Anvendelsen og den tekniske værdi af avanceret keramik i forbindelse med elektrificeringsopgradering af nye energikøretøjer

Transformationen af ​​nye energikøretøjer fra traditionel brændstofstrøm til elektrisk drev, intelligent kontrol og elektriske-højspændingssystemer har ikke kun ændret køretøjets strømstruktur, men har også fremmet materialeopgraderingen af ​​nøglekomponenter såsom højspændingsrelæer, effekthalvledere, motorlejer og elektroniske styresystemer. Med den kontinuerlige udvikling af 800V og højere spændingsplatforme, elektriske drivsystemer med høj-effekttæthed og hurtige opladnings- og afladningsteknologier står komponenter også over for højere krav til spænding, strøm, temperatur, frekvens og pålidelighed.

 

I denne proces er avanceret keramik gradvist udvidet fra traditionelle konstruktionsmaterialer til høj-elektricitet, kraftelektronik og drivsystemer til nye energikøretøjer i kraft af deres høje dielektriske styrke, høje temperaturbestandighed, korrosionsbestandighed, høje mekaniske styrke og gode dimensionsstabilitet. Dens applikation fokuserer på højspændings DC-switch-enheder, effekthalvlederemballage, keramiske højspændingskontaktorer og motorisolerede lejer.

 

 

 

Det elektriske-højspændingssystem i nye energikøretøjer kræver normalt relæer eller kontaktorer for at opnå tilslutning, frakobling og sikker isolation mellem batteripakken og højspændingskredsløb såsom invertere, motorer og ladesystemer. Sammenlignet med elektriske-lavspændingssystemer til biler er omskiftning i DC-miljøer med høj-spænding mere kompleks. Især når kredsløb afbrydes under høje strømforhold, vil der sandsynligvis opstå lysbuer mellem kontakter, hvilket stiller højere krav til isoleringsstrukturen og bue-slukningsmuligheder.

 

Keramiske materialer har fremragende elektrisk isoleringsegenskaber og høj temperaturbestandighed og kan bruges i isolerende skaller, isoleringsmuffer og tætningsstrukturer inde i højspændings-DC-relæer og -kontaktorer. Gennem pålidelig forsegling af keramiske og metalmaterialer kan der dannes et relativt lukket internt arbejdsrum for at opretholde stabil isolering mellem højspændingsledende komponenter og den ydre struktur, samtidig med at der tilvejebringes nødvendige tætningsbetingelser for lysbueslukningsmediet.

 

I højspændingskoblingsenheder er aluminiumoxidkeramik et af de mere almindelige isoleringsmaterialer. Aluminiumoxidsystemer med forskellige renheds- og ydeevneniveauer kan vælges yderligere baseret på forskellige spændingsniveauer, mekanisk styrke, termiske egenskaber og størrelseskrav. For dele, der skal opfylde kravene til isolering, mekanisk støtte og metalforsegling på samme tid, kan Alumina Metallized Ceramics opnå pålidelige forbindelser mellem keramik og metaller gennem keramiske overflademetalliserings- og lodningsprocesser.

 

Værdien af ​​keramiske materialer i sådanne produkter er ikke begrænset til isolering. Transient varme og mekanisk stress vil blive genereret under driften af ​​højspændingskontaktorer, så den keramiske skal skal også have god termisk stabilitet, dimensionsstabilitet og termisk stødmodstand. Materialevalg, strukturelt design og metalliseringsproces skal være omfattende designet baseret på faktiske driftsspænding, strøm, temperatur og levetidskrav.

 

 

 

En af kernerne i det elektriske drivsystem i nye energikøretøjer er den kraftelektroniske controller, hvis hovedfunktion er at fuldføre den effektive konvertering mellem strømbatteriets jævnstrøm og den vekselstrøm, der kræves af motoren. Efterhånden som strømtætheden af ​​elektriske drivsystemer stiger, skal effekthalvlederenheder modstå højere strømme og hyppigere termiske cyklusser. Derfor skal emballagematerialer ikke kun have gode isoleringsegenskaber, men skal også tage højde for varmeafledning, mekanisk styrke og termisk ekspansionstilpasning.

 

Keramiske kobber-beklædte substrater er normalt sammensat af kobberlag, keramiske isoleringslag og kobberlag. Det keramiske lag er ansvarlig for elektrisk isolering og mekaniske støttefunktioner, og kobberlaget er ansvarlig for strømtransmission, spånforbindelse og varmeafledning. Sammenlignet med rene organiske isoleringsmaterialer kan keramiske substrater opretholde stabile elektriske og mekaniske egenskaber i miljøer med højere temperaturer, hvilket gør dem velegnede til elektroniske moduler med høj-effekt-tæthed.

