高導(dǎo)熱尼龍散熱器在汽車后霧燈上的應(yīng)用

狄春峰， 王 敏， 楊 旭， 李海波， 周永松， 鞏玉釗

(1. 上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司， 上海 201804；2. 常州九鼎車業(yè)股份有限公司， 江蘇常州 213138；3. 杭州本松新材料技術(shù)股份有限公司， 杭州 311199)

0 前言

自汽車誕生以來(lái)，車燈一直伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展不斷進(jìn)步?，F(xiàn)代汽車車燈從最初的鎢絲白熾燈到二代的鹵素?zé)?，再到第三代的氙氣燈，如今已發(fā)展到第四代發(fā)光二極管(LED)燈。與傳統(tǒng)車燈相比，LED車燈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能高亮、亮燈迅速、體積小、壽命長(zhǎng)，其在汽車照明領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用已成必然[1-3]。

LED車燈采用LED作為光源，與傳統(tǒng)光源相比光電轉(zhuǎn)化率較高，但仍有60%～80%的電能轉(zhuǎn)化為熱能;另外,LED對(duì)溫度十分敏感，當(dāng)工作溫度超過(guò)承載溫度時(shí)會(huì)導(dǎo)致LED的發(fā)光效率快速降低，產(chǎn)生明顯光衰，嚴(yán)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(wèn)題[4-5]。目前,LED光源散熱器多以鋁材通過(guò)壓鑄或擠出等工藝手段制備，通過(guò)修邊、拋光、鉆孔、氧化等多道工序后才能應(yīng)用于LED散熱;LED光源散熱器的制作工序復(fù)雜，成本高，且質(zhì)量大。

得益于科技進(jìn)步，具有易加工、低密度、高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱塑料被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并被逐步應(yīng)用于換熱工程、采暖工程、電子電器等領(lǐng)域[6-8]。在民用LED照明領(lǐng)域，導(dǎo)熱塑料散熱方案也被人們所接受，但其在車燈行業(yè)中的應(yīng)用還較少。筆者通過(guò)對(duì)某國(guó)產(chǎn)高導(dǎo)熱尼龍材料的性能開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)散熱器結(jié)構(gòu)，結(jié)合量產(chǎn)LED后霧燈項(xiàng)目進(jìn)行整燈性能測(cè)試，驗(yàn)證該高導(dǎo)熱尼龍散熱器的有效性，并與鋁制散熱器進(jìn)行比較。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用高導(dǎo)熱尼龍材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，高導(dǎo)熱尼龍材料的基本物性見(jiàn)表1。

表1 高導(dǎo)熱尼龍材料基本性能

1.2 主要設(shè)備及儀器

萬(wàn)能試驗(yàn)系統(tǒng)，5967，英斯特朗(上海)試驗(yàn)設(shè)備貿(mào)易有限公司;

沖擊試驗(yàn)儀，GT-7045-MDH,高鐵檢測(cè)儀器(東莞)有限公司；

導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀器，LFA 447/2-41, 耐馳科學(xué)儀器商貿(mào)(上海)有限公司；

穩(wěn)壓直流電源，PS3060，寧波久源電子有限公司；

溫度測(cè)量?jī)x，JK-24AU，常州金艾聯(lián)電子科技有限公司；

配光儀，GO-HD5，杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司；

配光儀，RT100A，杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司；

振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，ES-10-240/LT0808，蘇州東菱振動(dòng)試驗(yàn)儀器有限公司；

溫度/濕度/振動(dòng)三綜合試驗(yàn)機(jī)，CZ-JP5-1690G，東莞眾志檢測(cè)儀器有限公司；

氣密性試驗(yàn)箱，自制，常州九鼎車業(yè)股份有限公司。

1.3 導(dǎo)熱尼龍散熱器設(shè)計(jì)方案

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(duì)應(yīng)的LED鋁基板見(jiàn)圖1。結(jié)合鋁制散熱器的散熱面積和在后霧燈總成零件中需要達(dá)到的散熱效果，在散熱器總尺寸不變的情況下，筆者設(shè)計(jì)了高導(dǎo)熱尼龍散熱器(見(jiàn)圖2)。該高導(dǎo)熱尼龍散熱器與LED鋁基板接觸部分結(jié)構(gòu)與鋁制散熱器相同，對(duì)散熱翅片厚度、間距、高度進(jìn)行設(shè)計(jì)，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 后霧燈鋁制散熱器

圖2 高導(dǎo)熱尼龍散熱器

表2 高導(dǎo)熱尼龍散熱器參數(shù)

