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铝合金在LED灯具中应用的形式及前景分析
日期： 10:05 | 来源：未知 | 浏览： 次
摘要：铝合金在LED照明灯具上承担着散热的重要作用，其应用形式多样，一直在LED照明主体材料市场中雄霸一方。随着工业技术的发展，其应用必将受到其他导热材料的冲击。
& &随着全球节能减排政策的推行，被称为第4代绿色照明光源的LED备受瞩目，因其节能、环保、长寿命的特点而被广泛使用。但无论是传统的白炽灯还是LED灯，其电光转换效率都不高。众多实验数据表明LED电光转换效率只有20%～30%左右[1]，大部分电能以热能形式释放。且白炽灯和LED灯两者的发光原理不同，白炽灯作为热辐射光源，大部分热能都通过红外线直接放射出去。但LED灯具产生的热则主要从后端先通过热传导方式传递到散热器表面，再对流辐射出去。热量如不能及时传递出去，将导致LED芯片结温升高。从Cree公司发布的光衰和结温的关系图可看出，LED的光衰、寿命与其结温直接相关，温度越高，光衰越严重。除此以外LED的发热还会使得其光谱移动，色温升高[1]。因此，随着电子产品向高集成度发展，LED功率加大，散热设计尤为重要。
& &散热效果的好坏与LED灯具散热方式、壳体形式、散热材料的应用及使用环境都息息相关。当前，除个别灯具在特定场合采用主动散热冷却技术外，大部分LED灯具仍采用自然冷却散热方式，即主要通过材料本身热传导特性及设计形式来达到散热目的。散热材料性质决定热传递的基础能力，好的设计形式可以优化热传导路径、减少热流途径的热阻、加强对流以满足特定使用要求。
& &散热材料从导热性来讲，银（429 W/(m&K)）和铜（401 W/(m&K)）最好，其次是金（317 W/(m&K)）和铝（237 W/(m&K)）。但金、银昂贵，铜价格不值金银，但也不菲，铜的加工难度较高，相同体积重量过大（铜的密度为铝的密度3倍左右），且容易氧化。因此，铝凭借其质轻、良好的导热性，以及良好的高低温力学性能、优异的加工性能和超高的性价比在LED照明散热材料领域独树一帜。本文基于自然冷却条件下，对目前LED灯具主要散热材料铝合金的应用形式及应用前景加以分析。
1、铝合金的应用形式及前景：
& &按成型形态来分，铝合金在LED灯具中的应用形式主要有：压铸铝、铝型材、锻铝、铝板（冲压成型）等。
1.1、压铸铝：
& &压铸铝本指用于压铸成型的铝合金材料，但在很多情况下成了对铝合金压铸件的简称。压铸铝成型方法即压铸制造，最大的特征就是高压和高速。熔融铝合金在高压高速下保持高的流动性，从而填充时间短、冷却速度快，生产效率高，且可成型形状复杂、薄壁深腔的零件，其成型零件主要优势有：
& （1）组织相对致密，具有较高的强度和硬度，良好的耐磨性和耐蚀性；
& （2）尺寸精度较高、材料利用率高、后续机加工量小。
& &基于以上特点，压铸铝在LED灯具设计中被广泛应用。如路灯、投光灯、隧道灯、球泡灯、筒灯等。特别是在LED户外灯具一体化设计中（外壳既用于散热又是其他零部件的载体）备受青睐，如图1所示。
图1一体化设计灯具外壳
& &然而压铸成本高，不适合小批量生产，高速充填和快速冷却也会产生负面效果，如形成沙孔、表面鼓包等产品质量缺陷。
