De toepassing en technische waarde van geavanceerde keramiek in de context van de elektrificatie van nieuwe energievoertuigen

De transformatie van nieuwe energievoertuigen van traditionele brandstof naar elektrische aandrijving, intelligente besturing en elektrische hoog{0}}systemen heeft niet alleen de energiestructuur van het voertuig veranderd, maar ook de materiële upgrade bevorderd van belangrijke componenten zoals hoog-spanningsrelais, vermogenshalfgeleiders, motorlagers en elektronische regelsystemen. Met de voortdurende ontwikkeling van platforms van 800 V en hogere spanning, elektrische aandrijfsystemen met hoge-vermogensdichtheid en snelle oplaad- en ontlaadtechnologieën, worden componenten ook geconfronteerd met hogere eisen op het gebied van spanning, stroom, temperatuur, frequentie en betrouwbaarheid.

 

In dit proces heeft geavanceerde keramiek zich geleidelijk uitgebreid van traditionele constructiematerialen naar hoog-elektriciteit, vermogenselektronica en aandrijfsystemen voor nieuwe energievoertuigen dankzij hun hoge diëlektrische sterkte, hoge temperatuurbestendigheid, corrosieweerstand, hoge mechanische sterkte en goede maatvastheid. De toepassing ervan richt zich op hoog-DC-schakelapparaten, vermogenshalfgeleiderverpakkingen, keramische hoog-hoogspanningsschakelaars en motorgeïsoleerde lagers.

 

 

 

Het elektrische hoog-systeem van nieuwe energievoertuigen vereist doorgaans relais of contactors om verbinding, ontkoppeling en veilige isolatie te bewerkstelligen tussen het accupakket en hoog-hoogspanningscircuits zoals omvormers, motoren en oplaadsystemen. Vergeleken met elektrische systemen met lage- autospanning is het schakelen in gelijkstroomomgevingen met hoge- spanning complexer. Vooral bij het loskoppelen van circuits onder hoge stroomomstandigheden is de kans groot dat er vlambogen ontstaan ​​tussen de contacten, wat hogere eisen stelt aan de isolatiestructuur en het vermogen om de boog te blussen.

 

Keramische materialen hebben uitstekende elektrische isolatie-eigenschappen en zijn bestand tegen hoge temperaturen, en kunnen worden gebruikt in isolatieschalen, isolatiehulzen en afdichtingsstructuren in hoog-DC-relais en contactors. Door de betrouwbare afdichting van keramische en metalen materialen kan een relatief gesloten interne werkruimte worden gevormd om een ​​stabiele isolatie tussen hoogspanningsgeleidende componenten en de externe structuur te behouden, terwijl de noodzakelijke afdichtingsomstandigheden voor het boogdovende medium worden geboden.

 

In hoog-schakelapparaten is aluminiumoxide-keramiek een van de meest voorkomende isolatiematerialen. Aluminiumoxidesystemen met verschillende zuiverheids- en prestatieniveaus kunnen verder worden geselecteerd op basis van verschillende spanningsniveaus, mechanische sterkte, thermische eigenschappen en maatvereisten. Voor onderdelen die tegelijkertijd moeten voldoen aan de eisen van isolatie, mechanische ondersteuning en metaalafdichting, kan Alumina Metallized Ceramics betrouwbare verbindingen tussen keramiek en metalen tot stand brengen door middel van metallisatie van keramische oppervlakken en hardsoldeerprocessen.

 

De waarde van keramische materialen in dergelijke producten beperkt zich niet tot isolatie. Er worden voorbijgaande hitte en mechanische spanning gegenereerd tijdens de werking van hoog-spanningsschakelaars, dus de keramische schaal moet ook een goede thermische stabiliteit, maatvastheid en weerstand tegen thermische schokken hebben. Materiaalkeuze, structureel ontwerp en metallisatieproces moeten uitgebreid worden ontworpen op basis van de werkelijke bedrijfsspanning, stroom, temperatuur en levensduurvereisten.

