狄春峰， 王 敏， 楊 旭， 李海波， 周永松， 鞏玉釗

(1. 上海汽車集團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股份有限公司， 杭州 311199)

0 前言

自汽車誕生以來，車燈一直伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展不斷進步?，F(xiàn)代汽車車燈從最初的鎢絲白熾燈到二代的鹵素燈，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車燈結構簡單、節(jié)能高亮、亮燈迅速、體積小、壽命長，其在汽車照明領域的大規(guī)模應用已成必然[1-3]。

LED車燈采用LED作為光源，與傳統(tǒng)光源相比光電轉化率較高，但仍有60%～80%的電能轉化為熱能;另外,LED對溫度十分敏感，當工作溫度超過承載溫度時會導致LED的發(fā)光效率快速降低，產生明顯光衰，嚴重縮短LED芯片的壽命；因此LED光源大多附帶散熱器以解決散熱問題[4-5]。目前,LED光源散熱器多以鋁材通過壓鑄或擠出等工藝手段制備，通過修邊、拋光、鉆孔、氧化等多道工序后才能應用于LED散熱;LED光源散熱器的制作工序復雜，成本高，且質量大。

得益于科技進步，具有易加工、低密度、高熱導率的導熱塑料被開發(fā)出來，并被逐步應用于換熱工程、采暖工程、電子電器等領域[6-8]。在民用LED照明領域，導熱塑料散熱方案也被人們所接受，但其在車燈行業(yè)中的應用還較少。筆者通過對某國產高導熱尼龍材料的性能開發(fā)，設計散熱器結構，結合量產LED后霧燈項目進行整燈性能測試，驗證該高導熱尼龍散熱器的有效性，并與鋁制散熱器進行比較。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

采用高導熱尼龍材料進行實驗，高導熱尼龍材料的基本物性見表1。

表1 高導熱尼龍材料基本性能

1.2 主要設備及儀器

萬能試驗系統(tǒng)，5967，英斯特朗(上海)試驗設備貿易有限公司;

沖擊試驗儀，GT-7045-MDH,高鐵檢測儀器(東莞)有限公司；

導熱系數(shù)測試儀器，LFA 447/2-41, 耐馳科學儀器商貿(上海)有限公司；

穩(wěn)壓直流電源，PS3060，寧波久源電子有限公司；

溫度測量儀，JK-24AU，常州金艾聯(lián)電子科技有限公司；

配光儀，GO-HD5，杭州遠方光電信息股份有限公司；

配光儀，RT100A，杭州遠方光電信息股份有限公司；

振動實驗臺，ES-10-240/LT0808，蘇州東菱振動試驗儀器有限公司；

溫度/濕度/振動三綜合試驗機，CZ-JP5-1690G，東莞眾志檢測儀器有限公司；

氣密性試驗箱，自制，常州九鼎車業(yè)股份有限公司。

1.3 導熱尼龍散熱器設計方案

原汽車后霧燈散熱器方案采用鋁型材擠壓成型，散熱器及其對應的LED鋁基板見圖1。結合鋁制散熱器的散熱面積和在后霧燈總成零件中需要達到的散熱效果，在散熱器總尺寸不變的情況下，筆者設計了高導熱尼龍散熱器(見圖2)。該高導熱尼龍散熱器與LED鋁基板接觸部分結構與鋁制散熱器相同，對散熱翅片厚度、間距、高度進行設計，相關參數(shù)見表2。

圖1 后霧燈鋁制散熱器

圖2 高導熱尼龍散熱器

表2 高導熱尼龍散熱器參數(shù)

1.4 性能評估

1.4.1 散熱性能測試

將高導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(見圖3)，然后在50 ℃下點燈，記錄溫度平衡后熱電偶溫度數(shù)值。對比不同高導熱尼龍散熱器和鋁制散熱器對應的LED 相同位置的針腳實測溫度(Ts)，以比較兩者在散熱性能上的差別。

圖3 熱電偶布點位置示意圖

1.4.2 后霧燈總成點燈耐久性能影響測試

對裝配高導熱尼龍散熱器后的后霧燈車燈總成零件進行LED點燈耐久驗證測試，以驗證總成零件的可靠性。試驗前檢測試驗樣品的配光性能，然后在(23±5) ℃環(huán)境溫度下以額定電壓點亮試驗樣品并持續(xù)點燈2 000 h；試驗后重新對試驗樣品進行配光檢測，要求試驗過程中及試驗后的樣件皆功能正常，且配光符合GB 11554—2008 《機動車和掛車用后霧燈配光性能》的要求。

