Приложението и техническата стойност на модерната керамика в контекста на модернизацията на електрификацията на нови енергийни превозни средства

Трансформацията на новите енергийни превозни средства от традиционно захранване с гориво към електрическо задвижване, интелигентно управление и електрически системи за високо-напрежение не само промени силовата структура на превозното средство, но също така насърчи надграждането на материалите на ключови компоненти като релета за високо-напрежение, силови полупроводници, лагери на мотори и електронни системи за управление. С непрекъснатото развитие на платформи за 800 V и по-високо напрежение, електрически задвижващи системи с висока -плътност на мощността и технологии за бързо зареждане и разреждане, компонентите също са изправени пред по-високи изисквания за напрежение, ток, температура, честота и надеждност.

 

В този процес усъвършенстваната керамика постепенно се разшири от традиционните структурни материали до-електричество с високо напрежение, силова електроника и задвижващи системи за нови енергийни превозни средства благодарение на тяхната висока диелектрична якост, устойчивост на висока температура, устойчивост на корозия, висока механична якост и добра стабилност на размерите. Приложението му се фокусира върху високо{2}}превключвателни устройства за постоянен ток, силови полупроводникови опаковки, керамични-контактори за високо напрежение и изолирани от двигател лагери.

 

 

 

Електрическата-система за високо напрежение на новите енергийни превозни средства обикновено изисква релета или контактори за постигане на свързване, разединяване и безопасно изолиране между батерията и вериги с високо{1}}напрежение като инвертори, двигатели и системи за зареждане. В сравнение с автомобилните електрически системи с ниско-напрежение, превключването в среда с постоянен ток с високо-напрежение е по-сложно. Особено при прекъсване на вериги при условия на висок ток има вероятност да се появят дъги между контактите, което поставя по-високи изисквания към изолационната структура и възможностите-за гасене на дъгата.

 

Керамичните материали имат отлични електроизолационни свойства и устойчивост на висока температура и могат да се използват в изолационни черупки, изолационни ръкави и уплътнителни структури във високо-волтови релета и контактори за постоянен ток. Чрез надеждното уплътняване на керамични и метални материали може да се формира относително затворено вътрешно работно пространство, за да се поддържа стабилна изолация между -проводящите компоненти с високо напрежение и външната структура, като същевременно се осигуряват необходимите условия за уплътняване на дъгогасителната среда.

 

В -превключващите устройства за високо напрежение алуминиевата керамика е един от най-разпространените изолационни материали. Алуминиевите системи с различна чистота и нива на производителност могат да бъдат допълнително избрани въз основа на различни нива на напрежение, механична якост, термични свойства и изисквания за размер. За части, които трябва да отговарят едновременно на изискванията за изолация, механична опора и метално уплътнение, метализираната керамика с алуминиев оксид може да постигне надеждни връзки между керамика и метали чрез процеси на метализиране на керамичната повърхност и спояване.

 

Стойността на керамичните материали в такива продукти не се ограничава до изолацията. Преходна топлина и механично напрежение ще се генерират по време на работа на контактори с високо-напрежение, така че керамичната обвивка също трябва да има добра термична стабилност, стабилност на размерите и устойчивост на термичен удар. Изборът на материал, структурният дизайн и процесът на метализация трябва да бъдат изчерпателно проектирани въз основа на действителните изисквания за работно напрежение, ток, температура и живот.

 

 

 

Едно от ядрата на системата за електрическо задвижване на превозни средства с нова енергия е захранващият електронен контролер, чиято основна функция е да завърши ефективното преобразуване между DC мощността на захранващата батерия и AC мощността, необходима на двигателя. Тъй като плътността на мощността на електрическите задвижващи системи се увеличава, силовите полупроводникови устройства трябва да издържат на по-високи токове и по-чести термични цикли. Следователно опаковъчните материали трябва не само да имат добри изолационни свойства, но също така трябва да вземат предвид разсейването на топлината, механичната якост и съвпадението на топлинното разширение.

 

Керамичните медни -основи обикновено се състоят от медни слоеве, керамични изолационни слоеве и медни слоеве. Керамичният слой е отговорен за електрическата изолация и механичните поддържащи функции, а медният слой е отговорен за предаването на ток, свързването на чипа и разсейването на топлината. В сравнение с чистите органични изолационни материали, керамичните субстрати могат да поддържат стабилни електрически и механични свойства в среда с по-висока температура, което ги прави подходящи за силови електронни модули с висока -мощност-плътност.

