新能源汽车的兴起是多方面因素共同作用的结果,包括能源危机、环境恶化、气候变迁等。在这一趋势下,材料科学的进步成为了新能源汽车发展的关键。特别是陶瓷材料,它在新能源汽车的智能化进程中扮演着越来越重要的角色。
在新能源汽车的核心部件,如电机驱动系统中,采用碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件相较于传统的硅(Si)绝缘栅双极晶体管(IGBT)能够提升5%至10%的续航能力,预计未来将逐渐取代Si IGBT。然而,SiC MOSFET芯片体积小,对散热性能要求极高。陶瓷覆铜板作为一种铜-陶瓷-铜三层结构复合材料,不仅继承了陶瓷的良好散热性和高绝缘性,还具备铜的高电流承载能力和良好的焊接键合性能,因此成为了新能源汽车领域中SiC MOSFET主驱应用的理想选择。
氮化硅陶瓷基板以其卓越的散热性能和可靠性,成为SiC MOSFET模块封装的关键材料之一。例如,日本京瓷公司采用活性金属焊接技术生产的氮化硅陶瓷覆铜基板,能够承受5000次温度循环(-40~125℃),承载电流超过300A,已广泛应用于电动汽车、航空航天等领域。
电控技术是新能源汽车发展的关键指标,其中高压直流陶瓷继电器是电控系统的核心。这种继电器在真空腔体内使用陶瓷绝缘子滑动连接动触点组件与推动杆,确保在导通或断开状态下都能保持良好的电绝缘,从而在切换直流高电压负载时具有出色的断弧能力。目前,高压直流继电器主要由日本松下、美国TE公司及韩国知名公司生产,国内企业尚处于研发生产的初级阶段。
陶瓷熔断器是电路过电流保护的关键器件,它能在电路短路或过载时通过熔断器熔化产生的断口来熄灭电弧,切断故障电路。随着新能源汽车高压平台的发展,对熔断器的稳定性和快速分断能力提出了更高要求。
片式多层陶瓷电容器(MLCC)是全球用量最大的被动电子元件之一,几乎所有消费电子产品都需要使用。随着电动汽车电子化水平的提高,车用MLCC的需求也随之增长。
陶瓷轴承在新能源汽车中的应用越来越广泛,因为它们具有低密度、高硬度和耐摩擦等特点,非常适合高速旋转工况。特斯拉和奥迪等品牌的电机已采用陶瓷轴承。
碳陶制动盘是一种新型的刹车片材料,它结合了碳纤维和多晶碳化硅的物理特性,具有高温稳定性、高导热性和高比热等特点,适合新能源汽车的使用。
动力电池陶瓷密封连接器和动力电池陶瓷隔膜都是新能源汽车的重要组成部分,它们利用陶瓷的电绝缘性和机械强度,提高了电池的安全性和性能。
透明陶瓷作为一种光学材料,具有与光学玻璃相媲美的透光质量,同时更强、更硬、更耐腐蚀、更耐高温,适用于极端恶劣的工况,正在被考虑用于车载摄像头镜片、激光雷达窗口材料等。
这些陶瓷材料的应用不仅提升了新能源汽车的性能,也推动了材料科学的进步,为新能源汽车的持续发展提供了坚实的物质基础。