 

 

 

Een van de kernen van het elektrische aandrijfsysteem van nieuwe energievoertuigen is de vermogenselektronische controller, waarvan de belangrijkste functie het voltooien van de efficiënte conversie is tussen het gelijkstroomvermogen van de accu en het wisselstroomvermogen dat de motor nodig heeft. Naarmate de vermogensdichtheid van elektrische aandrijfsystemen toeneemt, moeten vermogenshalfgeleiderapparaten hogere stromen en frequentere thermische cycli kunnen weerstaan. Daarom moeten verpakkingsmaterialen niet alleen goede isolatie-eigenschappen hebben, maar ook rekening houden met warmteafvoer, mechanische sterkte en aanpassing van de thermische uitzetting.

 

Met keramische koper-beklede substraten bestaan ​​gewoonlijk uit koperlagen, keramische isolatielagen en koperlagen. De keramische laag is verantwoordelijk voor elektrische isolatie en mechanische ondersteuningsfuncties, en de koperlaag is verantwoordelijk voor stroomtransmissie, chipverbinding en warmteafvoer. Vergeleken met puur organische isolatiematerialen kunnen keramische substraten stabiele elektrische en mechanische eigenschappen behouden in omgevingen met hogere temperaturen, waardoor ze geschikt zijn voor elektronische vermogensmodules met hoge-vermogen-dichtheid.

 

Veel voorkomende keramische materialen die momenteel worden gebruikt in voedingsmodules voor nieuwe energievoertuigen zijn onder meer aluminiumoxide, aluminiumnitride en siliciumnitride. Aluminiumoxide heeft de kenmerken van relatief gematigde kosten, goede isolatieprestaties en een volwassen proces; aluminiumnitride heeft een hoge thermische geleidbaarheid en heeft voordelen in scenario's met hoge warmteafvoervereisten; siliciumnitride heeft een hoge mechanische sterkte, thermische stabiliteit en weerstand tegen thermische cycli, en is meer geschikt voor vermogenselektronische toepassingen die een hoge betrouwbaarheid op de lange- termijn vereisen.

 

Terwijl de voedingsmodules van nieuwe energievoertuigen zich ontwikkelen in de richting van hoge spanning, hoge stroomsterkte en miniaturisatie, is de vraag naar hoog-precieze keramische gemetalliseerde componenten, zoals Precision Metallized Ceramics, ook toegenomen. De metallisatielaag op het keramische oppervlak moet een goede hechtsterkte en stabiele elektrische eigenschappen hebben, en bestand zijn tegen de spanning die wordt gegenereerd tijdens het daaropvolgende lassen, hardsolderen en thermische cycli.

 

Voor vermogenshalfgeleiderverpakkingen is het afstemmen van de thermische uitzettingscoëfficiënt tussen het keramische materiaal en de koperlaag erg belangrijk. Tijdens de daadwerkelijke werking zullen nieuwe energievoertuigen te maken krijgen met starten, accelereren, remmen, snel opladen en verschillende omgevingstemperatuurveranderingen, en zal de vermogensmodule herhaaldelijk verwarming en koeling ervaren. Als het verschil in thermische uitzetting tussen materialen te groot is, kunnen thermische cycli op de lange- termijn interfacemoeheid, scheuren of delaminatie veroorzaken, waardoor de levensduur van de module wordt beïnvloed.

 

Daarom moet bij het keramische verpakkingsontwerp van voedingsmodules voor nieuwe energievoertuigen tegelijkertijd rekening worden gehouden met thermische geleidbaarheid, isolatiesterkte, mechanische sterkte, thermische uitzettingsaanpassing en verwerkingsnauwkeurigheid, en kan het niet eenvoudigweg vertrouwen op een bepaalde materiaalprestatie als basis voor selectie.

 

 

Keramiek zelf heeft uitstekende isolatie-eigenschappen, maar in echte elektronische apparaten moet keramiek meestal worden aangesloten op metalen geleiders, elektroden of verpakkingsstructuren. Daarom is metallisatie van keramische oppervlakken een belangrijk proces geworden om een ​​betrouwbare combinatie van keramiek en metalen te bereiken.

 

Het basisidee van keramische metallisatie is het vormen van een metaallaag met een bepaalde dikte en hechtsterkte op het keramische oppervlak, zodat deze verder kan worden gesoldeerd, gelast of een andere verbindingsbewerking kan ondergaan. De gemetalliseerde laag moet niet alleen een goede elektrische geleidbaarheid hebben, maar ook een stabiele grensvlakbinding vormen met de keramische matrix.