& &随着LED照明技术的发展，在高可靠性前提下，灯具越来越追求轻便性和维护的便利性。灯具设计已从复杂、体重的一体化设计逐步向模块化设计演变，特别是光学部分和驱动部分。因此外壳更多地担当承载作用，而非局限于散热，如图2（中部方孔为光学模块放置区域）所示。铝合金外壳将失去一定的优势，质量更轻、能制作高强度零件、能抵御恶劣使用环境的工程材料会成为压铸铝合金最大竞争对手。但用户潜意识中认为金属优于塑料；且压铸件本身在局部受力部位设计中的便利性；在复杂小巧、多边异形的零件中的优势，使得压铸铝外壳仍有一定市场，但用量萎缩的趋势不可避免。&
图2可放置光学模块的灯具外壳
& &现在部分厂家已逐步将灯具外壳部分换成高性价比的塑料件，如将非承重的灯具外壳换成塑料件，将承重件仍保留铝压铸件形式，避免大量使用铝合金材料造成的资源浪费。随着工程材料技术的发展，采用工程塑料生产灯具外壳大部分结构的时间也不会太久。
1.2、铝型材：
& &铝型材是已成型好的合金材料，简称挤铝或铝挤，通过挤压或拉拔的方式成型。一般拉拔采用冷加工，不加热，而挤压采用热加工。两种铝型材都具有以下相同特点。
& &（1）截面形状一致，设计变化快，模具投入低（断面如图3所示）；
& &图3模具断面图
& &（2）尺寸精度高，表面光洁，可免去机加工和研磨处理；
& &（3）表面处理工艺成熟，如阳极氧化、电泳，并保留良好的导热性能；
& &（4）在不调整模具情况下，可灵活调整零件长度。
& &铝型材在LED灯具光学和驱动模块化设计中被广泛应用，如图4光学模块的散热器和图5驱动模块的外壳。
图4光学模块散热器
图5驱动模块外壳
& &模块化设计遵循单体一致性、生产便利性和低成本的原则。因此，在自然冷却条件下，为确保每个模块能独立满足散热要求，缩短热传导路径、增强热对流和辐射能力是设计的重点，常用的手段包括保证对流路径畅通，增加散热表面积和表面处理，这在铝型材设计中可轻而易举地实现。
& &因此，随着模块化设计的逐步推进，铝型材除了在LED日光灯以及灯具装饰件上应用外，在LED户外灯具模块散热器中的应用也将越来越广泛。&
1.3、锻铝：
& &锻铝属于变形铝合金，高温强度低，热塑性好，一般在淬火，人工时效状态下使用。锻铝对应的加工手段为锻造，即利用材料的可塑性，借助高速锤的外力使其产生塑性变形，获得一定组织性能、形状和尺寸锻件的加工方法。锻造生产不但可以获得机械零件的形状，而且还能改善材料的内部组织，提高力学性能，其性能高于压铸件、切削件和焊接件，特点如下。
& &（1）零件组织致密，力学性能好；
& &（2）节省材料，适合相对复杂的零件，生产效率较高；
& &（3）成型所需外力较大，零件尺寸不宜过大，形状不能太复杂；
& &（4）加工成本相对过高。
& & LED照明灯具中的零件，除特殊用途外，一般对力学性能无过高要求，而锻压方法多用于受力大、力学性能要求高的重要机械零件的制造。为增加户外灯具在高空的质感，零件尺寸都较大，紧固部位的形状也较复杂，不适合锻造生产。铝合金锻造工艺独特，需严格控制成形的工艺温度和锤压速度。在高速锤锻造时，铝合金的外摩擦系数大，变形抗力大，塑性变形流动性差，如变形速度过快，则锻件表面容易产生折叠、起皮、结晶组织不匀等缺陷，甚至出现暖气锻件开裂[2]，且相对于铸造，锻造成本相对较高。因此，LED灯具外壳一般不采用锻件。
