CN110328369A - 不锈钢增强碳化硅复合陶瓷led模组散热器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED散热器的制备方法，其为将碳化硅粉和不锈钢粉及粘结剂进行预混，然后加入混炼造粒一体机中，进行混炼及造粒；将造粒后的颗粒加入注塑机中，注射到散热器造型的模具中得到的散热器生坯；放入催化脱脂炉脱脂，使用草酸或硝酸催化脱脂，将粘结剂脱除70～90％；之后烧结，得到不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED模组散热器；该散热器结构上具有模块化设计，一面用于安装LED光源，另一面为散热鳍片，并具有螺栓固定孔和线缆孔。该方法获得的不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED模组散热器弯曲强度≥600MPa，导热系数≥9w/m*k，耐腐蚀性优良，适用于腐蚀性环境LED散热。

Description

不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED模组散热器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED模组散热器的制备方法，属于LED模组散热器技术领域。
背景技术
LED(发光二极管)是20世纪60年代发展起来的一种新型发光半导体，相比传统的白炽灯，LED光效高，无铅汞等重金属，寿命长，体积小，抗震性好，在照明及显示领域具有无可比拟的优势。
但LED发光的同时伴随严重发热，温度过高将严重降低寿命，因此散热是LED应用的重中之重。解决LED散热方法主要是安装散热器，目前LED现有的散热器在材质上可分为金属、导热塑料和陶瓷。在金属散热器中铝材散热器制造技术成熟，导热率高，应用最广；导热塑料散热器的密度低，容易成型，但导热率略低，耐候性差；金属和导热塑料的散热器都难以解决耐腐蚀及耐候性问题，因此陶瓷散热器成为腐蚀性环境的LED的首选材料；但现有的陶瓷材料通常以干压，流延等成型方式为准，存在难以形成复杂形状制品的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED散热器的制备方法。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED散热器的制备方法，其包括如下步骤：
S1、将碳化硅粉和不锈钢粉及粘结剂进行预混，然后加入混炼造粒一体机中，进行混炼及造粒；
S2、将步骤SI中造粒后的颗粒加入注塑机中，注射到散热器造型的模具中得到的散热器生坯；
S3、将散热器生坯放入催化脱脂炉脱脂，使用草酸或硝酸催化脱脂，将粘结剂脱除70～90％；
S4、将脱脂后的散热器生坯进行烧结，得到不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED模组散热器。
在一个优选的实施方案中，在步骤S1中，所述碳化硅粉的粒径为5～15μm；所述不锈钢粉的粒径为8～12μm，其种类为17-4PH、304、316、316L或430中的一种或几种，所述碳化硅粉、不锈钢粉与粘结剂的用量按重量比计为30～60％:20～40％:10～30％。
在一个优选的实施方案中，在步骤S1中，所述粘结剂包括按重量比占80～90％的粘结剂主体和10～20％的粘结剂助剂。
进一步地，所述粘结剂主体为聚甲醛(POM)，所述粘结剂助剂为聚乙烯蜡(PE蜡)，石蜡(PW)，硬脂酸(SA)，高分子量聚乙烯(HDPE)(分子量50000-200000)，聚醋酸乙烯酯(EVA)，尼龙1010(PA1010)中的一种或一种以上的混合物。
在一个优选的实施方案中，在步骤S1中，所述造粒的加工温度170～210℃，造粒颗粒直径3.5mm，长度2～4mm。
在一个优选的实施方案中，在步骤S2中，所述注塑机为立式或卧式注塑机，注塑机的成型压力为80～130MPa，成型温度为200～220℃。
在一个优选的实施方案中，在步骤S2中，所述散热器造型的模具，具有模块化设计，获得的散热器的一面用于安装LED光源，另一面为散热鳍片，并具有螺栓固定孔和线缆孔。
在一个优选的实施方案中，在步骤S3中，所述脱脂温度为110～130℃，脱除时间为15～25h。
在实际操作中草酸或硝酸为热蒸汽，无固定用量，主要通过控制温度和时间来控制脱除率，脱除率是通过称重得到。
在一个优选的实施方案中，在步骤S4中，所述烧结所用设备为真空烧结炉，真空压力≤0.01pa。
在一个优选的实施方案中，在步骤S4中，所述烧结的温度为1300～1400℃。其烧结时间是根据产品性能要求及数量进行调整。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
