED燈具一般采用自然對流散熱，散熱器將LED產(chan) 生的熱量快速傳(chuan) 遞到散熱器表麵，由於(yu) 對流係數較低，熱量不能及時地散發到周圍的空氣中，導致表麵溫度升高，LED的工作環境惡化。提高輻射率可以有效地將散熱器表麵的熱量通過熱輻射的形式帶走，一般鋁製散熱器通過陽極氧化來提高表麵輻射率，陶瓷材料本身可以具有高輻射率特性，不必進行複雜的後續處理。

　　陶瓷材料的輻射機理是由隨機性振動的非諧振效應的二聲子和多聲子產(chan) 生。高輻射陶瓷材料如碳化矽、金屬氧化物、硼化物等均存在極強的紅外激活極性振動，這些極性振動由於(yu) 具有極強的非諧效應，其雙頻和頻區的吸收係數，一般具有100~100cm-1數量級，相當於(yu) 中等強度吸收區在這個(ge) 區域剩餘(yu) 反射帶的較低反射率，因此，有利於(yu) 形成一個(ge) 較平坦的強輻射帶。

　　一般來說，具有高熱輻射效率的輻射帶，大致是從(cong) 強共振波長延伸到短波整個(ge) 二聲子組合和頻區域，包括部分多聲子組合區域，這是多數高輻射陶瓷材料輻射帶的共同特點，可以說，強輻射帶主要源於(yu) 該波段的二聲子組合輻射。除少數例外，一般輻射陶瓷的輻射帶集中在大於(yu) 5m的二聲子、三聲子區。因此，對於(yu) 紅外輻射陶瓷而言，1~5m波段的輻射主要來自於(yu) 自由載流子的帶內(nei) 躍遷或電子從(cong) 雜質能級到導帶的直接躍遷，大於(yu) 5m波段的輻射主要歸於(yu) 二聲子組合輻射。

　　劉維良、駱素銘對常溫陶瓷紅外輻射做了研究，測試的陶瓷樣品紅外輻射率約0.82~0.94，對不同表麵質量的遠紅外陶瓷釉麵也進行了測試，輻射率約0.6~0.88，並從(cong) 陶瓷斷口SEM照片中得出遠紅外陶瓷粉在釉中添加量為(wei) 10wt%時的輻射性能、釉麵質量、顏色和成本較佳，其輻射率達到了0.83，其他性能均達到國家日用瓷標準要求。崔萬(wan) 秋、吳春芸對低溫遠紅外陶瓷塊狀樣品進行了測試，紅外輻射率為(wei) 0.78~0.94。李紅濤、劉建學研究發現，常溫遠紅外陶瓷輻射率一般可達0.85，國外Enecoat釉塗料最高輻射率可達0.93~0.94。眾(zhong) 多研究均表明，陶瓷材料或釉麵本身具有很高的紅外輻射率，是其替代傳(chuan) 統鋁製散熱器的一大重要參數。

 　　3 氧化鋁陶瓷材料的LED照明燈具研究

　　3.1 陶瓷LED燈具實驗測試

　　氧化鋁陶瓷的導熱係數與(yu) 氧化鋁的成分（純度）有很大的關(guan) 係（如表2所示）。常用的Nom.95%氧化鋁陶瓷（簡稱為(wei) 95陶瓷）導熱係數約22.4W/mK，耐壓10kV/mm，由此製成LED燈具的樣品如圖4所示。

      燈具型號為(wei) GU10，外形尺寸49.5mm×50mm，鰭片散熱器和燈座均采用95陶瓷材料，並通過螺紋連接。

　　燈具安裝三顆Handson（漢德森）LED光源，內(nei) 置恒流驅動電源，總消耗功率約3.55W，采用透鏡配光，總光通量約150lm。

　　由於(yu) LED的結溫不能直接測得，常采用間接測試法，目前主要有2種：

　　①電參數法：LED隨著結溫的上升，兩(liang) 端電壓呈線性降低，比例係數K的典型值為(wei) 4mV/℃，結溫可按式（1）進行計算；②熱電偶間接測試法：通過測試LED焊腳的溫度sp間接得到結溫值，此時結溫可按式（2）進行計算。