 

Almindelige keramiske materialer, der i øjeblikket bruges i nye energikøretøjskraftmoduler, omfatter aluminiumoxid, aluminiumnitrid og siliciumnitrid. Aluminiumoxid har karakteristika af relativt moderate omkostninger, god isoleringsevne og en moden proces; aluminiumnitrid har høj varmeledningsevne og har fordele i scenarier med høje varmeafledningskrav; siliciumnitrid har høj mekanisk styrke, termisk stabilitet og termisk cyklusmodstand og er mere velegnet til kraftelektroniske applikationer, der kræver høj-langsigtet pålidelighed.

 

Efterhånden som nye energikøretøjskraftmoduler udvikler sig mod højspænding, høj strømstyrke og miniaturisering, er efterspørgslen efter høj-præcisions keramiske metalliserede komponenter såsom Precision Metallized Ceramics også steget. Metalliseringslaget på den keramiske overflade skal have god vedhæftningsstyrke og stabile elektriske egenskaber og være i stand til at modstå den belastning, der genereres under efterfølgende svejsning, lodning og termisk cykling.

 

For effekthalvlederemballage er det meget vigtigt at matche den termiske udvidelseskoefficient mellem det keramiske materiale og kobberlaget. Under den faktiske drift vil nye energikøretøjer opleve start, acceleration, bremsning, hurtig opladning og forskellige miljøtemperaturændringer, og strømmodulet vil gentagne gange opleve opvarmning og afkøling. Hvis forskellen i termisk ekspansion mellem materialer er for stor, kan langvarig- termisk cyklus forårsage grænsefladetræthed, revner eller delaminering og derved påvirke modulets levetid.

 

Derfor skal det keramiske emballagedesign af nye energikøretøjskraftmoduler tage hensyn til termisk ledningsevne, isoleringsstyrke, mekanisk styrke, termisk ekspansionstilpasning og behandlingsnøjagtighed på samme tid og kan ikke blot stole på en bestemt materialeydelse som grundlag for udvælgelsen.

 

 

Keramik i sig selv har fremragende isoleringsegenskaber, men i faktiske elektroniske enheder skal keramik normalt forbindes til metalledere, elektroder eller emballagestrukturer. Derfor er keramisk overflademetallisering blevet en vigtig proces for at opnå en pålidelig kombination af keramik og metaller.

 

Den grundlæggende idé med keramisk metallisering er at danne et metallag med en vis tykkelse og vedhæftningsstyrke på den keramiske overflade, så den kan loddes yderligere, svejses eller gennemgå anden forbindelsesbehandling. Det metalliserede lag skal ikke kun have god elektrisk ledningsevne, men skal også danne en stabil grænsefladebinding med den keramiske matrix.

 

For højspændingsenheder i nye energikøretøjer påvirker pålideligheden af ​​metalliseringslaget direkte emballagestrukturens lufttæthed, isoleringsevne og mekaniske stabilitet. For eksempel skal den keramiske isolator inde i højspændingsrelæet danne en pålidelig forbindelse med metalkappen; det keramiske substrat i effekthalvledermodulet skal danne en stabil binding med kobberlaget.

 

Blandt elektroniske komponenter med høj-præcision kan præcisionsbearbejdning af keramiske dele af aluminiumoxid yderligere opfylde kravene til kompleks størrelse, tolerance, hulplacering og endefladenøjagtighed. For højspændingsenheder til nye energikøretøjer skal keramiske dele ofte opfylde kravene til miniaturisering, kompleks struktur og høj pålidelighed på samme tid. Derfor skal materialeforberedelse og præcisionsbearbejdning kontrolleres i fællesskab.

 

 

 

En høj-kontaktor er en vigtig koblingskomponent i det elektriske-højspændingssystem i nye energikøretøjer. Dens hovedfunktion er at kontrollere koblingen af ​​højspændingskredsløb under køretøjets start, stop, opladning og fejlbeskyttelse. Da batterier til nye energikøretøjer normalt bruger jævnspænding på hundredvis af volt eller endnu højere, skal højspændingskontaktorer opretholde pålidelig drift under høj elektrisk belastning.

 

HVDC-kontaktorkeramiske kabinetter udfører normalt flere funktioner såsom intern isolering, strukturel støtte og tætning. Keramiske huse skal opretholde stabil isolering i højspændingsmiljøer, samtidig med at de modstår interne temperaturændringer og mekaniske belastninger.

