陶瓷在新能源汽车中的应用

浏览数量: 0     作者: 新型陶瓷     发布时间: 2022-12-29      来源: 新型陶瓷

能源短缺、环境污染、气候变暖等多方因素共同成就新能源汽车的崛起。材料行业是现代工业的基石,而在新能源汽车产业中,各种先进材料的应用也是支撑起整个产业的基础。这里,我们就来了解一下在新能源汽车智能化进程中占据越来越重要地位、不断崭露头角的陶瓷材料。





陶瓷基板



在新能源汽车的核心电机驱动中,采用SiC MOSFET器件比传统Si IGBT带来5%~10%续航提升,未来将会逐步取代Si IGBT。但SiC MOSFET芯片面积小,对散热要求高。陶瓷覆铜板是铜-陶瓷-铜“三明治”结构的复合材料,它具有陶瓷的散热性好、绝缘性高、机械强度高、热膨胀与芯片匹配的特性,又兼有无氧铜电流承载能力强、焊接和键合性能好、热导率高的特性,几乎成为SiC MOSFET在新能源汽车领域主驱应用的必选项。

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氮化硅基板(来源:中材高新)

氮化硅陶瓷基板具备优异的散热能力和高可靠性,是SiC MOSFET模块的关键封装材料之一。日本京瓷采用活性金属焊接工艺制备出了氮化硅陶瓷覆铜基板,其耐温度循环(-40~125℃)达到5000次,可承载大于300A的电流,已被用于电动汽车、航空航天等领域。



陶瓷继电器



电控技术是衡量新能源节能电动汽车发展水平的重要标志,高压直流陶瓷继电器是电控系统的核心元件。高压直流真空继电器,在由金属与陶瓷封接的真空腔体中,陶瓷绝缘子滑动连接在动触点组件与推动杆之间,使动触点和静触点无论是在导通成断开的任何状态下都与继电器的导磁轭铁板、铁芯等零件构成的磁路系统保持良好的电绝缘,从而保证了继电器在切换直流高电压负载时的断弧能力,电弧是汽车自燃的主要原因。只有采用“无弧”接通分断的继电器产品,才是从根本上解决“自燃”问题的良方。

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继电器陶瓷壳体(来源:安地亚斯)

目前,在国际上高压直流继电器只有日本松下、美国TE公司及韩国知名公司可以生产,产品售价较高。国内企业在高压继电器的研发、生产领域尚处于起步阶段。



陶瓷熔断器



熔断器是对电路进行过电流保护的器件。工作时,熔断器串接在电路中,负载电流流经熔断器。当电路发生短路或过载,过电流的热效应使熔体熔化、气化产生断口,断口产生电弧,熔断器通过熄灭电弧切断故障电路,起到电路保护的作用。

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陶瓷管新能源熔断器(来源:旭程电子)

汽车用熔断器分为低压和高压两部分,高压保护主要适用于新能源汽车,应用电压一般为 60VDC-1500VDC,主要是电力熔断器(新能源汽车高压熔断器)对主回路和辅助回路进行保护。随着新能源车市进入后补贴时代,个人消费需求推动新能源车的高压平台化,快充、电机、功率器件等高压领域对于安全的要求不可忽视,熔断器在稳定性以及过流反应中的快速分断能力将在新能源车快速增长下保持需求的高速提升。



片式多层陶瓷电容



片式多层陶瓷电容(MLCC)被称为“电子工业大米”,是全球用量最大的被动电子元件之一,几乎所有消费电子都要用到MLCC元器件。与传统车相比,电动车的电子化水平有大幅提升,从新增的电控、电池管理系统,从影音娱乐系统到 ADAS 系统到完全自动驾驶系统等等,汽车电子化水平的提升极大地促进了车用 MLCC 的增长。


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片式陶瓷电容(来源:风华高科)



陶瓷轴承



新能源汽车中,陶瓷轴承的应用成为一种趋势。新能源汽车对汽车轴承提出了更多新要求,首先电机轴承相比传统轴承转速高,需要密度更低、相对更耐磨的材料;同时由于电机的交变电流引起周围电磁场变化,需要更好的绝缘性减小轴承放电产生的电腐蚀;第三,要求轴承球表面更光滑,较少磨损。陶瓷球具有低密度、高硬度、耐摩擦等特点,适宜高速旋转工况,在高温强磁高真空等领域,陶瓷球具有不可替代性。

