環境溫度濕度對LED燈具材料尺寸的影響

曾天賜

(朗德萬斯照明(深圳)有限公司，廣東 深圳 518055)

引言

大多數物體在溫度變化下，其尺寸或者說其體積也會隨之發生變化，這是我們生活中常常能看到物理現象，這種現象就是熱脹冷縮。熱脹冷縮是指物體受熱時會膨脹，遇冷時會收縮的特性。

固體材料的熱膨脹系數不是一個常數，而是隨著溫度變化而變化，通常隨溫度升高而增大。這是因為固體材料的熱膨脹與原子(粒子)的非簡諧振動(非線性振動)有關，溫度升高原子的振動幅度加大，原子間距增大，因此產生熱膨脹。

壓力保持不變時，由于溫度的改變，造成固體、液體和氣體發生長度或體積變化的現象。膨脹的程度用膨脹系數表示。

線(體)膨脹系數即當溫度升高1 K時，物體的長度(體積)的相對增加量。

1 燈具結構與質量缺陷

在燈具的設計及材料應用中，常用到高分子材料做的外殼或光學零件，以及用鐵、鋁、銅等金屬及玻璃做的外殼或其他結構件，最常見的是外殼采用鋁合金，在燈具內部放著一個塑料光學片，這種產品的結構方式多應用于各式各樣的辦公燈具或工業燈具，比如線性燈具和面板燈。

有些燈具設計公司追求外觀的美觀或是為了提高光學效率，但忽視了材料本身固有的材料特性，這些燈具類型在應用場合或是在存儲運輸過程中就發生了出乎他們意料的質量缺陷。比如線性燈具，在溫度變化過程是出現了光學件間隙變大、材料移位重疊，如圖1所示；面板燈的光學件在膨脹過程中將燈珠壓壞，或是光學件拱起變形，如圖2所示。這些都是設計前期沒有考慮周全，到了后期就造成了經濟損失和品牌形象受影響。

2 燈具常用材料及尺寸影響因素

在燈具設計過程中大多會優先采用通用的材料，這類材料市場上都容易采購，價格比較低廉，比如金屬材料中的冷軋板、鍍鋅板、鋁錠。此外，在高分子材料應用方面，PC、PS、MS、PBT、PP等材料會根據市場的需求推出很多改性材料，比如提升光學性能、提高阻燃等級、增加沖擊強度、降低成本、抗UV黃化等。

LED燈具中，材料的使用溫度大多在100 ℃以內，尤其是在70℃以內(部分LED燈具和特殊照明的產品會稍高一些，本文主要以通用LED燈具為介紹對象)，如圖3所示，在相同的溫度下，高分子材料的線性膨脹系數受到溫度的影響比金屬的大。因此，我們著重研究燈具材料中的高分子材料。

圖3 常用燈具材料膨脹曲線

2.1 高分子材料的線膨脹系數影響

本文用德國耐馳DIL 402 PC熱膨脹儀對樣品分別測試，圖4所示是幾種常用的光學材料的膨脹曲線圖，可以看出有以下幾個特點。

圖4 常用光學材料的膨脹曲線

1)同種原材料在不同的溫度下其線性膨脹系數是不一樣的；

2)同種材質但不同牌號的材料其膨脹系數也不一樣；

3)同種材質同種牌號但不同厚度的材料其膨脹系數也不一樣；

4)同種材質同種牌號同種厚度但不同的表面處理其膨脹系數也不一樣(本例中為PC防眩擴散板有棱鏡結構處理，PC普通擴散板為亮面處理)。

因為燈具的應用環境的差異性、燈具本身的散熱性能的差異化，工程師在設計過程中應接合項目實際情況，考慮這些材料在最高溫度下其尺寸膨脹量不會影響到燈具的照明性能。

2.2 高分子材料的吸水特性

PMMA等透明特性的高分子材料，常被用到燈具中的光學系統中，表1是幾種常用的高分子材料的吸水率。因為有極性側甲基的存在，PMMA有較明顯的吸水性。

表1 常用光學材料吸水率

以PMMA為例子，PMMA的吸水性隨著周圍環境濕度的增加而增加，而且隨著吸潮的時間增加而增加，并呈現出吸潮前期增加為劇烈增加，隨后速度變緩慢；吸水率在干燥時會下降，前期變化較快，后面變緩；在吸水過程中，其尺寸與吸水率呈線性關系增長。

在以往觀念中，制品成型的尺寸多是受到成型機的加工工藝影響較大，比如擠出成型機的機頭溫度、擠出壓力、滾輪的速度等，后續加工受制于切割和拋光的精度。但從上述幾點，我們看到了這些塑料的尺寸變化還會因為環境溫度的變化、線性膨脹系數不同而引起的尺寸變化，并且有些吸潮性明顯的材料，其尺寸還受到環境濕度的影響。

3 預設的理論環境溫度

受環境溫度濕度的影響，不同規格的高分子材料的尺寸會隨之發生變化，在第2節中，我們測得不同規格的高分子材料在不同的溫度下和濕度下材料的尺寸變化量。在產品設計中有些人會以產品的最高使用溫度來驗證理論設計值,比如有些廠家定義室內燈具的最高環境溫度是40 ℃，戶外燈具的最高環境溫度是50 ℃，但實際上最惡劣條件下的溫度，其變化范圍還受到貨運存儲的影響。

