Применение и техническая ценность современной керамики в контексте электрификации транспортных средств на новых источниках энергии.

Переход от традиционного топливного транспорта к электроприводу, интеллектуальному управлению и высоковольтным электрическим системам не только изменил силовую структуру автомобиля, но и способствовал материальному обновлению ключевых компонентов, таких как высоковольтные реле, силовые полупроводники, подшипники двигателя и электронные системы управления. В связи с постоянным развитием платформ с напряжением 800 В и выше, систем электропривода с высокой-плотностью мощности и технологий быстрой зарядки и разрядки компоненты также сталкиваются с более высокими требованиями к напряжению, току, температуре, частоте и надежности.

 

В этом процессе современная керамика постепенно расширилась от традиционных конструкционных материалов до высоковольтной электротехники, силовой электроники и систем привода для транспортных средств на новой энергии благодаря своей высокой диэлектрической прочности, высокой термостойкости, коррозионной стойкости, высокой механической прочности и хорошей стабильности размеров. Его применение сосредоточено на высоковольтных коммутационных устройствах постоянного тока, силовых полупроводниковых корпусах, керамических высоковольтных контакторах-изолированных подшипниках двигателей.

 

 

 

Высоковольтная электрическая система транспортных средств на новых источниках энергии обычно требует использования реле или контакторов для обеспечения соединения, отключения и безопасной изоляции между аккумуляторной батареей и цепями высокого-напряжения, такими как инверторы, двигатели и системы зарядки. По сравнению с автомобильными электрическими системами низкого-переключения в средах с высоким-постоянным напряжением более сложны. Особенно при отключении цепей в условиях сильного тока между контактами может возникнуть дуга, что предъявляет более высокие требования к конструкции изоляции и способностям-гасить дугу.

 

Керамические материалы обладают превосходными электроизоляционными свойствами и устойчивостью к высоким температурам и могут использоваться в изоляционных оболочках, изолирующих втулках и уплотнительных конструкциях внутри реле и контакторов высокого-постоянного тока. За счет надежной герметизации керамических и металлических материалов можно сформировать относительно закрытое внутреннее рабочее пространство для поддержания стабильной изоляции между высоковольтными проводящими компонентами и внешней конструкцией, обеспечивая при этом необходимые условия герметизации для дугогасящей среды.

 

В переключающих устройствах высокого-напряжения глиноземная керамика является одним из наиболее распространенных изоляционных материалов. Системы оксида алюминия различной чистоты и производительности могут быть дополнительно выбраны на основе различных уровней напряжения, механической прочности, термических свойств и требований к размеру. Для деталей, которые должны одновременно отвечать требованиям изоляции, механической поддержки и металлического уплотнения, глиноземная металлизированная керамика может обеспечить надежные соединения между керамикой и металлами посредством металлизации керамической поверхности и процессов пайки.

 

Ценность керамических материалов в таких изделиях не ограничивается изоляцией. Во время работы контакторов высокого-напряжения возникают переходные тепловые и механические напряжения, поэтому керамический корпус также должен обладать хорошей термической стабильностью, стабильностью размеров и устойчивостью к тепловому удару. Выбор материала, проектирование конструкции и процесс металлизации должны быть тщательно разработаны с учетом фактического рабочего напряжения, тока, температуры и требований к сроку службы.

 

 

 

Одним из основных элементов системы электропривода транспортных средств на новой энергии является силовой электронный контроллер, основная функция которого заключается в эффективном преобразовании мощности постоянного тока аккумуляторной батареи в мощность переменного тока, необходимую двигателю. По мере увеличения удельной мощности систем электропривода силовые полупроводниковые устройства должны выдерживать более высокие токи и более частые термические циклы. Следовательно, упаковочные материалы должны не только обладать хорошими изоляционными свойствами, но также должны учитывать теплоотдачу, механическую прочность и соответствие тепловому расширению.

 

Керамические-подложки с медным покрытием обычно состоят из слоев меди, слоев керамической изоляции и слоев меди. Керамический слой отвечает за электрическую изоляцию и функции механической поддержки, а медный слой отвечает за передачу тока, соединение микросхемы и рассеивание тепла. По сравнению с чистыми органическими изоляционными материалами керамические подложки могут сохранять стабильные электрические и механические свойства в условиях более высоких температур, что делает их пригодными для изготовления силовых электронных модулей с высокой-мощностью-плотностью.