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混合陶瓷轴承(来源:SKF)

特斯拉采用的电机中输出轴是采用陶瓷轴承,采用NSK设计的混合陶瓷轴承,轴承滚珠采用50个氮化硅球组成;奥迪ATA250电机位于内部的2个转子轴承采用陶瓷材质制成。



碳陶制动盘



碳陶(C/C-SiC)复合材料是在碳/碳复合材料基础上发展起来的一种新型刹车片材料,该材料以准三维碳纤维整体针刺毡为骨架增强体,以沉积碳、SiC及残余硅为基体复合而成。该材料结合了碳纤维和多晶碳化硅这两者的物理特性,具有高温稳定性、高导热性、高比热等特点。

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碳陶刹车(来源:LEMYTH)

此外,碳陶刹车具有轻量化、耐磨损等特点,不但延长了刹车盘的使用寿命,并且避免了因负载而产生的所有问题。据研究,一对碳陶刹车盘比同尺寸灰铸铁刹车盘可使汽车悬挂系统以下减重20kg,对于电动汽车来说,约可增加续航里程50km。在新能源汽车行业电动化、智能化、高端化趋势下,碳陶刹车系统可显著提高车辆响应速度、缩短制动距离,有望成为线控制动的最佳执行器件,可以说是电动车未来关键减重零部件。



动力电池陶瓷密封连接器



动力电池陶瓷密封连接器是新能源电动汽车的重要组成部分,以前是从国外进口,用于新能源电动汽车中动力电池盖板与极柱之间形成密封导电连接。

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动力电池陶瓷密封连接器(来源:安地亚斯)

陶瓷具备优越的电绝缘性和机械强度,在电子行业用做密封件已越来越普遍,近些年已逐渐有龙头电池企业用陶瓷密封来代替常见的塑料密封,其代表性企业就是比亚迪,拆开比亚迪的“刀片电池”,可以看到电芯就是用的陶瓷密封,使安全性大大提升。目前,该领域由娄底市安地亚斯公司领先市场,产品采用高纯氧化铝陶瓷及厚膜镀镍工艺技术生产,适用于钎焊铜和铝等不同材质。



动力电池陶瓷隔膜



聚烯烃类隔膜是当前主流隔膜,但是,这种膜的热稳定性较差。聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)的熔点分别为165℃和135℃,这会引起潜在的安全问题,因为在高温下,隔膜会收缩或熔化,从而引起内部短路,导致火灾甚至爆炸。

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陶瓷涂覆隔膜(来源:中材锂膜)

针对这种情况,人们已经采取了多种方法来提高隔膜的热稳定性,在PP或者PE隔膜上涂覆一层无机陶瓷颗粒被认为是最有效、最经济的方法。陶瓷材料提供了高耐热性,而粘合剂则提供粘附力以保持涂层和整个复合隔膜的结构完整性。一方面,由于提高了热稳定性,这种陶瓷涂覆隔膜可以通过防止高温下的短路而有效地提高锂离子电池的安全性;另一方面,陶瓷涂覆隔膜与电解液和正负极材料有良好的浸润和吸液保液的能力,大幅度提高了电池的性能和使用寿命。常用的陶瓷材料包括α-氧化铝、勃姆石、SiO 2、CeO 2、MgAl 2O 4、ZrO、TiO 2等。



光学材料



透明陶瓷是指采用陶瓷工艺制备的具有一定透光性的多晶材料,又称为光学陶瓷。与玻璃或树脂类光学材料相比,透明陶瓷不仅具有与光学玻璃相仿的透光质量,而且更强、更硬、更耐腐蚀、更耐高温,可应用于极端恶劣的工况,并且折射率可以变化,目前业界部分厂商已经在尝试采用透明陶瓷材料作为车载摄像头镜片、激光雷达窗口材料、激光光学器件等。


参考资料:

1、陈东坡,《碳化硅在新能源汽车中的应用现状与导入路径》

2、康乐等,《锂离子电池陶瓷隔膜材料研究进展》

3、证券之星,《刹车升级!碳陶“上”车,新能源车的下一个风口?》

4、大国之材,《6年杀出红海,牵手比亚迪,这家电子陶瓷企业突破的秘密何在?》

5、CERADIR 先进陶瓷,《先进陶瓷在新能源电动汽车上的应用举例》


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