3.1 集裝箱海運時的溫度變化

文獻[10]中研究了從2004年4月到2006年1月這一段時間內從日本到歐洲的荷蘭、美國西海岸城市波特蘭市、美國內陸城市孟菲斯的三條路線共160個集裝箱中的溫度濕度變化。

正常的運輸包括三個不同的階段：第一階段為從集裝箱的裝箱到集裝箱的裝船時間，包括公路運輸和短時間的倉儲；第二階段是海運的時間；第三階段是集裝箱的卸載、清關、倉儲時間。

文獻[10]中研究表明：

1)在三條海運線路中，最高溫度57 ℃發生在七月份從日本到孟菲斯的路線中，而最低溫度-29 ℃發生在一月份的同一條路線中。在這三條路線中，從日本到孟菲斯的路線中的溫濕度變化最為顯著。但是從這條變動最明顯的線路捕獲的數據中可以看出，85%的集裝箱溫度低于48 ℃，而有70%的集裝箱溫度高于0 ℃。即大多數的海運環境中的溫度變化在0～48℃之間，只有最冷和最熱的月份的數據會超出這個范圍。

2)最高的相對濕度是96%，發生在八月份從日本到波特蘭的路線中。

3)海運這一段路程中的溫濕度變化比出海之前和到時港之后的要緩和，并且從中看出同一航運中，集裝箱在船上的不同位置，其溫度變化是不同的。同一集裝箱，擺放在集裝箱不同位置，其溫度變化也是不一樣的。

4)一般情況下集裝箱中的溫度下降會導致濕度的上升，但到了一定的點之后，濕度會穩定下來，但是如果溫度繼續下降的話，濕度也會下降。

3.2 集裝箱外觀顏色的溫度影響

集裝箱的溫度主要由箱體內外的熱交換決定，而且較大的集裝箱表面積有較良好的傳熱性能。除了太陽輻射，外部空氣溫度、風和降水也對溫度有影響。在太陽輻射下，當環境溫度約為25 ℃，涂成棕色的集裝箱內部的空氣溫度上升到50 ℃，而涂有白色油漆的集裝箱的影響沒有那么大，大概在38 ℃左右。

3.3 集裝箱露天堆放的溫度影響

文獻[12]中研究了福建省福州市7月份露天堆放的集裝箱內部溫度，可以看到位于集裝箱最上層的中間位置，其最高溫度為71.9 ℃, 其次是溫度是60.8 ℃。

3.4 理論溫度設定

從上我們可以得知產品如果走海運，其最高溫度可以達到60 ℃，最低溫度可以達到-30 ℃；如果再考慮到集裝箱的碼頭存儲，最高溫度將會有達到70 ℃。如果按燈具標稱的最高使用環境溫度(室內燈具40 ℃，戶外燈具50 ℃)來驗證是不夠的。

3.5 理論數據驗證

因此，我們在設計過程中應綜合考慮，把明顯影響到產品零部件尺寸的因素疊加進來驗證，其涉及的因素主要有零部件的加工公差、材料的線性膨脹量、易吸水材料的吸水膨脹量。我們可以用公差分析法和有限元分析法加以驗證。

G為間隙；A、B分別長度基本尺寸；a、b、c、d分別為尺寸上下公差

間隙G與外殼和光學件的尺寸鏈如圖5所示，其尺寸鏈表示式可以用式(1)～式(4)來描述。

高溫環境下：

GHmax=(A+a+ΔLa)-(B+(-d)+ΔLb+[Δh])

(1)

GHmin=(A+(-b)+ΔLa)-(B+c+ΔLb+[Δh])

(2)

低溫環境下：

GLmax=(A+a-ΔLa)-(B+(-d)-ΔLb+[Δh])

(3)

GLmin=(A+(-b)-ΔLa)-(B+c-ΔLb+[Δh])

(4)

其中GH、GL為高低溫下的尺寸差；A、B為零件的基本尺寸；a、b、c、d為尺寸上下公差；ΔLa、ΔLb為線膨脹量；Δh為吸水膨脹量。

2)材料熱膨脹量表達方程。燈具中所用到的這些高分子材料、金屬材料，往往根據會實際需求在原材料的基礎上加上各種填充劑，以實現不同的用途，例如塑料常用到無機填充劑(如碳酸鈣、陶土、滑石、硅藻土、二氧化硅、云母粉、石棉、金屬、金屬氧化物等)和有機填充劑(如熱固性樹脂中空球、木粉、粉末纖維素等)。不同的原材料，填加不同的填充劑，再加上填充的劑量不同、生產工藝的不同，造成終端的產品特性不同，其熱膨脹系數也會有所差別。因此，材料在使用之前要先測試其物理特性。

