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认识led散热材料:陶瓷材料

2011-11-26
       目前LED热导的材料占据主导地位的主要是铝材。随着人们对安全性能要求的提高,铝材的导电性成为其一道致命的伤疤,为了提高LED照明灯具的使用安全性和散热性能,陶瓷材料引起了人们的重视。
      今天主要来初步认识下陶瓷材料在LED照明中的应用技术。
     1 陶瓷材料的传热机理
    陶瓷属于非金属材料,晶体结构中没有自由电子,具有优秀的绝缘性能。它的传热属于声子导热机理,当晶格完整无缺陷时,声子的平均自由程越大,热导率 就越高。理论表明,陶瓷晶体材料的最大导热系数可高达320W/mK。
    一般认为,在影响陶瓷材料导热率的诸多因素中,结构缺陷是主要的影响因素。在烧结的过程中,氧杂质进入陶瓷晶格中,伴随着空位、位错、反相畴界等结 构缺陷,显着地降低了声子的平均自由程,导致热导率降低。现代陶瓷技术通过生成第二相,把氧固定在晶界上,减少了氧杂质进入晶格的可能性,随着晶界处的氧 浓度大大降低,晶粒内部的氧自发扩散到晶界处,使晶粒基体内部的氧含量降低,缺陷的数量和种类减少,从而降低声子散射几率,增加声子的平均自由程。
      2 陶瓷材料的热辐射机理
      我们知道,热交换的基本途径为:传导、对流和辐射。为了有效散热,人们常通过减少热流途径的热阻和加强对流系数来实现,往往忽略了热辐射。LED灯 具一般采用自然对流散热,散热器将LED产生的热量快速传递到散热器表面,由于对流系数较低,热量不能及时地散发到周围的空气中,导致表面温度升 高,LED的工作环境恶化。提高辐射率可以有效地将散热器表面的热量通过热辐射的形式带走,一般铝制散热器通过阳极氧化来提高表面辐射率,陶瓷材料本身可 以具有高辐射率特性,不必进行复杂的后续处理。
    陶瓷材料的辐射机理是由随机性振动的非谐振效应的二声子和多声子产生。高辐射陶瓷材料如碳化硅、金属氧化物、硼化物等均存在极强的红外激活极性振 动,这些极性振动由于具有极强的非谐效应,其双频和频区的吸收系数,一般具有100~100cm-1数量级,相当于中等强度吸收区在这个区域剩余反射带的 较低反射率,因此,有利于形成一个较平坦的强辐射带。
       一般来说,具有高热辐射效率的辐射带,大致是从强共振波长延伸到短波整个二声子组合和频区域,包括部分多声子组合区域,这是多数高辐射陶瓷材料辐射 带的共同特点,可以说,强辐射带主要源于该波段的二声子组合辐射。除少数例外,一般辐射陶瓷的辐射带集中在大于5m的二声子、三声子区。因此,对于红外辐 射陶瓷而言,1~5m波段的辐射主要来自于自由载流子的带内跃迁或电子从杂质能级到导带的直接跃迁,大于5m波段的辐射主要归于二声子组合辐射。
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