 

Обычные керамические материалы, которые в настоящее время используются в силовых модулях транспортных средств на новых источниках энергии, включают оксид алюминия, нитрид алюминия и нитрид кремния. Оксид алюминия имеет характеристики относительно умеренной стоимости, хороших изоляционных характеристик и отработанного процесса; нитрид алюминия обладает высокой теплопроводностью и имеет преимущества в сценариях с высокими требованиями к рассеиванию тепла; Нитрид кремния обладает высокой механической прочностью, термической стабильностью и устойчивостью к термическим циклам и больше подходит для силовой электроники, требующей высокой долговременной-надежности.

 

По мере того, как силовые модули новых энергетических транспортных средств развиваются в сторону высокого напряжения, большого тока и миниатюризации, спрос на высокоточные-керамические металлизированные компоненты, такие как Precision Metallized Ceramics, также растет. Слой металлизации на керамической поверхности должен иметь хорошую прочность сцепления и стабильные электрические свойства, а также быть способным выдерживать напряжения, возникающие во время последующей сварки, пайки и термоциклирования.

 

Для силовых полупроводниковых корпусов очень важно соответствие коэффициента теплового расширения между керамическим материалом и медным слоем. Во время фактической эксплуатации автомобили на новых источниках энергии будут испытывать запуск, ускорение, торможение, быструю зарядку и различные изменения температуры окружающей среды, а силовой модуль будет постоянно нагреваться и охлаждаться. Если разница в тепловом расширении между материалами слишком велика, длительное-циклическое термоциклирование может привести к усталости интерфейса, появлению трещин или расслоению, что повлияет на срок службы модуля.

 

Таким образом, при проектировании керамической упаковки силовых модулей транспортных средств на новой энергии необходимо одновременно учитывать теплопроводность, прочность изоляции, механическую прочность, соответствие тепловому расширению и точность обработки, и нельзя просто полагаться на определенные характеристики материала в качестве основы для выбора.

 

 

Керамика сама по себе обладает отличными изоляционными свойствами, но в реальных электронных устройствах керамику обычно необходимо соединять с металлическими проводниками, электродами или корпусными конструкциями. Поэтому металлизация керамической поверхности стала важным процессом для достижения надежного сочетания керамики и металлов.

 

Основная идея металлизации керамики заключается в формировании на керамической поверхности слоя металла определенной толщины и прочности сцепления, чтобы его можно было в дальнейшем паять, сваривать или подвергать другой обработке соединения. Металлизированный слой должен не только иметь хорошую электропроводность, но также должен образовывать стабильную связь с керамической матрицей.

 

Для высоковольтных устройств транспортных средств на новой энергетике надежность слоя металлизации напрямую влияет на герметичность, изоляционные характеристики и механическую стабильность конструкции упаковки. Например, керамический изолятор внутри высоковольтного реле должен обеспечивать надежное соединение с металлическим корпусом; керамическая подложка силового полупроводникового модуля должна образовывать прочную связь с медным слоем.

 

Среди высокоточных электронных компонентов-прецизионная обработка керамических деталей из глинозема позволяет дополнительно удовлетворить сложные требования к размерам, допускам, расположению отверстий и точности торцевой поверхности. Для высоковольтных устройств для транспортных средств на новых источниках энергии керамические детали часто должны отвечать требованиям миниатюризации, сложной конструкции и одновременно высокой надежности. Поэтому подготовка материала и точная обработка должны контролироваться совместно.

 

 

 

Контактор высокого-напряжения – это важный коммутационный компонент в высоковольтной электрической системе транспортных средств, работающих на новых источниках энергии. Его основная функция — управление коммутацией цепей высокого-напряжения при запуске, остановке, зарядке автомобиля и защита от неисправностей. Поскольку автомобильные аккумуляторы новых источников энергии обычно используют напряжение постоянного тока в сотни вольт или даже выше, высоковольтные контакторы должны обеспечивать надежную работу при высоких электрических нагрузках.

 

Керамические корпуса контакторов HVDC обычно выполняют несколько функций, таких как внутренняя изоляция, структурная поддержка и герметизация. Керамические корпуса должны обеспечивать стабильную изоляцию в средах с высоким-напряжением, выдерживая при этом внутренние изменения температуры и механические нагрузки.