 

Højspændingskontaktorer bruger normalt keramiske og metalforseglingsstrukturer. Forbindelsesområdet mellem keramik og metal er en af ​​nøglerne til pålideligheden af ​​hele enheden. Hvis der er defekter i tætningsgrænsefladen, kan der opstå revner, lækager og andre problemer under påvirkning af langvarige termiske cyklusser, mekaniske vibrationer eller interne trykændringer.

 

Derfor kræver fremstilling af keramiske højspændingskontaktorer normalt fokus på at kontrollere renheden af ​​keramiske materialer, sintringskvalitet, dimensionsnøjagtighed, metalliseringslagskvalitet og keramisk-metalforseglingsstyrke. For produkter med høj-pålidelighed er verifikation af lufttæthed, elektrisk isolering, spændingsmodstand og termisk cyklus også påkrævet.

 

Fra et materialeteknisk perspektiv er keramisk-til-metalforbindelse ikke en simpel mekanisk kombination, men involverer flere faktorer, såsom materialets termiske ekspansionskoefficient, grænsefladebefugtning, loddemiddelvalg, tætningstemperatur og restspændingskontrol. Kun ved at opnå en stabil kombination af keramiske og metalgrænseflader kan tætnings- og isoleringspålideligheden af ​​højspændingsenheder sikres i lang-drift.

 

 

Nye energikøretøjers drivmotorer har normalt høje rotationshastigheder, og der er et komplekst elektromagnetisk miljø inde i motoren. Sammenlignet med traditionelle mekaniske systemer skal nye energikøretøjers motorlejer ud over at bære radiale og aksiale belastninger også stå over for problemer såsom høj-rotation, temperaturstigning, strømstyrke og elektrisk korrosion.

 

Traditionelle metallejer kan generere akselstrømme under visse motordriftsforhold. Når strøm passerer gennem det indre af lejet, kan der dannes lysbueudladning i kontaktområdet mellem det rullende element og løbebanen, hvilket forårsager grubetæring, erosion og overfladeskader, hvilket i sidste ende påvirker lejets levetid.

 

Keramiske rulleelementer har egenskaberne lav densitet, høj hårdhed, god slidstyrke og fremragende elektrisk isoleringsegenskaber. Derfor har hybride keramiske lejer en vis anvendelsesværdi i høj-motorer og elektrificerede strømsystemer. Kombinationen af ​​keramiske rulleelementer og metalrør kan reducere kvaliteten af ​​rulleelementerne, samtidig med at lejets strukturelle styrke bevares, og forbedre friktion og elektrisk isoleringsegenskaber under høje-driftsforhold.

 

Kravene til lejer i nye energikøretøjsmotorer har også fremmet udviklingen af-højtydende keramiske komponenter såsom høj-metalliserede keramiske komponenter. Selvom metalliseret keramik og motorlejer hører til forskellige typer applikationer, inkarnerer de den samme materialeudviklingstrend, som er at løse ydeevnebegrænsningerne for traditionelle metalmaterialer under specifikke arbejdsforhold gennem keramiske materialers isolerings-, højstyrke- og højtemperaturbestandighedsegenskaber.

 

 

Efterhånden som spændingsplatformen for nye energikøretøjer fortsætter med at forbedres, udvides anvendelsesområdet for avanceret keramik gradvist fra enkeltisoleringskomponenter til højspændingsafbrydere, strømmoduler, sensorer, forbindelsesstrukturer og- termisk styringsrelaterede komponenter.

 

I højspændingselektriske komponenter kan metalliseret aluminiumoxidkeramik til elektriske komponenter opnå integration af isolerings-, ledningsevne- og mekaniske forbindelsesfunktioner gennem kombinationen af ​​en keramisk isolerende matrix og metalliserede ledende lag. Denne struktur er især velegnet til elektriske komponenter med begrænset plads og høje isoleringskrav.

 

Til højspændingsenheder, der kræver højere dimensionsnøjagtighed, kan Precision Metallized Alumina Ceramic Components kombinere præcisionsstøbning, sintring, metallisering og bearbejdningsprocesser for at opfylde komplekse strukturer og høje-præcisionsmonteringskrav. Nye energibildele fortsætter med at udvikle sig i retning af miniaturisering, letvægt og høj effekttæthed, hvilket også gør dimensionskontrol og bearbejdningskonsistens af keramiske dele vigtigere.