 

Voor hoogspanningsapparaten van nieuwe energievoertuigen heeft de betrouwbaarheid van de metallisatielaag rechtstreeks invloed op de luchtdichtheid, isolatieprestaties en mechanische stabiliteit van de verpakkingsstructuur. De keramische isolator in het hoog-spanningsrelais moet bijvoorbeeld een betrouwbare verbinding vormen met de metalen behuizing; het keramische substraat in de vermogenshalfgeleidermodule moet een stabiele verbinding vormen met de koperlaag.

 

Van de elektronische componenten met hoge-precisie kan de precisiebewerking van keramische onderdelen van aluminiumoxide verder voldoen aan complexe eisen op het gebied van afmetingen, tolerantie, gatlocatie en nauwkeurigheid van het eindvlak. Voor hoog-apparaten voor nieuwe energievoertuigen moeten keramische onderdelen vaak tegelijkertijd voldoen aan de eisen van miniaturisatie, complexe structuur en hoge betrouwbaarheid. Daarom moeten materiaalvoorbereiding en precisieverwerking gezamenlijk worden gecontroleerd.

 

 

 

Een hoog-spanningsschakelaar is een belangrijk schakelonderdeel in het- elektrische hoogspanningssysteem van voertuigen op nieuwe energie. De belangrijkste functie ervan is het regelen van het schakelen van hoog-circuits tijdens het starten, stoppen, opladen en foutbeveiliging van het voertuig. Omdat accu's voor nieuwe energievoertuigen doorgaans gelijkspanningen van honderden volt of zelfs hoger gebruiken, moeten hoogspanningsschakelaars onder hoge elektrische spanning een betrouwbare werking behouden.

 

Keramische behuizingen voor HVDC-schakelaars vervullen doorgaans meerdere functies, zoals interne isolatie, structurele ondersteuning en afdichting. Keramische behuizingen moeten een stabiele isolatie behouden in omgevingen met hoge- spanning, terwijl ze bestand zijn tegen interne temperatuurveranderingen en mechanische spanningen.

 

Hoogspanningsschakelaars maken meestal gebruik van keramische en metalen afdichtingsstructuren. Het verbindingsgebied tussen keramiek en metaal is een van de sleutels tot de betrouwbaarheid van het hele apparaat. Als er defecten zijn in de afdichtingsinterface, kunnen scheuren, lekken en andere problemen optreden onder invloed van langdurige thermische cycli op de -termijn, mechanische trillingen of interne drukveranderingen.

 

Daarom vereist de vervaardiging van keramische hoog{0}}hoogspanningscontactors doorgaans aandacht voor het controleren van de zuiverheid van keramische materialen, de sinterkwaliteit, de maatnauwkeurigheid, de kwaliteit van de metallisatielaag en de afdichtingssterkte van keramische- metalen. Voor producten met een hoge-betrouwbaarheid is ook verificatie van luchtdichtheid, elektrische isolatie, spanningsweerstand en thermische cyclus vereist.

 

Vanuit het perspectief van materiaaltechniek is de verbinding tussen keramiek- en- metaal geen eenvoudige mechanische combinatie, maar zijn er meerdere factoren betrokken, zoals de thermische uitzettingscoëfficiënt van het materiaal, bevochtigbaarheid van het grensvlak, soldeerkeuze, afdichtingstemperatuur en beheersing van restspanning. Alleen door het bereiken van een stabiele combinatie van keramische en metalen interfaces kan de afdichtings- en isolatiebetrouwbaarheid van hoog-apparaten op lange termijn- worden gegarandeerd.

 

 

Aandrijfmotoren van nieuwe energievoertuigen hebben doorgaans hoge rotatiesnelheden en er is een complexe elektromagnetische omgeving in de motor. Vergeleken met traditionele mechanische systemen hebben motorlagers van nieuwe energievoertuigen, naast het dragen van radiale en axiale belastingen, ook te maken met problemen zoals rotatie bij hoge- snelheden, temperatuurstijging, stroom en elektrische corrosie.

