LED照明中陶瓷材料的应用技术

　　刘维良、骆素铭对常温红外辐射做了研究，测试的样品红外辐射率约0.82~0.94，对不同表面质量的远红外釉面也进行了测试，辐射率约0.6~0.88，并从陶瓷断口SEM照片中得出远红外陶瓷粉在釉中添加量为10wt%时的辐射性能、釉面质量、颜色和成本较佳，其辐射率达到了0.83，其他性能均达到国家日用瓷标准要求。崔万秋、吴春芸对低温远红外陶瓷块状样品进行了测试，红外辐射率为0.78~0.94。李红涛、刘建学研究发现，常温远红外陶瓷辐射率一般可达0.85，国外Enecoat釉涂料最高辐射率可达0.93~0.94。众多研究均表明，陶瓷或釉面本身具有很高的红外辐射率，是其替代传统铝制散热器的一大重要参数。为便于与实验测试进行比较，计算机仿真分析时，将环境温度设为15℃，得到的温度分布如图5所示（为便于查看，隐藏了透镜及其固定部分）。为了比较95陶瓷灯具与铝制压铸灯具的热学性能，通过计算机仿真得到的温度分布如图6所示（灯具散热器为铝合金ADC12，灯座为PBT塑料，其余参数不变。）

　　引言

　　LED是一种新型固态光源，自问世以来受到了极大的关注。它的发光机理是靠PN结中的电子在能带间跃迁产生光能。在外电场的作用下，电子与空穴的辐射复合发生电致作用，一部分能量转化为光能，无辐射复合产生的晶格震荡将其余能量转化为热能。

　　目前LED的发光效率仅20%~30%，其余能量大多转化为热能，大量的热能需要及时地散发出去，否则将会使LED的寿命减少，甚至永久性失效。所以，在LED快速发展的同时，人们也不断进行着LED散热新技术的研究。

　　金属铝材凭借着密度小、热导率高、表面处理技术成熟的优势，一直占据着LED照明主体材料的市场。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（下文简称为LED灯具）的使用安全性，电绝缘材料引起了人们的重视。

　　开始崭露头角的电绝缘材料有陶瓷材料和高热导塑料。人类对陶瓷材料的使用已有几千年了，现代技术制备的陶瓷材料有着绝缘性好、热导率高、红外辐射率大、膨胀系数低的特点，完全可以成为LED照明的新材料。目前，陶瓷材料主要用于LED封装芯片的热沉材料、电路基板材料和灯具散热器材料。高热导塑料凭借着其优良的电绝缘性和低密度值，高调地进入了散热材料市场，现阶段由于价格高，应用率不大。本文主要讨论陶瓷材料在LED照明中的。

　　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。由于制备技术的不同，陶瓷材料的热导率也不一样，常用陶瓷材料的导热系数如表1所示。

　　陶瓷材料的热导率与添加剂含量也有着密切的关系。河北工业大学的梁广川等人对稀土氧化物Y2O3含量与密度和导热率的关系也做了实验研究。他们采用的一种氮化铝（AlN）陶瓷粉体为：平均粒度3m，氧杂质含量0.97wt%，添加剂为纯度99.95%的Y2O3。

　经过常压氮气环境烧结、抛光（光洁度0.25m）处理，粉体的Y2O3含量和导热系数关系如图1所示。由图1可知，添加适量的稀土氧化物Y2O3可以使氮化铝陶瓷的导热系数达到160W/mK左右，已经超过了压铸铝材ADC12的导热系数（ADC12的导热系数为96.2W/mK），完全可以用作散热器的制作材料。

　3 氧化铝陶瓷材料的LED照明灯具研究

　　3.1 陶瓷LED灯具实验测试

　　氧化铝陶瓷的导热系数与氧化铝的成分（纯度）有很大的关系（如表2所示）。常用的Nom.95%氧化铝陶瓷（简称为95陶瓷）导热系数约22.4W/mK，耐压10kV/mm，由此制成LED灯具的样品如图4所示。