1.4 性能評(píng)估

1.4.1 散熱性能測(cè)試

將高導(dǎo)熱尼龍散熱器裝配成后霧燈總成，在LED鋁基板上布置熱電偶(見(jiàn)圖3)，然后在50 ℃下點(diǎn)燈，記錄溫度平衡后熱電偶溫度數(shù)值。對(duì)比不同高導(dǎo)熱尼龍散熱器和鋁制散熱器對(duì)應(yīng)的LED 相同位置的針腳實(shí)測(cè)溫度(Ts)，以比較兩者在散熱性能上的差別。

圖3 熱電偶布點(diǎn)位置示意圖

1.4.2 后霧燈總成點(diǎn)燈耐久性能影響測(cè)試

對(duì)裝配高導(dǎo)熱尼龍散熱器后的后霧燈車燈總成零件進(jìn)行LED點(diǎn)燈耐久驗(yàn)證測(cè)試，以驗(yàn)證總成零件的可靠性。試驗(yàn)前檢測(cè)試驗(yàn)樣品的配光性能，然后在(23±5) ℃環(huán)境溫度下以額定電壓點(diǎn)亮試驗(yàn)樣品并持續(xù)點(diǎn)燈2 000 h；試驗(yàn)后重新對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行配光檢測(cè)，要求試驗(yàn)過(guò)程中及試驗(yàn)后的樣件皆功能正常，且配光符合GB 11554—2008 《機(jī)動(dòng)車和掛車用后霧燈配光性能》的要求。

1.4.3 強(qiáng)度測(cè)試

通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行高導(dǎo)熱尼龍散熱器強(qiáng)度測(cè)試：按照一定的振動(dòng)頻率和功率譜密度(PSD)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)，溫度變化在-40～50 ℃。每一空間軸向上測(cè)試8 h。要求樣件在試驗(yàn)后不得出現(xiàn)開(kāi)裂、松動(dòng)及明顯變形等影響功能的缺陷，試驗(yàn)中和試驗(yàn)后功能正常，符合總成零件要求。

1.4.4 熱老化性能測(cè)試

由于尼龍材料本身的特性，高導(dǎo)熱尼龍材料在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的熱老化后，必然存在一定的性能變化。因此對(duì)長(zhǎng)期熱老化后高導(dǎo)熱尼龍材料及其制成的散熱器性能的變化的考核也至關(guān)重要。

將高導(dǎo)熱尼龍散熱器材料分別放置在120 ℃和140 ℃條件下老化2 000 h，觀察性能的變化情況;同時(shí),對(duì)注塑成型的高導(dǎo)熱尼龍散熱器在140 ℃條件下老化1 000 h，裝配到后霧燈總成上，按照第1.4.1節(jié)進(jìn)行散熱性能評(píng)估。

1.4.5 后霧燈其他配件的影響測(cè)試

結(jié)合散熱器在后霧燈總成零件上的使用要求，高導(dǎo)熱尼龍材料不能與其直接接觸的配件(如硅膠密封圈、導(dǎo)熱密封膠等)產(chǎn)生不良影響。

將裝有高導(dǎo)熱尼龍散熱器的后霧燈散熱器總成放置在90 ℃條件下500 h，恢復(fù)至室溫后觀察高導(dǎo)熱尼龍散熱器、硅膠密封圈、導(dǎo)熱密封膠等，要求高導(dǎo)熱尼龍散熱器、硅膠密封圈、導(dǎo)熱密封膠均無(wú)影響功能和使用的不良變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 散熱性能驗(yàn)證

對(duì)高導(dǎo)熱尼龍散熱器的有效散熱面積進(jìn)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(gè)散熱翅片,并增加翅片數(shù)量，得到改進(jìn)型高導(dǎo)熱尼龍散熱器。

按照第1.4.1節(jié)的測(cè)試條件，測(cè)試高導(dǎo)熱尼龍散熱器、改進(jìn)型高導(dǎo)熱尼龍散熱器和鋁制散熱器的散熱性能，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同散熱器50℃下LED芯片實(shí)測(cè)針腳溫度Ts

由表3可以看出：

(1) 高導(dǎo)熱尼龍散熱器與鋁制散熱器相同位置(見(jiàn)圖3中LED1、LED2、LED3)的Ts都在60～70 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LED的節(jié)溫上限，滿足LED的使用要求。

(2) 在LED后霧燈體系中，高導(dǎo)熱尼龍散熱器與鋁制散熱器Ts相差不大，溫差為3～7 K。

(3) 改進(jìn)型高導(dǎo)熱尼龍散熱器的Ts與鋁制散熱器的Ts，溫差縮小到了2 K以內(nèi)。

綜上分析，結(jié)合零件的尺寸、安裝空間等進(jìn)行散熱面積的最大化設(shè)計(jì)，優(yōu)化散熱器翅片結(jié)構(gòu)，增加散熱片面積，有利于提升高導(dǎo)熱尼龍散熱器的散熱效率，是提升高導(dǎo)熱尼龍散熱器散熱性能的有效手段，可以為后續(xù)在高散熱要求的應(yīng)用中提供優(yōu)化思路。