 

Traditionele metalen lagers kunnen onder bepaalde bedrijfsomstandigheden van de motor asstromen genereren. Wanneer de stroom door het inwendige van het lager stroomt, kan er boogontlading ontstaan ​​in het contactgebied tussen het rolelement en de loopring, wat putcorrosie, erosie en oppervlakteschade veroorzaakt, wat uiteindelijk de levensduur van het lager beïnvloedt.

 

Keramische rolelementen hebben de kenmerken van lage dichtheid, hoge hardheid, goede slijtvastheid en uitstekende elektrische isolatie-eigenschappen. Daarom hebben hybride keramische lagers een bepaalde toepassingswaarde in hoge- motoren en geëlektrificeerde aandrijfsystemen. De combinatie van keramische rolelementen en metalen ringen kan de kwaliteit van de rolelementen verminderen terwijl de structurele sterkte van het lager behouden blijft, en de wrijvings- en elektrische isolatie-eigenschappen verbeteren onder hoge- bedrijfsomstandigheden.

 

De vereisten voor lagers in motoren voor nieuwe energievoertuigen hebben ook de ontwikkeling bevorderd van hoogwaardige keramische componenten-, zoals hoog-gemetalliseerde keramische componenten. Hoewel gemetalliseerde keramiek en motorlagers tot verschillende soorten toepassingen behoren, belichamen ze dezelfde materiaalontwikkelingstrend, namelijk het oplossen van de prestatiebeperkingen van traditionele metalen materialen onder specifieke werkomstandigheden door de isolatie-, hoge sterkte- en hoge temperatuurbestendigheidseigenschappen van keramische materialen.

 

 

Naarmate het spanningsplatform van nieuwe energievoertuigen blijft verbeteren, breidt het toepassingsgebied van geavanceerde keramiek zich geleidelijk uit van afzonderlijke isolatiecomponenten naar hoog-spanningsschakelaars, voedingsmodules, sensoren, verbindingsstructuren en thermische beheer-gerelateerde componenten.

 

In elektrische hoogspanningscomponenten kan gemetalliseerde aluminiumoxide-keramiek voor elektrische componenten de integratie van isolatie-, geleidbaarheids- en mechanische verbindingsfuncties bereiken door de combinatie van een keramische isolatiematrix en gemetalliseerde geleidende lagen. Deze structuur is vooral geschikt voor elektrische componenten met beperkte ruimte en hoge isolatie-eisen.

 

Voor hoogspanningsapparaten die een hogere maatnauwkeurigheid vereisen, kunnen precisie-gemetalliseerde aluminiumoxide-keramische componenten precisiegiet-, sinter-, metallisatie- en bewerkingsprocessen combineren om te voldoen aan complexe structuren en hoge- precisie-assemblagevereisten. Nieuwe energie-auto-onderdelen blijven zich ontwikkelen in de richting van miniaturisatie, lichtgewicht en hoge vermogensdichtheid, wat ook de dimensionale controle en verwerkingsconsistentie van keramische onderdelen belangrijker maakt.

 

Aan de andere kant, naarmate de bedrijfsspanning en schakelfrequentie van vermogenshalfgeleiders toenemen, moeten keramische isolatiematerialen ook te maken krijgen met een hogere elektrische veldintensiteit en snellere spanningsveranderingen. Constructies zoals gemetalliseerde keramische isolatiebuizen en gemetalliseerde keramische onderdelen kunnen worden gebruikt voor speciale elektrische componenten die zowel isolatie, geleidende verbindingen als inkapselingsfuncties vereisen, waardoor compactere structurele oplossingen worden geboden voor elektrische hoog-systemen.

 

 

 

De toepassing van geavanceerde keramiek in nieuwe energievoertuigen is geen eenvoudige materiaalvervanging, maar een systematisch project waarbij materialen, structuren, processen en betrouwbaarheidsverificatie betrokken zijn.

 

Ten eerste moeten geschikte keramische materialen worden geselecteerd op basis van bedrijfsspanning, temperatuur, stroom, mechanische belasting en omgevingsomstandigheden. Ten tweede moeten de processen van gieten, sinteren, precisiebewerking en oppervlaktemetallisatie worden bepaald op basis van de componentstructuur. Voor hogedrukafdichtingsapparaten moet verder rekening worden gehouden met de aanpassing van de thermische uitzetting tussen keramische en metalen materialen en de restspanning bij het afdichten.