相对现有的金属散热器或塑料散热器，本发明方法制备的不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED散热器，具有优良的力学强度，弯曲强度≥600MPa，导热系数≥9w/m*k；优异的耐腐蚀及耐候性，弥补了其他材质散热器不能在腐蚀性环境中应用的不足，使用寿命远大于其他散热器。本发明的制备方法采用的原料在配比上解决了不锈钢金属粉末和碳化硅陶瓷粉末相容性的问题，以及在成型方式上，采用金属粉末冶金注塑成型和陶瓷粉末冶金注塑成型相结合的技术，解决了传统陶瓷难以成型复杂形状制品的不足，其模块化设计能够十分简便地安装及替换；本发明的制备方法适应自动化生产，良率高，能够大批量生产。
附图说明
图1为不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED模组散热器的纵向剖面图；
图2为不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED模组散热器的横向剖面图；
图3为不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED模组散热器的结构示意图。
【附图标记】：
1：螺栓紧固孔，
2：线缆孔，
3：散热鳍片。
具体实施方式
本发明提供的不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED模组散热器的制备方法的原理：以碳化硅陶瓷颗粒为骨架，不锈钢为粘结相，高温下不锈钢粉轻微熔融，不锈钢和碳化硅结合在一起，使材料成为整体。本发明选择的不锈钢粉和碳化硅粉的粒径是以计算最佳堆积密度后，实际实验得到的结果；不锈钢实际可用17-4PH，304，316，316L，430中的一种或几种牌号，市售材料，不同牌号的烧结温度略有差异；本发明在大量实验的研究过程中筛选主粘结剂是聚甲醛，在粉末冶金(MIM)体系下考察选择，具有较好的流动性，较高的生坯强度，较快的脱脂速率，各助剂具有匹配的成型温度及阶梯脱脂率，以及市场成熟的供应链，用量以满足注塑成型流动性的最佳比例都是经实验得到；脱脂剂是草酸/硝酸蒸汽，温度110～130℃。
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
一种不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED模组散热器的制备方法为：
1、造粒：将12μm的碳化硅粉，10μm的17-4PH不锈钢粉，按重量比碳化硅粉占60％，金属粉占20％，粘结剂占20％进行预混，然后加入混炼造粒一体机中，加工温度210℃进行混炼及造粒；造粒颗粒直径3.5mm，长度2～4mm。
其中，按重量比，粘结剂主体为聚甲醛，占85％；粘结助剂为聚乙烯蜡占1％，硬脂酸占1.5％，高分子量聚乙烯(分子量50000-200000)占8％，聚醋酸乙烯酯占2.5％，尼龙1010占2％。
2、注塑：将上述造粒的颗粒加入注塑机中，成型压力为110MPa，成型温度为220℃，注射到模具中得到散热器造型的生坯；
该散热器从模具中得到后，即具有模块化设计，如图1、图2和图3所示，为方形板，一面用于安装LED光源，另一面设有散热鳍片3，方形板的四边缘设有多个螺栓紧固孔1和靠一头中央设有线缆孔2；
3、脱脂：将散热器生坯放入催化脱脂炉脱脂，使用草酸催化脱脂，脱脂温度在125℃，脱除时间18h，将粘结剂脱除80％；
4、烧结：将脱脂后的生坯放入真空窑炉中，真空压力≤0.01pa，在1340℃进行烧结3h，得到不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED模组散热器。根据GB/T 6569测得弯曲强度620MPa，根据ASTM E1461-2013测得导热率9.0w/m*k；根据GB/T 5594.6-2015测得酸性腐蚀量3.48mg/cm2，碱性腐蚀量2.98mg/cm2，耐腐性优良。
实施例2
一种不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED模组散热器的制备方法为：
1、造粒：将10μm的碳化硅粉，12μm的316L不锈钢粉，按重量比碳化硅粉占50％，不锈钢粉占25％，粘结剂占25％进行预混，然后加入混炼造粒一体机中，加工温度210℃进行混炼及造粒；造粒颗粒直径3.5mm，长度2～4mm。
其中本步骤所用粘结剂包括有粘结剂主体和粘结剂助剂，粘结剂主体为聚甲醛，按重量比占87％；粘结剂助剂占13％，其中石蜡占1.5％，硬脂酸占1.5％，高分子量聚乙烯(分子量50000-200000)占7％，尼龙1010占3％；
2、注塑：将上述造粒的颗粒加入注塑机中，成型压力为120MPa,成型温度为210℃，注射到模具中得到散热器造型的生坯；
该散热器从模具中得到后，即具有模块化设计，一面用于安装LED光源，另一面为散热鳍片，并具有8个螺栓紧固孔和1个线缆孔；
3、脱脂：将散热器生坯放入催化脱脂炉脱脂，使用草酸催化脱脂，脱脂温度在130℃，脱除时间20h，将粘结剂脱除85％；
