高导热尼龙散热器在汽车后雾灯上的应用

狄春峰， 王 敏， 杨 旭， 李海波， 周永松， 巩玉钊

(1. 上海汽车集团股份有限公司乘用车公司， 上海 201804；2. 常州九鼎车业股份有限公司， 江苏常州 213138；3. 杭州本松新材料技术股份有限公司， 杭州 311199)

0 前言

自汽车诞生以来，车灯一直伴随着汽车工业的发展不断进步。现代汽车车灯从最初的钨丝白炽灯到二代的卤素灯，再到第三代的氙气灯，如今已发展到第四代发光二极管(LED)灯。与传统车灯相比，LED车灯结构简单、节能高亮、亮灯迅速、体积小、寿命长，其在汽车照明领域的大规模应用已成必然[1-3]。

LED车灯采用LED作为光源，与传统光源相比光电转化率较高，但仍有60%～80%的电能转化为热能;另外,LED对温度十分敏感，当工作温度超过承载温度时会导致LED的发光效率快速降低，产生明显光衰，严重缩短LED芯片的寿命；因此LED光源大多附带散热器以解决散热问题[4-5]。目前,LED光源散热器多以铝材通过压铸或挤出等工艺手段制备，通过修边、抛光、钻孔、氧化等多道工序后才能应用于LED散热;LED光源散热器的制作工序复杂，成本高，且质量大。

得益于科技进步，具有易加工、低密度、高热导率的导热塑料被开发出来，并被逐步应用于换热工程、采暖工程、电子电器等领域[6-8]。在民用LED照明领域，导热塑料散热方案也被人们所接受，但其在车灯行业中的应用还较少。笔者通过对某国产高导热尼龙材料的性能开发，设计散热器结构，结合量产LED后雾灯项目进行整灯性能测试，验证该高导热尼龙散热器的有效性，并与铝制散热器进行比较。

1 实验部分

1.1 实验材料

采用高导热尼龙材料进行实验，高导热尼龙材料的基本物性见表1。

表1 高导热尼龙材料基本性能

1.2 主要设备及仪器

万能试验系统，5967，英斯特朗(上海)试验设备贸易有限公司;

冲击试验仪，GT-7045-MDH,高铁检测仪器(东莞)有限公司；

导热系数测试仪器，LFA 447/2-41, 耐驰科学仪器商贸(上海)有限公司；

稳压直流电源，PS3060，宁波久源电子有限公司；

温度测量仪，JK-24AU，常州金艾联电子科技有限公司；

配光仪，GO-HD5，杭州远方光电信息股份有限公司；

配光仪，RT100A，杭州远方光电信息股份有限公司；

振动实验台，ES-10-240/LT0808，苏州东菱振动试验仪器有限公司；

温度/湿度/振动三综合试验机，CZ-JP5-1690G，东莞众志检测仪器有限公司；

气密性试验箱，自制，常州九鼎车业股份有限公司。

1.3 导热尼龙散热器设计方案

原汽车后雾灯散热器方案采用铝型材挤压成型，散热器及其对应的LED铝基板见图1。结合铝制散热器的散热面积和在后雾灯总成零件中需要达到的散热效果，在散热器总尺寸不变的情况下，笔者设计了高导热尼龙散热器(见图2)。该高导热尼龙散热器与LED铝基板接触部分结构与铝制散热器相同，对散热翅片厚度、间距、高度进行设计，相关参数见表2。

图1 后雾灯铝制散热器

图2 高导热尼龙散热器

表2 高导热尼龙散热器参数

1.4 性能评估

1.4.1 散热性能测试

将高导热尼龙散热器装配成后雾灯总成，在LED铝基板上布置热电偶(见图3)，然后在50 ℃下点灯，记录温度平衡后热电偶温度数值。对比不同高导热尼龙散热器和铝制散热器对应的LED 相同位置的针脚实测温度(Ts)，以比较两者在散热性能上的差别。

图3 热电偶布点位置示意图

1.4.2 后雾灯总成点灯耐久性能影响测试

对装配高导热尼龙散热器后的后雾灯车灯总成零件进行LED点灯耐久验证测试，以验证总成零件的可靠性。试验前检测试验样品的配光性能，然后在(23±5) ℃环境温度下以额定电压点亮试验样品并持续点灯2 000 h；试验后重新对试验样品进行配光检测，要求试验过程中及试验后的样件皆功能正常，且配光符合GB 11554—2008 《机动车和挂车用后雾灯配光性能》的要求。

1.4.3 强度测试

通过振动试验进行高导热尼龙散热器强度测试：按照一定的振动频率和功率谱密度(PSD)进行随机振动，温度变化在-40～50 ℃。每一空间轴向上测试8 h。要求样件在试验后不得出现开裂、松动及明显变形等影响功能的缺陷，试验中和试验后功能正常，符合总成零件要求。

1.4.4 热老化性能测试

由于尼龙材料本身的特性，高导热尼龙材料在经过长期的热老化后，必然存在一定的性能变化。因此对长期热老化后高导热尼龙材料及其制成的散热器性能的变化的考核也至关重要。

将高导热尼龙散热器材料分别放置在120 ℃和140 ℃条件下老化2 000 h，观察性能的变化情况;同时,对注塑成型的高导热尼龙散热器在140 ℃条件下老化1 000 h，装配到后雾灯总成上，按照第1.4.1节进行散热性能评估。