 

Обичайните керамични материали, използвани в момента в модулите за захранване на нови енергийни превозни средства, включват алуминиев оксид, алуминиев нитрид и силициев нитрид. Алуминиевият оксид има характеристиките на относително умерена цена, добра изолация и зрял процес; алуминиевият нитрид има висока топлопроводимост и има предимства в сценарии с високи изисквания за разсейване на топлината; силициевият нитрид има висока механична якост, термична стабилност и устойчивост на термичен цикъл и е по-подходящ за приложения в силова електроника, които изискват висока дългосрочна-надеждност.

 

Тъй като новите енергийни модули за захранване на превозни средства се развиват към високо напрежение, висок ток и миниатюризация, търсенето на високо-прецизни керамични метализирани компоненти като Precision Metallized Ceramics също се увеличи. Метализиращият слой върху керамичната повърхност трябва да има добра якост на адхезия и стабилни електрически свойства и да може да издържи на напрежението, генерирано по време на последващо заваряване, спояване и термичен цикъл.

 

За силовите полупроводникови опаковки съответствието на коефициента на топлинно разширение между керамичния материал и медния слой е много важно. По време на реална работа новите енергийни превозни средства ще изпитват потегляне, ускорение, спиране, бързо зареждане и различни температурни промени в околната среда, а захранващият модул многократно ще изпитва нагряване и охлаждане. Ако разликата в топлинното разширение между материалите е твърде голяма, дългосрочният-термичен цикъл може да причини умора на интерфейса, пукнатини или разслояване, като по този начин повлияе на живота на модула.

 

Следователно дизайнът на керамичното опаковане на модулите за захранване на нови енергийни превозни средства трябва да вземе предвид топлопроводимостта, изолационната якост, механичната якост, съвпадението на термичното разширение и точността на обработка в същото време и не може просто да разчита на определени характеристики на материала като основа за избор.

 

 

Самата керамика има отлични изолационни свойства, но в действителните електронни устройства керамиката обикновено трябва да бъде свързана към метални проводници, електроди или опаковъчни структури. Поради това метализирането на керамичната повърхност се превърна във важен процес за постигане на надеждна комбинация от керамика и метали.

 

Основната идея на керамичната метализация е да се образува метален слой с определена дебелина и сила на сцепление върху керамичната повърхност, така че да може да бъде допълнително запоен, заварен или подложен на друга обработка на свързване. Метализираният слой не само трябва да има добра електрическа проводимост, но също така трябва да образува стабилна интерфейсна връзка с керамичната матрица.

 

За -устройства с високо напрежение на нови енергийни превозни средства надеждността на метализиращия слой пряко влияе върху херметичността, изолационните характеристики и механичната стабилност на структурата на опаковката. Например, керамичният изолатор вътре в -релето за високо напрежение трябва да образува надеждна връзка с металната обвивка; керамичният субстрат в силовия полупроводников модул трябва да образува стабилна връзка с медния слой.

 

Сред високо{0}}прецизните електронни компоненти, прецизното машинно обработване на алуминиеви керамични части може допълнително да отговори на сложните изисквания за размер, толеранс, местоположение на отвора и точност на челната повърхност. За -устройства с високо напрежение за нови енергийни превозни средства, керамичните части често трябва да отговарят на изискванията за миниатюризация, сложна структура и висока надеждност в същото време. Следователно подготовката на материала и прецизната обработка трябва да се контролират съвместно.

 

 

 

Контакторът за високо-напрежение е важен превключващ компонент в електрическата система за-високо напрежение на превозни средства с нова енергия. Основната му функция е да контролира превключването на вериги с високо-напрежение по време на стартиране, спиране, зареждане и защита при повреда. Тъй като захранващите батерии за нови енергийни превозни средства обикновено използват постоянно напрежение от стотици волта или дори по-високо, контакторите за високо-напрежение трябва да поддържат надеждна работа при високо електрическо напрежение.

 

Керамичните корпуси на HVDC контактори обикновено изпълняват множество функции като вътрешна изолация, структурна опора и уплътнение. Керамичните корпуси трябва да поддържат стабилна изолация в среди с високо-напрежение, като същевременно издържат на вътрешни температурни промени и механични натоварвания.