表2 燈具材料熱膨脹量dL/Lo

從表2得出尺寸變化量dL/Lo的回歸方程如下：

dL/LoMS-1#=0.3777+0.08049ΔT-0.000267

ΔT2+0.000006ΔT3

(5)

dL/LoMS-2#=0.4283+0.08533ΔT-0.000038

ΔT2+0.000001ΔT3

(6)

dL/LoPC-L=0.4518+0.08398ΔT-0.000154

ΔT2+0.000001ΔT3

(7)

dL/LoPC-P=0.3958+0.08478ΔT-0.000355

ΔT2+0.000001ΔT3

(8)

dL/LoPmma=0.3970+0.06948ΔT-0.000855

ΔT2+0.000004ΔT3

(9)

dL/LoPP=0.5980+0.1199ΔT-0.001455ΔT2+0.000014ΔT3

(10)

dL/LoPS-1#=0.4191+0.08640ΔT-0.000092

ΔT2+0.000001ΔT3

(11)

dL/LoPS-2#=0.3509+0.07671ΔT-0.000317

ΔT2+0.000003ΔT3

(12)

dL/LoAl=0.1271+0.02254ΔT-0.000106

ΔT2+0.000003ΔT3

(13)

3)PMMA吸水膨脹率。PMMA的吸水膨脹率如表3所示。

表3 PMMA吸水膨脹率

從表3可以得到PMMA的吸水膨脹率的回歸方程如下：

δ=0.01729+0.000135Rh+0.000033Rh2

(14)

δ為尺寸膨脹率，Rh為濕度。

4 分析

4.1 公差分析法

首先定義產品裝配的環境溫度，LED組裝車間一般都是恒溫恒濕的無塵車間，溫度一般設定在25 ℃；而零部件加工車間的環境大多比較惡劣，很多是開放式的車間，其環境溫度跟當天的氣溫一起波動，因此需要廠家對車間的環境進行控制，當環溫波動比較大時還需對切割尺寸進行修正補償，特別是長度比較大的光學件。然后分別分析高溫下和低溫的裝配間隙，最高溫度需要考慮貨物的出貨方式及可能遇到的最高倉儲溫度，要求理論推算的最大間隙不會因為間隙過大而導致零部件的脫落，外觀要求高的區域應不致其產生不良外觀缺陷；并且要求在最小間隙下燈具可以正常工作，不會產生明顯的外觀缺陷或其他的安全隱患。

以1 200 mm的線性燈結構為例，鋁殼內側長度為1995±0.5 mm,PMMA光學件為1995±1 mm,驗證其尺寸合理性。

文獻[10]中，海運過程中溫度在30℃左右時，濕度為70%左右，在表3中查得PMMA的吸水膨脹率δ為0.175%，得知吸水尺寸膨脹量Δh為3.75 mm。

從第3節得知集裝箱的溫度為70℃左右，溫差ΔT=45℃,代入式(9)、式(13)，得知

dL/Lo(PMMA)=4.89%，則ΔL(PMMA)=5.84 mm

dL/Lo(6063)=1.2%，則ΔL(6063)=1.44 mm

-30℃左右，溫差ΔT=55℃，則ΔL(PMMA)=7.33 mm，ΔL(6063)=1.85 mm。

在70 ℃材料干燥緩慢排出水分和-30 ℃下Δh可忽略不計，代入式(1)～式(4)，得到結果如下：

高溫環境下，

GHmax=(A+a+ΔLa)-(B+(-d)+ΔLb+[Δh])=-2.9 mm

GHmin=(A+(-b)+ΔLa)-(B+c+ΔLb+[Δh])=-5.9 mm

低溫環境下，

GLmax=(A+a-ΔLa)-(B+(-d)-ΔLb+[Δh])=-6.98 mm

GLmin=(A+(-b)-ΔLa)-(B+c-ΔLb+[Δh])=-3.98 mm

將吸水尺寸膨脹量Δh對比高溫和低溫下的4個極限公差，分別得知GHmin和GLmax的比值更大，因此產品需保證在高溫下需要吸收5.9 mm的膨脹量，在低溫下需保障6.98 mm的間隙不會有安全隱患。

4.2 有限元分析

利用計算機CAE軟件(Computer Aided Engineering)，比如ANSYS、ABAQUS等，給材料賦予材質特性，可以有效、方便地對產品模型進行分析，模擬出尺寸干涉、受力情況等，并可以實時優化改良。材料需要事先測試，再將其物理參數代入計算，有限元分析如圖6所示。

圖6 計算機有限元分析

5 結論

燈具在裝配過程中或終端安裝場合下，其環境溫度大多跟理論設計值比較接近，容易被設計者關注到，但產品在運輸過程和倉儲過程中，其環境溫度波動比較大，不確定因素也比較多，尤其是在露天碼頭長時間堆放時的情況下，具有一定概率的潛在性的損壞影響。因此設計時有必要考慮到最惡劣的環境溫度，在設計過程中加入防范的容錯設計措施。另外，需要對零部件加工時的環境溫度、零部件裝配時的環境溫度、燈具應用的環境溫度進行溫度差異對比，零件的理論設計尺寸和零件檢測尺寸應定義出環境溫度。此外，還應考慮到集裝箱運輸、存儲過程的環境溫度，當其超出理論設計值時，應有防錯機制，以保障LED燈具產品的正常使用。