由于零件安裝空間所限，后續(xù)性能驗(yàn)證采用的均是高導(dǎo)熱尼龍散熱器。

2.2 后霧燈總成點(diǎn)燈耐久性能驗(yàn)證

LED持續(xù)點(diǎn)燈2 000 h，試驗(yàn)中、試驗(yàn)后的配光性能均符合GB 11554—2008。試驗(yàn)前后，總成樣件和散熱器外觀正常、功能正常，表明高導(dǎo)熱尼龍散熱器滿足該后霧燈長(zhǎng)期耐久要求。

2.3 熱老化性能驗(yàn)證

對(duì)高導(dǎo)熱尼龍材料進(jìn)行了不同溫度條件下熱老化性能的研究，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可以看出：高導(dǎo)熱尼龍材料熱老化前后，其缺口沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)的變化率都在10%以內(nèi)。

(a) 缺口沖擊強(qiáng)度

(b) 導(dǎo)熱系數(shù)

(c) 彎曲強(qiáng)度

(d) 拉伸強(qiáng)度

在高導(dǎo)熱尼龍散熱器進(jìn)行140 ℃/1 000 h老化后對(duì)其零件的散熱性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出：140 ℃/1 000 h熱老化后，高導(dǎo)熱尼龍散熱器散熱性能有所降低，對(duì)應(yīng)的TS有所升高，老化前后TS變化在10 K左右。

表4 140 ℃/1 000 h熱老化后高導(dǎo)熱尼龍散熱器50 ℃下LED芯片Ts實(shí)測(cè)溫度

2.4 后霧燈其他配件的影響

圖5為將裝有高導(dǎo)熱尼龍散熱器的后霧燈散熱器小總成放置在90 ℃條件下500 h后，與高導(dǎo)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。由圖5可以看出:實(shí)驗(yàn)前后硅膠密封圈無(wú)明顯變化，密封膠塞由于膠塞自身特性輕微黃變。

圖5 后霧燈散熱器照片

將實(shí)驗(yàn)后高導(dǎo)熱尼龍散熱器裝配到后霧燈總成，樣品完全浸沒(méi)到水平面下 2.5 cm，施加7.0 kPa壓強(qiáng)，試驗(yàn)時(shí)間為 5 min，無(wú)氣泡產(chǎn)生，滿足后霧燈總成氣密性要求。

由以上可以評(píng)估，高導(dǎo)熱尼龍散熱器對(duì)與其直接接觸的配件硅膠密封圈、密封塞、導(dǎo)熱密封膠等無(wú)影響。

3 結(jié)語(yǔ)

高導(dǎo)熱尼龍散熱器在散熱性能和零件性能上均滿足當(dāng)前所用后霧燈的使用需求，同時(shí)經(jīng)長(zhǎng)期老化耐久測(cè)試后各項(xiàng)性能變化較小，可以替代當(dāng)前霧燈的鋁制散熱器。

采用的高導(dǎo)熱尼龍材料密度僅為1.7 g/cm3，遠(yuǎn)小于鋁的密度(2.7 g/cm3)，可以實(shí)現(xiàn)制件質(zhì)量減重30%。同時(shí)，得益于國(guó)產(chǎn)高導(dǎo)熱尼龍材料的成本控制，相較于鋁制散熱器，單個(gè)高導(dǎo)熱尼龍散熱器在成本上也實(shí)現(xiàn)了接近30%的降低。

從散熱性能測(cè)試結(jié)果可以看出，由于此次實(shí)驗(yàn)選取的后霧燈本身對(duì)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。是否能夠?qū)⒃搶?dǎo)熱尼龍應(yīng)用于散熱要求較高的、大發(fā)熱量的其他應(yīng)用場(chǎng)景，還應(yīng)結(jié)合使用需求進(jìn)行深入研究。同時(shí)，鑒于高導(dǎo)熱尼龍材料的力學(xué)性能無(wú)法與金屬鋁相比，相較于普通尼龍材料也有所降低，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要著重關(guān)注。后續(xù)考慮采用將高導(dǎo)熱尼龍材料與鋁制件相結(jié)合,以塑嵌鋁的方式解決高散熱需求零件和強(qiáng)度問(wèn)題。

由于高導(dǎo)熱尼龍材料具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的靈活性，加工工藝上的便捷性和無(wú)需表面處理等優(yōu)勢(shì)，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(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。