 

В контакторах высокого-напряжения обычно используются керамические и металлические уплотнительные конструкции. Зона соединения керамики и металла – один из залогов надежности всего устройства. При наличии дефектов в интерфейсе уплотнений под действием длительных-термических циклов, механической вибрации или изменений внутреннего давления могут возникнуть трещины, утечки и другие проблемы.

 

Поэтому при производстве керамических высоковольтных-контакторов обычно необходимо уделять особое внимание контролю чистоты керамических материалов, качества спекания, точности размеров, качества слоя металлизации и прочности керамического-металлического уплотнения. Для изделий с высокой-надежностью также требуется проверка герметичности, электроизоляции, устойчивости к напряжению и термического цикла.

 

С точки зрения материаловедения, соединение керамики-с-металлом — это не простая механическая комбинация, а включает в себя множество факторов, таких как коэффициент теплового расширения материала, смачиваемость поверхности раздела, выбор припоя, температура уплотнения и контроль остаточного напряжения. Только достигнув стабильного сочетания керамических и металлических интерфейсов, можно обеспечить надежность герметизации и изоляции высоковольтных-устройств при длительной-эксплуатации.

 

 

Приводные двигатели транспортных средств на новой энергии обычно имеют высокие скорости вращения, и внутри двигателя существует сложная электромагнитная среда. По сравнению с традиционными механическими системами, помимо радиальных и осевых нагрузок, подшипники двигателей транспортных средств на новых источниках энергии также должны решать такие проблемы, как высокая-скорость вращения, повышение температуры, ток и электрическая коррозия.

 

Традиционные металлические подшипники могут генерировать токи на валу при определенных условиях эксплуатации двигателя. Когда ток проходит через внутреннюю часть подшипника, в зоне контакта между телом качения и дорожкой качения может образоваться дуговой разряд, вызывающий питтинговую коррозию, эрозию и повреждение поверхности, что в конечном итоге влияет на срок службы подшипника.

 

Керамические тела качения обладают низкой плотностью, высокой твердостью, хорошей износостойкостью и отличными электроизоляционными свойствами. Таким образом, гибридные керамические подшипники имеют определенное применение в высокоскоростных-двигателях и электрифицированных энергосистемах. Комбинация керамических тел качения и металлических наконечников может снизить качество тел качения, сохраняя при этом структурную прочность подшипника, а также улучшить фрикционные и электроизоляционные свойства в условиях эксплуатации на высоких-скоростях.

 

Требования к подшипникам в двигателях транспортных средств на новых источниках энергии также способствовали разработке высокоэффективных-керамических компонентов, таких как высокопрочные-металлизированные керамические компоненты. Хотя металлизированная керамика и подшипники двигателей относятся к разным типам применений, они воплощают одну и ту же тенденцию развития материалов, которая заключается в устранении ограничений производительности традиционных металлических материалов в конкретных условиях работы за счет изоляционных, высокопрочных и термостойких свойств керамических материалов.

 

 

Поскольку платформа напряжения новых энергетических транспортных средств продолжает совершенствоваться, область применения современной керамики постепенно расширяется от отдельных изоляционных компонентов до высоковольтных переключателей, силовых модулей, датчиков, соединительных структур и компонентов, связанных с терморегулированием-.

 

В электрических компонентах высокого-электрического напряжения металлизированная глиноземная керамика для электрических компонентов может обеспечить интеграцию функций изоляции, проводимости и механического соединения за счет сочетания керамической изолирующей матрицы и металлизированных проводящих слоев. Эта конструкция особенно подходит для электрических компонентов с ограниченным пространством и высокими требованиями к изоляции.

 

Для устройств высокого-напряжения, требующих более высокой точности размеров, прецизионные металлизированные глиноземные керамические компоненты могут сочетать в себе процессы прецизионного формования, спекания, металлизации и механической обработки для удовлетворения требований к сложным конструкциям и высокой-точности сборки. Автомобильные детали новой энергии продолжают развиваться в направлении миниатюризации, легкости и высокой удельной мощности, что также делает контроль размеров и согласованность обработки керамических деталей более важными.