 

-Контакторите за високо напрежение обикновено използват керамични и метални уплътнителни структури. Зоната на свързване между керамика и метал е един от ключовете за надеждността на цялото устройство. Ако има дефекти в уплътняващия интерфейс, могат да възникнат пукнатини, течове и други проблеми под действието на дългосрочни-термични цикли, механични вибрации или вътрешни промени в налягането.

 

Следователно производството на керамични-контактори за високо напрежение обикновено изисква фокусиране върху контролирането на чистотата на керамичните материали, качеството на синтероване, точността на размерите, качеството на метализиращия слой и якостта на запечатване на керамичния-метал. За продукти с висока-надеждност също се изисква проверка на херметичност, електрическа изолация, устойчивост на напрежение и термичен цикъл.

 

От гледна точка на инженерството на материалите, свързването на керамика-към-метал не е проста механична комбинация, а включва множество фактори като коефициент на топлинно разширение на материала, омокряемост на интерфейса, избор на спойка, температура на запечатване и контрол на остатъчното напрежение. Само чрез постигане на стабилна комбинация от керамични и метални интерфейси може да се осигури надеждността на уплътнението и изолацията на устройства с високо-напрежение при дългосрочна-експлоатация.

 

 

Задвижващите двигатели на нови енергийни превозни средства обикновено имат високи скорости на въртене и има сложна електромагнитна среда вътре в двигателя. В сравнение с традиционните механични системи, в допълнение към поемането на радиални и аксиални натоварвания, новите лагери на моторни превозни средства с енергия също трябва да се сблъскват с проблеми като високо-скоростно въртене, повишаване на температурата, ток и електрическа корозия.

 

Традиционните метални лагери могат да генерират токове на вала при определени условия на работа на двигателя. Когато токът преминава през вътрешността на лагера, може да се образува дъгово разреждане в контактната зона между търкалящия елемент и пътеката, причинявайки точкова корозия, ерозия и повърхностни повреди, което в крайна сметка засяга живота на лагера.

 

Керамичните търкалящи се елементи имат характеристиките на ниска плътност, висока твърдост, добра устойчивост на износване и отлични електроизолационни свойства. Следователно хибридните керамични лагери имат определена стойност за приложение във високо-двигатели и електрифицирани енергийни системи. Комбинацията от керамични търкалящи се елементи и метални накрайници може да намали качеството на търкалящите се елементи, като същевременно запази структурната здравина на лагера и подобри свойствата на триене и електрическата изолация при високо-скоростни работни условия.

 

Изискванията за лагерите в двигателите на нови енергийни превозни средства също насърчиха разработването на керамични компоненти с висока-производителност като високо-здрави метализирани керамични компоненти. Въпреки че метализираната керамика и лагерите на двигателя принадлежат към различни видове приложения, те въплъщават една и съща тенденция за развитие на материалите, която е да се решат ограниченията на производителността на традиционните метални материали при специфични работни условия чрез изолацията, високата якост и устойчивостта на висока температура на керамичните материали.

 

 

Тъй като платформата за напрежение на новите енергийни превозни средства продължава да се подобрява, обхватът на приложение на усъвършенстваната керамика постепенно се разширява от единични изолационни компоненти до високо{0}}превключватели, захранващи модули, сензори, свързващи структури и компоненти,-свързани с управление на топлината.

 

В -електрическите компоненти с високо напрежение метализираната алуминиева керамика за електрически компоненти може да постигне интегриране на функциите за изолация, проводимост и механично свързване чрез комбинация от керамична изолационна матрица и метализирани проводими слоеве. Тази структура е особено подходяща за електрически компоненти с ограничено пространство и високи изисквания за изолация.

 

За високо-устройства с напрежение, които изискват по-висока точност на размерите, прецизните метализирани алуминиеви керамични компоненти могат да комбинират прецизно формоване, синтероване, метализиране и процеси на машинна обработка, за да отговорят на сложни структури и изисквания за високо-прецизен монтаж. Новите енергийни автомобилни части продължават да се развиват към миниатюризация, леко тегло и висока плътност на мощността, което също прави контрола на размерите и последователността на обработката на керамичните части по-важни.