1.4.3 強度測試

通過振動試驗進行高導熱尼龍散熱器強度測試：按照一定的振動頻率和功率譜密度(PSD)進行隨機振動，溫度變化在-40～50 ℃。每一空間軸向上測試8 h。要求樣件在試驗后不得出現(xiàn)開裂、松動及明顯變形等影響功能的缺陷，試驗中和試驗后功能正常，符合總成零件要求。

1.4.4 熱老化性能測試

由于尼龍材料本身的特性，高導熱尼龍材料在經過長期的熱老化后，必然存在一定的性能變化。因此對長期熱老化后高導熱尼龍材料及其制成的散熱器性能的變化的考核也至關重要。

將高導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,對注塑成型的高導熱尼龍散熱器在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)進行散熱性能評估。

1.4.5 后霧燈其他配件的影響測試

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

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

2 實驗結果與分析

2.1 散熱性能驗證

對高導熱尼龍散熱器的有效散熱面積進行了提升，在基板部位尺寸不變的情況下，增大了翅片的高度,減薄單個散熱翅片,并增加翅片數(shù)量，得到改進型高導熱尼龍散熱器。

按照第1.4.1節(jié)的測試條件，測試高導熱尼龍散熱器、改進型高導熱尼龍散熱器和鋁制散熱器的散熱性能，結果見表3。

表3 不同散熱器50℃下LED芯片實測針腳溫度Ts

由表3可以看出：

(1) 高導熱尼龍散熱器與鋁制散熱器相同位置(見圖3中LED1、LED2、LED3)的Ts都在60～70 ℃，遠遠低于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) 改進型高導熱尼龍散熱器的Ts與鋁制散熱器的Ts，溫差縮小到了2 K以內。

綜上分析，結合零件的尺寸、安裝空間等進行散熱面積的最大化設計，優(yōu)化散熱器翅片結構，增加散熱片面積，有利于提升高導熱尼龍散熱器的散熱效率，是提升高導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)性能驗證采用的均是高導熱尼龍散熱器。

2.2 后霧燈總成點燈耐久性能驗證

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

2.3 熱老化性能驗證

對高導熱尼龍材料進行了不同溫度條件下熱老化性能的研究，結果見圖4。由圖4可以看出：高導熱尼龍材料熱老化前后，其缺口沖擊強度、拉伸強度、彎曲強度及導熱系數(shù)的變化率都在10%以內。

(a) 缺口沖擊強度

(b) 導熱系數(shù)

(c) 彎曲強度

(d) 拉伸強度

在高導熱尼龍散熱器進行140 ℃/1 000 h老化后對其零件的散熱性能進行測試，結果見表4。由表4可以看出：140 ℃/1 000 h熱老化后，高導熱尼龍散熱器散熱性能有所降低，對應的TS有所升高，老化前后TS變化在10 K左右。

表4 140 ℃/1 000 h熱老化后高導熱尼龍散熱器50 ℃下LED芯片Ts實測溫度

2.4 后霧燈其他配件的影響

圖5為將裝有高導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:實驗前后硅膠密封圈無明顯變化，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

將實驗后高導熱尼龍散熱器裝配到后霧燈總成，樣品完全浸沒到水平面下 2.5 cm，施加7.0 kPa壓強，試驗時間為 5 min，無氣泡產生，滿足后霧燈總成氣密性要求。

由以上可以評估，高導熱尼龍散熱器對與其直接接觸的配件硅膠密封圈、密封塞、導熱密封膠等無影響。

3 結語

高導熱尼龍散熱器在散熱性能和零件性能上均滿足當前所用后霧燈的使用需求，同時經長期老化耐久測試后各項性能變化較小，可以替代當前霧燈的鋁制散熱器。

采用的高導熱尼龍材料密度僅為1.7 g/cm3，遠小于鋁的密度(2.7 g/cm3)，可以實現(xiàn)制件質量減重30%。同時，得益于國產高導熱尼龍材料的成本控制，相較于鋁制散熱器，單個高導熱尼龍散熱器在成本上也實現(xiàn)了接近30%的降低。

從散熱性能測試結果可以看出，由于此次實驗選取的后霧燈本身對散熱要求不高，散熱要求的安全余量較大，因此可以替代鋁制散熱器。是否能夠將該導熱尼龍應用于散熱要求較高的、大發(fā)熱量的其他應用場景，還應結合使用需求進行深入研究。同時，鑒于高導熱尼龍材料的力學性能無法與金屬鋁相比，相較于普通尼龍材料也有所降低，在結構設計上需要著重關注。后續(xù)考慮采用將高導熱尼龍材料與鋁制件相結合,以塑嵌鋁的方式解決高散熱需求零件和強度問題。

由于高導熱尼龍材料具有結構設計上的靈活性，加工工藝上的便捷性和無需表面處理等優(yōu)勢，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用必將越來越廣泛。