复旦研发紫外LED光固化系统 功率密度全球第一

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仅需传统五分之一的能耗，就能实现高一半的光纤生产速度——由复旦大学电光源研究所副所长、信息科学与工程学院教授张善端及其团队研发的光纤拉丝塔用高效紫外LED光固化系统完成了技术上的创新突破。这一紫外LED光固化系统即将亮相第18届中国国际工业博览会。绝大部分的光固化油墨经该系统的照射，短短几秒就能固化。如此高功率密度、低能耗的创新技术将使光纤行业的生产制造实现飞跃发展。

超越传统 以五分之一的能耗实现高出一倍的辐射照度

紫外LED光固化系统最突出的优势体现在耗能低。较之于传统的微波中压汞灯动辄6000多瓦的高耗能，由紫外LED组成的线光源仅需消耗1200瓦，节省了80%的能耗。
而微波中压汞灯是过去通常用于光纤拉丝塔的固化装置。在制造光纤的过程中，当光纤被拉成细丝后，需要在其表面涂覆一层保护性质的油墨材料并进行固化。所谓固化，通俗来说就是使涂料由液态变成固态。印刷、汽车、电子、家具等行业的生产，都少不了这一环节。紫外光固化是最常见的快速固化工艺，对紫外光波段敏感的涂料经相应光源照射后就能够实现固化。
然而微波中压汞灯这一传统光源存在着诸多弊端，不仅耗能很高，其发生微波的磁控管在工作时会散发大量的热。同时，其所能达到的辐射效率也很低，根据光谱显示，中压汞灯发出的光线中对固化有用的紫外光仅有10%左右，可见光20%，发热量达到70%。显然，微波中压汞灯的固化效率难以满足光纤行业日益增长的生产需求，也与时下倡导经济环保的理念相悖。
针对传统工艺中的各类问题，张善端团队采用紫外LED光源研发出更为高效的紫外光固化系统，除了降低能耗的特点外，传统设备只有6000小时的寿命，而这套系统则将使用寿命延长到了30000小时。经过一年多的持续运行，几乎没有光衰，光电参数依然保持出厂状态。此外，同样根据光谱显示，紫外LED在针对光纤油墨固化的365至385纳米波段上，能量非常集中，相比于中压汞灯，对固化更为有利。张善端表示：“新型的紫外LED光固化系统仅需传统五分之一的能耗，就能实现比传统高出一倍的辐射照度，拉丝速度提高一半，且工作得更加长久。”

张善端教授

领先国际 LED功率密度全球第一

据介绍，这套紫外LED光固化系统不仅仅能完全取代传统的微波中压汞灯，与现有的同类LED产品相比，在多方面实现了技术上的突破与创新。
该系统由光纤固化炉、驱动电源和冷却系统三个部分组合而成，光纤固化炉是技术的核心所在，而这其中的LED光源又是整套系统最为关键的部分。三年前的工博会上，张善端团队研制的紫外LED光固化系统初次亮相，当时的紫外LED光源能实现200瓦每平方厘米的功率密度，已经达到了全球领先的水准。然而那只是一次初步尝试，经过几年来的持续探索，他们不断将LED技术推向新的高峰，今年的工博会上，这套针对光纤拉丝塔的紫外LED光固化系统已经将最高封装功率密度提升至700瓦每平方厘米，稳固了全球第一的技术地位。对此，张善端感到十分自豪：“我们掌握了光纤拉丝塔核心技术之一的光纤固化炉技术，这是我们中国的解决方案。”
另一方面，行业常见的紫外LED芯片最高只能经受1安培每平方毫米的电流密度，而由张善端特别设计定制的LED芯片则能将这个承受上限提高到4.5安培每平方毫米，这主要得益于其创新的封装技术。通常情况下，电流不断提高时，发出的热量占比更高，导致辐射效率下降的同时还会使得器件快速老化。而张善端团队的封装方法能够有效散热，将光源的芯片控制在合理的温度范围内，改善辐射效率，保持安全高效的工作状态，进一步提高了紫外LED光源的功率密度。
除了功率密度极高的紫外LED光源，另一大技术创新亮点则是高效的紫外光折射和反射系统。这套光学系统包含了精心设计的透镜和反射器，能够将光源发出的紫外光汇聚到圆柱轴心，增强轴心的辐射照度，降低光学损耗，从而提高拉丝固化的速度。

助力生产 未来有望推动更多行业变革

目前，该系统已经申报6项发明专利，卓越的技术性能也产生了显著的经济和社会效益。
在该系统的助力之下，保持同等的系统输入功率，光纤拉丝塔的拉丝速度能够增加近50%，达到每分钟3000米的惊人速度。如今，只需两个拉丝塔就可以获得原本三个拉丝塔的产量，既节省了投资，又增加了产量，同时还可以降低能耗。
数据显示，几家国际光纤巨头企业在小规模使用该系统后，近三年共新增产值18.4亿元，新增利润达3亿元，并且节电402万千瓦时，节电效益折算443万元，减排二氧化碳0.4万吨。因此，这套光纤拉丝塔用紫外LED光固化系统对于光纤行业的生产制造是一项重大突破，将有力推动光固化设备的革新。张善端有把握在三年内实现国内企业光纤固化炉技术的升级换代。
而将来，该技术还有望应用于更多与光固化相关的领域，例如印刷、木地板、家居、地坪等行业。依仗卓越的芯片封装功率密度，该LED光源能够广泛适用于各种类型的光固化应用。张善端表示：“对绝大部分不同颜色或成分的光固化油墨，用这个紫外LED光源几秒就能实现固化。在国际上我们是走在前面的。”而对于油漆、木器、印刷等类型的光固化，该技术还能够将节能幅度推升至90%。
虽然“光固化”对大部分人而言有些陌生，但每个人的日常生活都与油墨、涂料、油漆等息息相关。在张善端看来，紫外LED光固化系统在光纤行业的应用只是它形成的第一次行业突破，凭借其高质高效、节能环保、安全长久的优势，这套技术以后将无所不在。“我们喜欢难题，难题意味着有门槛，不可能被快速复制。我们现在要做到推出一代、研发一代、预研一代。”张善端这样描述研发团队的理念。

来源：复旦大学

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