碳纤维技术在大功率LED灯具中的应用

摘要：随着科学技术的不断进步，LED照明技术越来越成熟，大功率LED灯具在要求具备高散热特性的同时，其轻重量和小体积也成为LED灯具所设计研究的方向。纳米碳纤维材料具有优异的化学物理特性，将其特性加入对LED灯具的设计中，可以有效的解决LED灯具的散热问题，使得大功率的LED灯具真正拥有轻重量、高导热性等性能。

关键词：碳纤维；LED灯具；应用

【分类号】：TU855

在自然散热中，热源功率越高，则需要的散热表面积就越大。1W的热源需要75cm2表面散热面积才可以达到快速散热的效果。例如在大功率LED灯具中，单个模块的功耗大约是40W，那么单个模组则需要3 000cm2的散热表面积。以质量约为1.9kg的铝制鳍片散热器为例，忽略其体积以及耗费的材料，只考虑其安装的安全性，灯具越重，其抗震、抗风阻的能力越差，安装的危险性就越高。而碳纤维材料的质量比铝合金轻25%，热阻比铝要低40%，并且其耐温能达到4000C，将碳纤维技术应用在LED灯具上是大功率灯具在散热技术上的一个新起点。

一、碳纤维技术的简介

（一）碳纤维材料的简介

碳纤维是由有机纤维在惰性气体中经高温碳化以及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。其微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维，其中含碳量高于99%的被称作石墨纤维。碳纤维的模量和轴向强度高，耐疲劳性能好，热膨胀系数较小，耐腐蚀性能好，并且它的密度很低，X射线透过性很好，并且其力学性能优异。但是它的耐冲击性较差，很容易损伤，并且在强酸的作用下容易发生氧化，与金属（比如铝）复合会发生渗碳、电化学腐蚀以及金属碳化等现象。所以，在使用碳纤维材料之前必须对其进行表面做一定的处理。

碳纤维一般不会单独的使用，而常被作为增强材料加入到陶瓷、金属、树脂等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料通常可以被用作人工韧带等身体代用材料、电磁屏蔽除电材料、飞机结构材料以及被用于制造机动船、火箭外壳、汽车驱动轴和板簧、工业机器人等。它与环氧树脂结合生成的复合材料强度高、刚性好而且比重很小，被广泛地应用于航空航天领域以及各种要求化学稳定性高、耐高温的场合。

（二）碳纤维的热量传递规律

依据热传学，热量的传递方式有三种，即热对流、热传导和热辐射。

1.热对流

（2）测试仪器：多通道温度测试仪。

由表一可知，在相同的体积下，碳纤维材料的散热器比铝合金材料的散热器的重量更轻，而且温升更低。

（二）碳纤维材料散热器与铝合金散热器的体积对比

目前，使用最普遍的是铝合金散热器的LED灯泡。为了确保散热器能够拥有足够大的散热面积，一般会把LED光源焊接到灯泡顶端的位置，其发光角度的局限性非常大。而碳纤维多孔镂空的结构和优异的导热性，使得碳纤维材料散热器的散热性很明显的优于铝合金散热性能。所以，在相同的散热效果下，选择碳纤维材料散热器能够有效地缩小其自身的体积（如图三所示），并且不会限制LED灯的发光角度。除此之外，还可以把LED光源焊接到散热器侧面的圆周位置处，使LED灯泡可以像节能灯或者白炽灯一样向四周3600发光，使用户倍感和谐、舒适。

三、碳纤维技术在大功率LED灯具中的应用前景

随着半导体固态的光源技术的不断进步，LED发光效率也在稳步提升，LED照明产品的应用也越来越广。但是，怎样在封装、芯片、金属基板以及系统模组的各个环节中更好地设计好散热传热的途径，仍然是阻碍LED技术发展的瓶颈。要想把LED光源的结点温度控制在比较低的水平，就要优化结构、改进材质和工艺。在LED芯片的各个环节都可以充分的利用碳纤维材料的不变形、不收缩以及高热的传导率等良好特性，以更有效的控制LED产品的温升。

厦门的格绿能光电有限公司对于碳纤维材料在LED灯具，尤其是大功率以及超大功率的LED灯具中的应用进行了大量的研究和探索。研究表明，具有高导热率性能的碳纤维材料，不仅非常适合制成散热器和基板，而且还可以用作承载LED芯片基板与散热器、热沉与基板的导热垫片，这样可以大大的改善传统导热硅脂的易干裂以及导热性能偏低等缺点。除此之外，因为碳纤维的碳簇材料（黑体）的辐射冷却效果极佳，所以碳纤维材料还可以用来作涂料，将其涂覆在散热器的表层，可以有效地进行辐射散热，。

结语：

具有抗疲劳断裂性好、结构稳定性好、设计性好、比强度高以及可大面积的整体成型等优良性能的碳纤维材料，随着其成本价格的不断降低，应用的范围也将从军事领域和航空航天领域逐步地向民用和工业领域逐渐拓宽。碳纤维技术在大功率LED灯具中的推广和应用将进一步促进LED照明产业的发展。

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