 

От друга страна, тъй като работното напрежение и честотата на превключване на силовите полупроводници се увеличават, керамичните изолационни материали също трябва да се изправят пред по-висок интензитет на електрическото поле и по-бързи скорости на промяна на напрежението. Конструкции като метализирани керамични изолационни тръби и метализирани керамични части могат да се използват за специални електрически компоненти, които изискват както изолация, проводимо свързване, така и функции за капсулиране, осигурявайки по-компактни структурни решения за електрически системи с високо-напрежение.

 

 

 

Прилагането на усъвършенствана керамика в нови енергийни превозни средства не е проста подмяна на материала, а систематичен проект, включващ материали, структури, процеси и проверка на надеждността.

 

Първо, подходящи керамични материали трябва да бъдат избрани въз основа на работно напрежение, температура, ток, механично натоварване и условия на околната среда. Второ, процесите на формоване, синтероване, прецизна обработка и повърхностна метализация трябва да се определят в съответствие със структурата на компонента. За устройства за запечатване под високо{2}}налягане трябва допълнително да се вземе предвид съвпадението на термичното разширение между керамични и метални материали и остатъчното напрежение при запечатване.

 

За силовата електроника керамичните субстрати също изискват фокус върху живота на топлинния цикъл и надеждността на интерфейса. Тъй като новите енергийни превозни средства постепенно се развиват от традиционните IGBT до високо{1}}производителни широколентови-силови полупроводници, скоростта на превключване и плътността на мощността на силовите модули продължават да се увеличават, а изискванията за изолационни материали и опаковъчни структури също ще се увеличават допълнително.

 

Усъвършенстваните керамични части за метализация с висока чистота на алуминиев оксид са подходящи за специални електронни компоненти, които изискват висока чистота, изолационни характеристики, точност на размерите и надеждност на метализирането. Такива продукти обикновено изискват пълен контрол на процеса от керамичен прах, формоване, синтероване до прецизна машинна обработка и метализация.

 

 

От гледна точка на цялостната посока на технологично развитие на новите енергийни превозни средства, прилагането на усъвършенствана керамика представя главно три тенденции.

 

Първо, високото напрежение увеличава търсенето на изолационна керамика. С постепенното прилагане на платформи за 800 V и по-високо напрежение, изискванията за изолационни материали в-контактори за високо напрежение, релета, захранващи модули и системи за зареждане продължават да нарастват. Керамичните материали имат висока диелектрична якост и устойчивост на топлина, така че имат добра основа за приложение в електрически компоненти с високо{4}}напрежение.

 

Второ, високата плътност на мощността стимулира надграждането на керамичните опаковъчни материали. Системите за електрическо задвижване на нови енергийни превозни средства трябва да постигнат по-висока изходна мощност в по-малко пространство, а плътността на топлинния поток на силовите полупроводници продължава да се увеличава. Следователно керамичните субстрати и опаковъчните материали с добра топлопроводимост и механична надеждност ще получат повече внимание.

 

Трето, прецизното производство насърчава развитието на керамичните части в сложни структури. Новите енергийни автомобилни части имат все по-високи изисквания за тегло, пространство и надеждност. Керамичните компоненти не само ще поемат традиционните изолационни функции, но могат също така допълнително да интегрират функции като опора, разсейване на топлината, опаковане и електрическо свързване.

 

Като цяло усъвършенстваната керамика се превърна във важна материална система в-полетата на електричеството и силовата електроника с високо напрежение на превозни средства с нова енергия. От изолационните корпуси на релета за високо-напрежение до облечените с керамична мед-субстрати в силови полупроводникови модули до контактори за високо-напрежение, изолационни лагери и свързващи части от метализирана керамика, керамиката поема все повече и повече ключови функции в архитектурата на електрификацията на превозни средства с нова енергия.

 

В бъдеще, когато новите енергийни превозни средства се развиват към по-високо напрежение, по-висока плътност на мощността, по-висока надеждност и по-малък размер, стойността наПрецизни метализирани керамични компоненти от алуминийматериалите допълнително ще се трансформират от прости изолационни материали във високо{0}}структурни и функционални материали. Непрекъснатият напредък на технологии като формулиране на материали, прецизно формоване, метализация, запечатване на керамика-към-метал и тестване за надеждност ще се превърне във важна основа за по-нататъшното навлизане на усъвършенстваната керамика във веригата за доставки на основни части на нови енергийни превозни средства.