& &当然，并不是说锻件灯具外壳不好，相对于其他成型方式生产的外壳，它在某些方面反而具有一定的优势。以LED球泡灯外壳为例，为保证充分散热，须考虑增大散热面积，在有限的体积内，表面设计有许多鳍状散热片。若采用车削加工，虽然灵活，但因壳体和散热片多采用拼接方式，热源点到外壳的热阻过大，散热渠道不畅。如采用锻造加工，散热片和壳体就可一体成型，且散热片可设计成多而薄，锻造壳体组织致密，有利散热。同时，锻件表面处理技术成熟，可以氧化着色、喷涂、高光切削，从而满足客户外观颜色的多样需求。虽然铸造也可满足散热片与壳体一体成型，但为有利于零件脱模，散热片厚度设计上有一定限制。且铸件组织相对疏松，外壳氧化技术相对不成熟，大都采用喷涂、高光切削加工方式，外观颜色也较单一。
& &目前采用锻件外壳的灯具主要有LED射灯、球泡灯，如图6所示。因锻造成本高于铸造，其外壳量还比较小。随着锻造成本的下降，类似球泡灯和射灯的这种小巧复杂的锻造铝外壳或许对压铸铝外壳市场有一定冲击，但在综合性价比评判标准引导下也难成为主流。
图6 &LED球泡灯外壳
1.4、铝板：
& 在LED灯具设计中，铝板的应用较多，主要加工手段就是冲压成型。如PCB铝基板，筒灯、高档的面板灯壳，甚至个别球泡灯的散热片等等。但铝板应用于室内LED灯具时，考虑的重点不是散热，而是其轻型性和美观性，因为灯具功率相对较小，为了起到家庭装饰作用，体积却做得相对较大。这样可替代的材料也较多，如钢板、塑料等，就造成了铝板在LED室内灯具外壳领域内的应用受限。
& &针对LED户外灯具，目前一些小功率光学模块散热器，为了降低材料和生产制造成本，也在逐步考虑用铝板冲压成型来替代铝型材。不过短期内铝型材散热器的应用仍是主流，因为板材冲压成型散热器在满足模块防水等级要求方面的设计和操作上还有一定的复杂性。比如针对螺钉紧固位置铆接的螺柱，要么在设计上尽量避免，要么该位置的防水可靠度依赖于生产车间的铆接技术和粘接技术。但随着技术的发展，估计后续在LED灯具模块化设计中，针对模块功率大小，应用对象不同，型材散热器和铝板冲压成型散热器会各自分摊一定的市场比例。
2、铝合金与其他散热材料的对比分析：
& &目前，铝合金凭借其低密度、高导热率、表面处理技术成熟的优势，一直在LED照明材料市场上独占鳌头。但因灯具的结构形式、应用环境、安全性能要求，材料价格、车间自身加工工艺技术的成熟度等综合因素的影响，在LED照明材料市场中还聚集着镁合金、陶瓷、导热塑料等多种材料。
2.1、镁合金材料：
& &镁合金的主要成分是镁，在满足散热能力的条件下，镁合金在LED照明行业中的应用主要是利用其低密度（镁合金的密度1.8 g/cm-3左右，铝合金的密度为2.7 g/cm-3左右）和易加工等特点。虽然它强度高，弹性模量大，消震性好，具有较好的抗冲击性、耐磨性和抗电磁干扰性，但在大多数灯具设计中意义不大，而且镁合金价格相对较为昂贵，因此，在LED照明行业，镁合金的应用不会成为主流。
2.2、陶瓷材料：
& &与金属合金材料不同，陶瓷属于非金属材料。它具有优良的力学性能、抗氧化性、耐老化性、耐腐蚀性以及高的抗磨损、低的摩擦系数和膨胀系数。陶瓷晶体结构中没有自由电子，故具有高绝缘性。它的传热属于声子导热机理，理论表明，陶瓷晶体材料的最大导热系数可高达320 W/(m&K)[3]，但实际上，陶瓷的导热率并未达到理论值，根据成分不同波动幅度很大。通常认为，影响陶瓷导热率的因素主要是添加剂含量和烧结过程中形成的结构缺陷。