　　式中：為(wei) 結溫，0為(wei) 初始溫度，K為(wei) 比例係數，△F為(wei) 電壓變化的絕對值。

　　式中：為(wei) 結溫，sp為(wei) LED焊腳的溫度，th為(wei) PN結到焊腳的平均熱阻，為(wei) 芯片功率。

　　本次進行溫度測試的方法為(wei) 熱電偶測試法。LED焊腳測試點為(wei) 兩(liang) 處，燈體(ti) 散熱器測試點為(wei) 三處，環境溫度采用兩(liang) 根熱電偶測試，測試結果如表3所示。

　　3.2 陶瓷LED燈具和鋁製壓鑄LED燈具的計算機仿真

　　為(wei) 了研究和設計陶瓷LED燈具，我們(men) 借助計算機軟件進行仿真分析。本次采用的流場分析軟件為(wei) Flo-EFD（簡稱EFD，EngineeringFluidDynamics），EFD為(wei) NIKA的旗艦產(chan) 品，主要用於(yu) 汽車、航空航天、機械、船舶、電子通訊、醫療器械、能源化工、暖通、流體(ti) 控製設備、LED半導體(ti) 行業(ye) 等。軟件可進行各種LED封裝產(chan) 品、航空航天燈、各種節能燈、LED發光管、車用燈具、顯示屏等的熱分析。

　　為(wei) 便於(yu) 與(yu) 實驗測試進行比較，計算機仿真分析時，將環境溫度設為(wei) 15℃，得到的溫度分布如圖5所示（為(wei) 便於(yu) 查看，隱藏了透鏡及其固定部分）。為(wei) 了比較95陶瓷燈具與(yu) 鋁製壓鑄燈具的熱學性能，通過計算機仿真得到的溫度分布如圖6所示（燈具散熱器材料為(wei) 鋁合金ADC12，燈座為(wei) PBT塑料，其餘(yu) 參數不變。）

       3.3 結果分析

　　陶瓷燈具的燈座為(wei) 95陶瓷材料（鋁製壓鑄燈具的燈座為(wei) PBT塑料），各部件得到了充分的利用。實驗測試時，1.0h基本達到熱平衡，環境溫度的算術平均值約14.4℃，將實驗測試和計算機仿真的溫度分布值進行分析比較，結果見表4所示。

　　計算機分析結果顯示，自然對流情況下，95陶瓷燈具的熱學性能不亞(ya) 於(yu) 鋁製壓鑄燈具，陶瓷燈具可以充分利用各個(ge) 零部件的幾何特征，所以燈具的整體(ti) 溫度降低到了較低水平。

　　4 陶瓷材料用於(yu) LED照明燈具的前景

　　陶瓷的使用具有悠久的曆史，現代工藝製備的陶瓷材料導熱率較高，空氣自然對流下，完全可以充當LED照明燈具的散熱材料。氮化鋁陶瓷可以直接作為(wei) 封裝晶架或線路層；氧化鋁陶瓷價(jia) 格便宜，燒結技術成熟，可釉成不同顏色，由於(yu) 其電絕緣性能優(you) 良，並耐酸堿性，受到很多客戶的青睞。但是，陶瓷材料並不是完美無瑕的，陶瓷散熱器鰭片不能太薄（厚度≥1.5mm），密度稍大（約為(wei) 鋁的1.5倍），中高應力下會(hui) 產(chan) 生裂紋，無釉表麵容易汙染等。#p#分頁標題#e#

　　總的來說，陶瓷材料用於(yu) LED的前景良好，特別適於(yu) 體(ti) 積較小的照明燈具。