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石墨烯在路灯行业的应用初探

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-10-24  来源:中国智慧照明网  作者:徐赟、胡彦 常州市城市照明管理处  浏览次数:2460
核心提示:本文详细说明了石墨烯材料在LED路灯灯具上的应用原理,主要体现在散热和防腐等方面,对于路灯行业的节能减排有重大的研究意义。
    中国照明特别报道:石墨烯( Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的纳米新材料。2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈.盖姆和康斯坦丁.诺沃肖洛夫,成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,并证实它可以单独存在,两人也因“二维石墨烯材料的开创性实验”共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。
    石墨烯原料如图1所示。
 石墨烯原料

    图1石墨烯原料照片
    石墨烯的性能有以下几个方面:
    1.高导热性:单层石墨烯的导热系数高达5300W/m.K,是目前已知材料中导热系数最高的物质。
    2.高机械强度:石墨烯厚度仅为0.335nm,杨氏模量高达ITPa,断裂强度高达130GPa。
    3.高导电性:石墨烯电阻率仅10-6Ω.cm,常温下其电子迁移率超过15000cm2/V.s。
    4.其他性能:高比表面积,理论值可达2630m2/g;单层石墨烯的厚度只有0.335nm;具有良好的化学稳定性,耐腐蚀性以及耐紫外光、耐老化等性能。
    对于石墨烯在路灯行业的应用,主要有以下二个方面:
    1.对LED灯具进行散热、防腐。
    2.采用石墨烯电池对太阳能路灯供电。
    目前路灯行业对石墨烯的应用主要是对LED灯具的散热,石墨烯电池对太阳能路灯供电还在研究阶段。
    自然界中已知的散热方式有:热传导、热对流、热辐射、蒸发散热。其中蒸发散热在常规生产作业中较难实现;热对流需要借助液体或气体将热量传递,市面已有非常成熟的产品,其对于降温、散热所起的作用也基本发挥到了极限。
    而石墨烯LED灯具是利用石墨烯涂料、石墨烯导热胶的热传导与热辐射原理,极大的降低了基体的温度。通常,金属材料拥有较高的导热系数(例如铝约为170W/m.K),但其热辐射率却很低(铝为0.05)。高导热系数有助于铝材从热源快速吸收热量,但过低的热辐射率却限制了铝材向空间环境释放热量。
    石墨烯本身拥有极高的导热系数,可以迅速将底材的热量吸收至自身,再凭借热辐射系数高的特性将热量传递到空间环境,使基底材料的温度迅速降低。
    由于石墨烯拥有很高的比表面积,这也增大了涂层与空间环境的接触面积,对底材的对流散热与辐射散热都起到了极大的增强效果,如表1所示,
 石墨烯本身拥有极高的导热系数
    据了解,石墨烯涂料分为油性涂料及粉末涂料,其中油性涂料适用于军舰、建筑等大型物体,不过涂料颜色只有白色、灰色及黑色;而粉末涂料则更适用于空调外机、路灯灯具等小型物体的散热,涂料颜色可以任选,如图2、3所示
图2石墨烯灯具实样照片
图2石墨烯灯具实样照片
图3粉末涂料颜色选型
图3粉末涂料颜色选型
    图2中灯具外层涂层采用了石墨烯涂料,在椭圆的金属片上涂石墨烯导热胶,在导热胶上安装LED模组。在亮灯的时候,LED模组产生的热量传导到石墨烯导热胶上,导热胶会把热能吸收,由固态变为液态,热能再次由导热胶转递到灯具外壳石墨烯涂料上。根据光源的功率的不同,可以降温5-10摄氏度。石墨烯LED路灯的亮点就在于节能,相比市场传统的LED路灯,石墨烯路灯可节能20%至30%左右。
    北京城市副中心通州区内的28条道路照明改造项目中,采用了石墨烯LED路灯,且在黑龙江大庆市的路灯改造项目中还首次采用了“全光谱黄光、高光效“石墨烯散热LED模组模拟传统钠灯光色。在第三批国家新型城镇化综合试点地区的禹州市路灯改造项目中.还运用了大数据模块,基于路灯杆实现了分布式互联网系统,LED模组路灯作为城市数据运营平台,通过收集周边环境为政存提供大数据。
    石墨烯作为一种新型材料,目前在路灯上的使用仍十分有限。相信未来通过材料技术的不断发展,其可得到更为广阔的运用。
徐赟、胡彦  常州市城市照明管理
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