 

С другой стороны, по мере увеличения рабочего напряжения и частоты переключения силовых полупроводников керамическим изоляционным материалам также приходится сталкиваться с более высокой напряженностью электрического поля и более высокими скоростями изменения напряжения. Такие конструкции, как металлизированные керамические изоляционные трубки и металлизированные керамические детали, можно использовать для специальных электрических компонентов, требующих как изоляции, проводящего соединения, так и герметизирующих функций, обеспечивая более компактные структурные решения для высоковольтных электрических систем.

 

 

 

Применение современной керамики в транспортных средствах на новой энергии — это не простая замена материала, а систематический проект, включающий материалы, конструкции, процессы и проверку надежности.

 

Во-первых, необходимо выбрать подходящие керамические материалы с учетом рабочего напряжения, температуры, тока, механической нагрузки и условий окружающей среды. Во-вторых, процессы формования, спекания, прецизионной обработки и металлизации поверхности должны определяться в соответствии со структурой компонента. Для уплотнительных устройств высокого-давления необходимо дополнительно учитывать соответствие теплового расширения керамических и металлических материалов, а также остаточное напряжение уплотнения.

 

Для силовой электроники керамические подложки также требуют особого внимания к сроку службы при термическом цикле и надежности интерфейса. По мере того как новые энергетические средства постепенно развиваются от традиционных IGBT к высокоэффективным широкозонным силовым полупроводникам, скорость переключения и удельная мощность силовых модулей продолжают расти, а требования к изоляционным материалам и упаковочным конструкциям также будут возрастать.

 

Детали с улучшенной керамической металлизацией из оксида алюминия высокой чистоты подходят для специальных электронных компонентов, которым требуется высокая чистота, изоляционные характеристики, точность размеров и надежность металлизации. Такие изделия обычно требуют полного контроля процесса: от керамического порошка, формования, спекания до точной механической обработки и металлизации.

 

 

С точки зрения общего направления технологического развития транспортных средств на новой энергии, применение современной керамики в основном представляет собой три тенденции.

 

Во-первых, высокое напряжение увеличивает спрос на изолирующую керамику. С постепенным применением платформ с напряжением 800 В и выше требования к изоляционным материалам в высоковольтных контакторах, реле, силовых модулях и системах зарядки продолжают расти. Керамические материалы обладают высокой диэлектрической прочностью и термостойкостью, поэтому они хорошо подходят для применения в электрических компонентах высокого-напряжения.

 

Во-вторых, высокая удельная мощность стимулирует модернизацию керамических упаковочных материалов. Системы электропривода транспортных средств на новой энергии должны обеспечивать более высокую выходную мощность в меньшем пространстве, а плотность теплового потока силовых полупроводников продолжает расти. Поэтому больше внимания будут уделяться керамическим подложкам и упаковочным материалам с хорошей теплопроводностью и механической надежностью.

 

В-третьих, прецизионное производство способствует превращению керамических деталей в сложные конструкции. К автомобильным деталям, работающим на новых источниках энергии, предъявляются все более высокие требования к весу, пространству и надежности. Керамические компоненты не только будут выполнять традиционные изоляционные функции, но также могут включать в себя такие функции, как опора, рассеивание тепла, упаковка и электрическое соединение.

 

В целом, современная керамика стала важной системой материалов в области высоковольтной электротехники и силовой электроники транспортных средств на новых источниках энергии. От изолирующего корпуса реле высокого-напряжения до керамических-подложек силовых полупроводниковых модулей, контакторов высокого-напряжения, изолирующих подшипников и металлизированных керамических соединительных деталей — керамика берет на себя все больше и больше ключевых функций в архитектуре электрификации транспортных средств на новой энергии.

 

В будущем, по мере развития новых энергетических транспортных средств в сторону более высокого напряжения, более высокой удельной мощности, более высокой надежности и меньших размеров, значениеПрецизионные металлизированные керамические компоненты из глиноземаматериалы в дальнейшем превратятся из простых изоляционных материалов в высокоэффективные конструкционные и функциональные материалы. Постоянное развитие таких технологий, как рецептура материалов, прецизионное формование, металлизация, уплотнение керамики-к-металлам и испытания на надежность, станет важной основой для дальнейшего проникновения современной керамики в цепочку поставок основных деталей транспортных средств на новых источниках энергии.