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阳极氧化处理对压铸铝合金电子外壳热性能影响

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这篇文件是一篇关于阳极氧化处理对压铸铝合金电子外壳热性能影响的研究论文。以下是其核心内容的概述：

标题: 阳极氧化对压铸铝合金制成的被动冷却电子外壳热性能的影响 (The Impact of Anodization on the Thermal Performance of Passively Cooled Electronic Enclosures Made of Die-cast Aluminum)

关键点

  • 研究了阳极氧化处理对用于高功率密度电池充电器的压铸铝合金外壳的自然对流和热辐射的影响。
  • 准备了两种类型的阳极氧化处理样本：Type II-黑色和Type III-透明。
  • 使用傅里叶变换红外反射仪（FTIR）光谱测量了裸铝和阳极氧化表面的总辐射率。
  • ==发现阳极氧化后的压铸铝合金表面总半球面辐射率显著提高，从0.14增加到0.92。==
  • 阳极氧化处理可以显著降低热阻（最高可达14.7%）。
  • 两种类型的阳极氧化处理都能实现热辐射率和整体热性能的同等改善。颜色不重要。
  • 另外，本文提供了非常严谨、合理的表面辐射研究的测试方法。

测试方法

对比的三种样品：压铸件，阳极氧化黑，阳极氧化透明

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测试环境，50X50X50CM的亚克力温箱，4mm厚。为减少空气扰动带来的影响。

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样品水平放置，使用加热片加热1.6W/cm^2，底部垫一块木板隔热。加热片尺寸：1.3cm× 5.1cm, 2.5cm× 2.5cm 和2.5cm× 5.1cm。

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  • 每个样品使用20W 到 80W不同的加热功率。
  • 当所有温度（环境温度除外）相对于时间的偏导数在 0.001°C 以内持续 30 分钟时，认为达到稳态条件。
  • 在室温下使用FTIR测量每个阳极氧化表面的热发射率，其中红外波长的测量范围为 2.5μm 至 25μm。在相同的环境条件下测定样品板的光谱半球发射率和总半球发射率。(设备: 400T, Surface Optics Corporation)
  • 阳极层的微观结构通过电子显微镜观察。 (设备: Nova NanoSEM, Thermo Fisher Scientific)
  • 在SEM成像之前，所有样品都涂覆10nm铱。 (设备: EM ACE 600, Leica Microsystems)

结果及分析

  • 维恩定律的数学表达式为：  \(\(\lambda_{max}T=b\)\) λmax​ 是峰值辐射波长 T 是黑体的绝对温度（以开尔文为单位） b 是维恩位移常数，其值约为 2.898×10^-3 m·K。

维恩位移定律表明，一个黑体在其总辐射能量分布中，峰值辐射波长与温度成反比关系。换句话说，随着温度的升高，峰值辐射波长会减小，即辐射向更短的波长（更高的频率）移动。

对于100°C(373.16K)的黑体，峰值发射发生在7.8μm以上，大部分发射的辐射落在中红外范围内。

令人惊讶的是裸压铸件的表面具有选择性，在短波的时候相对较高。在2.5μm的波长下为0.4，而在25μm时下降到0.1。所以有较大的改进空间。

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根据文章作者的分析，阳极氧化能够提高产品表面的辐射率，主要是因为阳极氧化处理改变了铝合金表面的微观结构和化学性质，从而影响了其光学特性。以下是一些具体的原因：

  1. 表面粗糙度增加: 阳极氧化处理在铝合金表面形成了一层多孔的氧化层，这增加了表面的粗糙度。粗糙的表面有更多的微观凹凸结构，能够增加表面的有效发射面积，从而提高了辐射率。

  2. 化学组成改变: 阳极氧化过程中形成的氧化铝层含有不同的化合物，这些化合物可能具有不同的辐射特性。例如，氧化铝层中的微孔可能充满了空气或其他气体，这些气体的辐射特性与固体材料不同，可能导致辐射率的提高。

  3. 独特表面形貌: 阳极氧化产生的特殊表面形貌，如微孔结构和氧化物层的厚度，可以影响热辐射的波长分布。这种独特的表面形貌有助于提高热辐射效率。

研究意义

  • 这项研究表明，阳极氧化是一种有效的方法，可以改善压铸铝合金电子外壳的热性能，特别是在需要有效散热的应用中，如高功率密度电池充电器。
  • 通过提高材料的热辐射率，可以增强其冷却效率，从而提高电子设备的可靠性和性能。

原文链接:

Z. Zhang, M. Collins, C. Botting, E. Lau and M. Bahrami, "The Impact of Anodization on the Thermal Performance of Passively Cooled Electronic Enclosures Made of Die-cast Aluminum," 2019 35th Semiconductor Thermal Measurement, Modeling and Management Symposium (SEMI-THERM), San Jose, CA, USA, 2019, pp. 51-57.