 

På den anden side, når driftsspændingen og koblingsfrekvensen for effekthalvledere stiger, skal keramiske isoleringsmaterialer også stå over for højere elektrisk feltintensitet og hurtigere spændingsændringshastigheder. Strukturer såsom metalliserede keramiske isoleringsrør og metalliserede keramiske dele kan bruges til specielle elektriske komponenter, der kræver både isolering, ledende forbindelse og indkapslingsfunktioner, hvilket giver mere kompakte strukturelle løsninger til elektriske-højspændingssystemer.

 

 

 

Anvendelsen af ​​avanceret keramik i nye energikøretøjer er ikke en simpel materialeerstatning, men et systematisk projekt, der involverer materialer, strukturer, processer og pålidelighedsverifikation.

 

For det første skal passende keramiske materialer vælges baseret på driftsspænding, temperatur, strøm, mekanisk belastning og miljøforhold. For det andet skal støbning, sintring, præcisionsbearbejdning og overflademetalliseringsprocesser bestemmes i henhold til komponentstrukturen. For høj-forseglingsenheder skal den termiske ekspansionsmatchning mellem keramiske og metalmaterialer og forseglingsrestspændingen overvejes yderligere.

 

For kraftelektronik kræver keramiske substrater også fokus på termisk cykluslevetid og grænsefladepålidelighed. Efterhånden som nye energikøretøjer gradvist udvikler sig fra traditionelle IGBT'er til høj-ydeevne bred-båndgab effekthalvledere, fortsætter strømmodulernes omskiftningshastighed og effekttæthed med at stige, og kravene til isoleringsmaterialer og emballagestrukturer vil også stige yderligere.

 

High Purity Alumina Precision Advanced Ceramic Metallization Parts er velegnede til specielle elektroniske komponenter, der kræver høj renhed, isoleringsydelse, dimensionsnøjagtighed og metalliseringspålidelighed. Sådanne produkter kræver normalt fuld proceskontrol fra keramisk pulver, støbning, sintring til præcisionsbearbejdning og metallisering.

 

 

Fra perspektivet af den overordnede teknologiske udviklingsretning for nye energikøretøjer præsenterer anvendelsen af ​​avanceret keramik hovedsageligt tre tendenser.

 

For det første øger højspænding efterspørgslen efter isolerende keramik. Med den gradvise anvendelse af 800V og højere spændingsplatforme fortsætter kravene til isoleringsmaterialer i højspændingskontaktorer, relæer, strømmoduler og ladesystemer med at stige. Keramiske materialer har høj dielektrisk styrke og varmebestandighed, så de har et godt anvendelsesgrundlag i elektriske-højspændingskomponenter.

 

For det andet driver høj effekttæthed opgraderingen af ​​keramiske emballagematerialer. Nye energikøretøjers elektriske drivsystemer skal opnå højere effekt på et mindre rum, og varmestrømstætheden af ​​krafthalvledere fortsætter med at stige. Derfor vil keramiske underlag og emballagematerialer med god termisk ledningsevne og mekanisk pålidelighed få mere opmærksomhed.

 

For det tredje fremmer præcisionsfremstilling udviklingen af ​​keramiske dele til komplekse strukturer. Nye energibildele stiller stadig højere krav til vægt, plads og pålidelighed. Keramiske komponenter vil ikke kun varetage traditionelle isoleringsfunktioner, men kan også yderligere integrere funktioner såsom støtte, varmeafledning, emballering og elektrisk forbindelse.

 

Generelt er avanceret keramik blevet et vigtigt materialesystem inden for-højspændingselektricitet og effektelektronik i nye energikøretøjer. Fra det isolerende hus af højspændingsrelæer, til de keramiske kobber-beklædte substrater i effekthalvledermoduler til højspændingskontaktorer, isolerende lejer og metalliserede keramiske forbindelsesdele, overtager keramik flere og flere nøglefunktioner i elektrificeringsenergikøretøjsarkitekturen.

 

I fremtiden, efterhånden som nye energikøretøjer udvikler sig mod højere spænding, højere effekttæthed, højere pålidelighed og mindre størrelse, vil værdien afPræcision metalliseret aluminiumoxid keramiske komponentermaterialer vil yderligere forvandle sig fra simple isoleringsmaterialer til højtydende strukturelle og funktionelle materialer-. Den kontinuerlige udvikling af teknologier såsom materialeformulering, præcisionsstøbning, metallisering, keramik-til-metalforsegling og pålidelighedstestning vil blive et vigtigt grundlag for avanceret keramik til yderligere at komme ind i forsyningskæden af ​​kernedele i nye energikøretøjer.