 

Voor vermogenselektronica vereisen keramische substraten ook aandacht voor de levensduur van de thermische cyclus en de betrouwbaarheid van de interface. Terwijl nieuwe energievoertuigen zich geleidelijk ontwikkelen van traditionele IGBT's naar vermogenshalfgeleiders met een hoge-prestatiebrede-bandgap, blijven de schakelsnelheid en de vermogensdichtheid van voedingsmodules toenemen, en zullen de vereisten voor isolatiematerialen en verpakkingsstructuren ook verder toenemen.

 

Hoge zuiverheid aluminiumoxide precisie geavanceerde keramische metallisatieonderdelen zijn geschikt voor speciale elektronische componenten die hoge zuiverheid, isolatieprestaties, maatnauwkeurigheid en metallisatiebetrouwbaarheid vereisen. Dergelijke producten vereisen doorgaans volledige procescontrole, van keramisch poeder, gieten, sinteren tot precisiebewerking en metallisatie.

 

 

Vanuit het perspectief van de algemene technologische ontwikkelingsrichting van nieuwe energievoertuigen vertoont de toepassing van geavanceerde keramiek hoofdzakelijk drie trends.

 

Ten eerste vergroot hoogspanning de vraag naar isolerend keramiek. Met de geleidelijke toepassing van 800V- en hogere spanningsplatforms blijven de vereisten voor isolatiematerialen in hoog-hoogspanningsschakelaars, relais, voedingsmodules en laadsystemen toenemen. Keramische materialen hebben een hoge diëlektrische sterkte en hittebestendigheid, zodat ze een goede basis vormen voor toepassingen in elektrische hoog-componenten.

 

Ten tweede stimuleert de hoge vermogensdichtheid de upgrade van keramische verpakkingsmaterialen. Nieuwe elektrische aandrijfsystemen voor energievoertuigen moeten een hoger vermogen bereiken in een kleinere ruimte, en de warmtestroomdichtheid van vermogenshalfgeleiders blijft toenemen. Daarom zullen keramische substraten en verpakkingsmaterialen met goede thermische geleidbaarheid en mechanische betrouwbaarheid meer aandacht krijgen.

 

Ten derde bevordert precisiefabricage de ontwikkeling van keramische onderdelen tot complexe structuren. Nieuwe energie-auto-onderdelen stellen steeds hogere eisen aan gewicht, ruimte en betrouwbaarheid. Keramische componenten zullen niet alleen traditionele isolatiefuncties vervullen, maar kunnen ook functies zoals ondersteuning, warmteafvoer, verpakking en elektrische aansluiting verder integreren.

 

Over het geheel genomen is geavanceerde keramiek een belangrijk materiaalsysteem geworden op het gebied van hoog-elektriciteit en vermogenselektronica van voertuigen op nieuwe energie. Van de isolerende behuizing van hoog-spanningsrelais tot de met keramische koper-beklede substraten in vermogenshalfgeleidermodules, tot hoog-hoogspanningsschakelaars, isolerende lagers en gemetalliseerde keramische verbindingsonderdelen: keramiek neemt steeds meer sleutelfuncties in de elektrificatie-architectuur van nieuwe energievoertuigen in.

 

In de toekomst, naarmate nieuwe energievoertuigen zich ontwikkelen in de richting van een hogere spanning, een hogere vermogensdichtheid, een hogere betrouwbaarheid en een kleiner formaat, zal de waarde vanPrecisie gemetalliseerde aluminiumoxide keramische componentenmaterialen zullen verder transformeren van eenvoudige isolatiematerialen naar hoogwaardige structurele en functionele materialen-. De voortdurende vooruitgang van technologieën zoals materiaalformulering, precisiegieten, metallisatie, keramiek{2}}naar-afdichting van metaal en betrouwbaarheidstesten zullen een belangrijke basis worden voor geavanceerde keramiek om verder deel uit te maken van de toeleveringsketen van kernonderdelen van nieuwe energievoertuigen.