4、烧结：将脱脂后的生坯放入真空窑炉中，真空压力≤0.01pa，在1360℃进行烧结3h得到不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED模组散热器，根据GB/T 6569测得弯曲强度640MPa，根据ASTM E1461-2013测得导热率9.2w/m*k；根据GB/T 5594.6-2015测得酸性腐蚀量3.18mg/cm2，碱性腐蚀量2.58mg/cm2，耐腐性优良。
实施例3
一种不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED模组散热器的制备方法为：
1、造粒：将10μm的碳化硅粉，12μm的304不锈钢粉，按重量比碳化硅粉占50％，不锈钢粉占30％，粘结剂占20％进行预混，然后加入混炼造粒一体机中，加工温度210℃进行混炼及造粒；造粒颗粒直径3.5mm，长度2～4mm。
其中本步骤所用粘结剂包括有粘结剂主体和粘结剂助剂，粘结剂主体为聚甲醛，按重量比占88％；粘结剂助剂占12％，其中PE蜡占1.5％，硬脂酸占1.5％，高分子量聚乙烯(分子量50000-200000)占7％，尼龙1010占2％；
2、注塑：将上述造粒的颗粒加入注塑机中，成型压力为120Mpa，成型温度为210℃，注射到模具中得到散热器造型的生坯；
该散热器从模具中得到后，即具有模块化设计，一面用于安装LED光源，另一面为散热鳍片，并具有8个螺栓紧固孔和1个线缆孔；
3、脱脂：将散热器生坯放入催化脱脂炉脱脂，使用硝酸催化脱脂，脱脂温度在115℃，脱除时间25h，将粘结剂脱除83％；
4、烧结：将脱脂后的生坯放入真空窑炉中，真空压力≤0.01pa，在1380℃，进行烧结3h，得到不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED模组散热器，根据GB/T 6569测得弯曲强度610MPa，根据ASTM E1461-2013测得导热率9.5w/m*k；根据GB/T 5594.6-2015测得酸性腐蚀量3.08mg/cm2，碱性腐蚀量2.28mg/cm2，耐腐性优良。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED散热器的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1、将碳化硅粉和不锈钢粉及粘结剂进行预混，然后加入混炼造粒一体机中，进行混炼及造粒；
S2、将步骤SI中造粒后的颗粒加入注塑机中，注射到散热器造型的模具中得到的散热器生坯；
S3、将散热器生坯放入催化脱脂炉脱脂，使用草酸或硝酸催化脱脂，将粘结剂脱除70～90％；
S4、将脱脂后的散热器生坯进行烧结，得到不锈钢增强碳化硅复合陶瓷LED模组散热器。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述碳化硅粉的粒径为5～15μm；所述不锈钢粉的粒径为8～12μm，其种类为17-4PH、304、316、316L或430中的一种或几种，所述碳化硅粉、不锈钢粉与粘结剂的用量按重量比计为30～60％:20～40％:10～30％。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述粘结剂包括按重量比占80～90％的粘结剂主体和10～20％的粘结剂助剂。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂主体为聚甲醛，所述粘结剂助剂为聚乙烯蜡，石蜡，硬脂酸，高分子量聚乙烯，聚醋酸乙烯酯，尼龙1010中的一种或一种以上的混合物。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述造粒的加工温度170～210℃。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述注塑机为立式或卧式注塑机，注塑机的成型压力为80～130MPa，成型温度为200～220℃。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述散热器造型的模具，具有模块化设计，获得的散热器的一面用于安装LED光源，另一面为散热鳍片，并具有螺栓固定孔和线缆孔。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述脱脂温度为110～130℃，脱除时间为15～25h。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，所述烧结所用设备为真空烧结炉。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，所述烧结的温度为1300～1400℃。
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