& &陶瓷的原材料价格低廉，且具有高辐射率等诸多良好的性能，但比重较大，烧结高导热性能陶瓷价格还较高。因此，目前在LED照明行业中，陶瓷应用范围还较小，主要有陶瓷LED球泡灯壳。在LED球泡灯中，除了利用陶瓷良好的导热性外，还充分利用了优秀的绝缘性能，由于它可以直接安放非隔离电源，因此被一些厂家青睐。另外1种常用形式就是制作陶瓷基片（如碳化硅微孔陶瓷散熱片）用于降低两金属件因接触不良好而形成的空气热阻。
2.3、导热塑料：
& &导热塑料是1种可以传热的塑料，基体材料是塑料，通过添加高导热率的材料来提高整体的导热性能。因此导热塑料既具有塑料的重量轻、优秀的绝缘性能等特性又具有高导热性。
& &导热塑料与铝合金金属材料相比，主要有以下优势。
& （1）灯具结构设计自由度高，可充分发挥对流散热。
& &塑料的流动性很好，产品通过注塑成型，所以可以生产薄壁及复杂形状的零件，在设计中可充分考虑利用灯具特有结构形式来发挥对流散热，同时灵活的结构设计可以增加产品外观个性化竞争力。而铝合金材料的主要生产方法是压铸或拉伸成型，零件壁厚及形状有一定的限制。
& （2）利于加工成型，无需二次加工，量产性好。
& &导热塑料可以一次成型，表面美观，无需后加工。而且可以一模多件，生产效率高，加工成本低。而合金材料压铸成型后一般会产生毛边，需要去毛边和喷丸处理，工序多，加工成本高。
& （3）重量轻，更安全。
& &由于塑料的密度比铝合金更低，同体积下，产品重量更轻，一般要比铝合金轻40%左右。以目前现有的导热塑料TCPA系列为例，密度约为1.5 g/cm-3左右。而灯具重量又与灯具安装的便利性、运输成
& &本息息相关。灯具过重既存在安全隐患又增加了包装运输成本。
& （4）绝缘性好，整体成本低等。
& &由于导热塑料绝缘性良好，对带电体来说更安全。在一定条件下还可采用非隔离式电源设计（非隔离电源相对于隔离电源来说不仅成本较低而且体积较小），从而降低整体成本。
& （5）热辐射能力强。
& &热传递有3种方式：传导、对流和辐射。当热传导到散热器表面后，就需要靠对流和辐射传递到空气中。通过热设计仿真软件中材料辐射系数表可知，塑料材料的热辐射系数值大部分都比金属材料高，说 明其辐射能力较强。
& &根据DSM公司发布的散热与材料导热系数和材料厚度关系图可看出，导热系数小于5 W/(m&K)时，热传导受限，导热系数微小的差异都会造成较大的温度变化。导热系数大于5 W/(m&K)时，对流受限，当材料厚度在5 mm及以下的情况下，导热系数对温度差的影响都是趋近于0[4]。
& &当然，导热塑料虽然存在以上优势，但目前也存在一些不足：
& （1）单位重量价格还较高，对铝合金而言无明显优势；
& （2）前期模具费用投入大，平均成本还较高；
& （3）耐热性相比金属材料差，热膨胀系数大，在长期载荷作用下，易产生蠕变现象和老化。
& &正是这些不足之处，或多或少地限制了导热塑料在LED照明领域里的应用。目前导热塑料仅被个别厂家用于一些室内小功率LED灯具，如球泡灯外壳，灯管外壳等。但随着塑料工业的发展，这些不足将会被新型复合塑料所克服。
& &3、结束语：
& &综上所述，基于目前形势，铝合金在LED照明主体材料市场中的称雄势头还会保持很长一段时间，且随着LED照明技术的发展，总需求量还将加大，但利用形式的比例将有所变化，铝型材和板材用量将有所增加。但随着LED芯片和封装技术的更新，以及人们对灯具安全性能要求的提高，在众多导热材料中，像导热塑料这种具有良好导热性和电绝缘性能于一体的材料的应用将成为1种新趋势。相信在不久的将来，在LED室内灯具领域里，导热塑料散热器将会逐渐取代铝散热器成为主流。}