1.4.5 后雾灯其他配件的影响测试

结合散热器在后雾灯总成零件上的使用要求，高导热尼龙材料不能与其直接接触的配件(如硅胶密封圈、导热密封胶等)产生不良影响。

将装有高导热尼龙散热器的后雾灯散热器总成放置在90 ℃条件下500 h，恢复至室温后观察高导热尼龙散热器、硅胶密封圈、导热密封胶等，要求高导热尼龙散热器、硅胶密封圈、导热密封胶均无影响功能和使用的不良变化。

2 实验结果与分析

2.1 散热性能验证

对高导热尼龙散热器的有效散热面积进行了提升，在基板部位尺寸不变的情况下，增大了翅片的高度,减薄单个散热翅片,并增加翅片数量，得到改进型高导热尼龙散热器。

按照第1.4.1节的测试条件，测试高导热尼龙散热器、改进型高导热尼龙散热器和铝制散热器的散热性能，结果见表3。

表3 不同散热器50℃下LED芯片实测针脚温度Ts

由表3可以看出：

(1) 高导热尼龙散热器与铝制散热器相同位置(见图3中LED1、LED2、LED3)的Ts都在60～70 ℃，远远低于LED的节温上限，满足LED的使用要求。

(2) 在LED后雾灯体系中，高导热尼龙散热器与铝制散热器Ts相差不大，温差为3～7 K。

(3) 改进型高导热尼龙散热器的Ts与铝制散热器的Ts，温差缩小到了2 K以内。

综上分析，结合零件的尺寸、安装空间等进行散热面积的最大化设计，优化散热器翅片结构，增加散热片面积，有利于提升高导热尼龙散热器的散热效率，是提升高导热尼龙散热器散热性能的有效手段，可以为后续在高散热要求的应用中提供优化思路。

由于零件安装空间所限，后续性能验证采用的均是高导热尼龙散热器。

2.2 后雾灯总成点灯耐久性能验证

LED持续点灯2 000 h，试验中、试验后的配光性能均符合GB 11554—2008。试验前后，总成样件和散热器外观正常、功能正常，表明高导热尼龙散热器满足该后雾灯长期耐久要求。

2.3 热老化性能验证

对高导热尼龙材料进行了不同温度条件下热老化性能的研究，结果见图4。由图4可以看出：高导热尼龙材料热老化前后，其缺口冲击强度、拉伸强度、弯曲强度及导热系数的变化率都在10%以内。

(a) 缺口冲击强度

(b) 导热系数

(c) 弯曲强度

(d) 拉伸强度

在高导热尼龙散热器进行140 ℃/1 000 h老化后对其零件的散热性能进行测试，结果见表4。由表4可以看出：140 ℃/1 000 h热老化后，高导热尼龙散热器散热性能有所降低，对应的TS有所升高，老化前后TS变化在10 K左右。

表4 140 ℃/1 000 h热老化后高导热尼龙散热器50 ℃下LED芯片Ts实测温度

2.4 后雾灯其他配件的影响

图5为将装有高导热尼龙散热器的后雾灯散热器小总成放置在90 ℃条件下500 h后，与高导热尼龙散热器直接接触的硅胶密封圈、密封胶塞等后雾灯配件的照片。由图5可以看出:实验前后硅胶密封圈无明显变化，密封胶塞由于胶塞自身特性轻微黄变。

图5 后雾灯散热器照片

将实验后高导热尼龙散热器装配到后雾灯总成，样品完全浸没到水平面下 2.5 cm，施加7.0 kPa压强，试验时间为 5 min，无气泡产生，满足后雾灯总成气密性要求。

由以上可以评估，高导热尼龙散热器对与其直接接触的配件硅胶密封圈、密封塞、导热密封胶等无影响。

3 结语

高导热尼龙散热器在散热性能和零件性能上均满足当前所用后雾灯的使用需求，同时经长期老化耐久测试后各项性能变化较小，可以替代当前雾灯的铝制散热器。

采用的高导热尼龙材料密度仅为1.7 g/cm3，远小于铝的密度(2.7 g/cm3)，可以实现制件质量减重30%。同时，得益于国产高导热尼龙材料的成本控制，相较于铝制散热器，单个高导热尼龙散热器在成本上也实现了接近30%的降低。

从散热性能测试结果可以看出，由于此次实验选取的后雾灯本身对散热要求不高，散热要求的安全余量较大，因此可以替代铝制散热器。是否能够将该导热尼龙应用于散热要求较高的、大发热量的其他应用场景，还应结合使用需求进行深入研究。同时，鉴于高导热尼龙材料的力学性能无法与金属铝相比，相较于普通尼龙材料也有所降低，在结构设计上需要着重关注。后续考虑采用将高导热尼龙材料与铝制件相结合,以塑嵌铝的方式解决高散热需求零件和强度问题。

由于高导热尼龙材料具有结构设计上的灵活性，加工工艺上的便捷性和无需表面处理等优势，在汽车轻量化的大需求背景下，其在汽车灯具上乃至具有散热需求的各种部件上的应用必将越来越广泛。