Tillämpningen och det tekniska värdet av avancerad keramik i samband med elektrifieringsuppgradering av nya energifordon

Omvandlingen av nya energifordon från traditionell bränslekraft till elektrisk drivning, intelligent styrning och hög-elektriska system har inte bara förändrat fordonets kraftstruktur utan också främjat materialuppgraderingen av nyckelkomponenter som hög-spänningsreläer, krafthalvledare, motorlager och elektroniska styrsystem. Med den kontinuerliga utvecklingen av 800V och högre spänningsplattformar, elektriska drivsystem med-hög effekttäthet och snabbladdnings- och urladdningstekniker, möter komponenter också högre krav på spänning, ström, temperatur, frekvens och tillförlitlighet.

 

I denna process har avancerad keramik gradvis expanderat från traditionella strukturella material till hög-elektricitet, kraftelektronik och drivsystem för nya energifordon på grund av deras höga dielektriska hållfasthet, höga temperaturbeständighet, korrosionsbeständighet, höga mekaniska hållfasthet och goda dimensionsstabilitet. Dess applikation fokuserar på hög-DC-omkopplingsenheter, effekthalvledarpaket, keramiska högspänningskontaktorer och motorisolerade lager.

 

 

 

Det elektriska-högspänningssystemet i nya energifordon kräver vanligtvis reläer eller kontaktorer för att uppnå anslutning, frånkoppling och säker isolering mellan batteripaketet och högspänningskretsar som växelriktare, motorer och laddningssystem. Jämfört med elektriska system för låg-lågspänning är växling i högspänningslikströmsmiljöer mer komplex-. Speciellt vid frånkoppling av kretsar under höga strömförhållanden är det troligt att ljusbågar uppstår mellan kontakter, vilket ställer högre krav på isoleringsstrukturen och bågsläckningsförmågan.

 

Keramiska material har utmärkta elektriska isoleringsegenskaper och hög temperaturbeständighet och kan användas i isolerande skal, isolerande hylsor och tätningsstrukturer inuti högspännings-DC-reläer och kontaktorer. Genom pålitlig tätning av keramiska och metalliska material kan ett relativt slutet inre arbetsutrymme bildas för att upprätthålla stabil isolering mellan högspänningsledande komponenter och den yttre strukturen, samtidigt som nödvändiga tätningsförhållanden för ljusbågssläckningsmediet tillhandahålls.

 

I högspänningsomkopplingsenheter är aluminiumoxidkeramik ett av de vanligaste isoleringsmaterialen. Aluminiumoxidsystem med olika renhets- och prestandanivåer kan väljas ytterligare baserat på olika spänningsnivåer, mekanisk hållfasthet, termiska egenskaper och storlekskrav. För delar som samtidigt måste uppfylla kraven på isolering, mekaniskt stöd och metalltätning, kan Alumina Metallized Ceramics uppnå tillförlitliga kopplingar mellan keramik och metaller genom keramiska ytmetalliserings- och hårdlödningsprocesser.

 

Värdet av keramiska material i sådana produkter är inte begränsat till isolering. Övergående värme och mekanisk påfrestning kommer att genereras under driften av hög-kontaktorer, så det keramiska skalet måste också ha god termisk stabilitet, dimensionsstabilitet och termisk chockbeständighet. Materialval, strukturell design och metalliseringsprocess måste utformas helt och hållet baserat på faktisk driftspänning, ström, temperatur och livslängdskrav.

 

 

 

En av kärnorna i det elektriska drivsystemet för nya energifordon är den kraftelektroniska styrenheten, vars huvudsakliga funktion är att slutföra den effektiva omvandlingen mellan likströmmen för kraftbatteriet och den växelström som motorn kräver. När effekttätheten hos elektriska drivsystem ökar, måste krafthalvledarenheter motstå högre strömmar och mer frekventa termiska cykler. Därför måste förpackningsmaterial inte bara ha goda isoleringsegenskaper, utan måste också ta hänsyn till värmeavledning, mekanisk hållfasthet och termisk expansionsmatchning.

 

Keramiska koppar-beklädda substrat är vanligtvis sammansatta av kopparskikt, keramiska isoleringsskikt och kopparskikt. Det keramiska skiktet ansvarar för elektrisk isolering och mekaniska stödfunktioner, och kopparskiktet ansvarar för strömöverföring, spånkoppling och värmeavledning. Jämfört med rena organiska isoleringsmaterial kan keramiska substrat bibehålla stabila elektriska och mekaniska egenskaper i miljöer med högre temperaturer, vilket gör dem lämpliga för elektroniska moduler med hög-effekt-densitet.

 

Vanliga keramiska material som för närvarande används i nya energifordonskraftmoduler inkluderar aluminiumoxid, aluminiumnitrid och kiselnitrid. Aluminiumoxid har egenskaperna för relativt måttlig kostnad, bra isoleringsförmåga och en mogen process; aluminiumnitrid har hög värmeledningsförmåga och har fördelar i scenarier med höga krav på värmeavledning; kiselnitrid har hög mekanisk hållfasthet, termisk stabilitet och termisk cykelmotstånd och är mer lämplig för kraftelektroniktillämpningar som kräver hög-tillförlitlighet på lång sikt.

 

När nya energifordonskraftmoduler utvecklas mot högspänning, hög ström och miniatyrisering har efterfrågan på hög-precisions keramiska metalliserade komponenter som Precision Metallized Ceramics också ökat. Metalliseringsskiktet på den keramiska ytan måste ha god vidhäftningsstyrka och stabila elektriska egenskaper och kunna motstå den påkänning som genereras under efterföljande svetsning, hårdlödning och termisk cykling.

 

För krafthalvledarförpackningar är det mycket viktigt att matcha den termiska expansionskoefficienten mellan det keramiska materialet och kopparskiktet. Under faktisk drift kommer nya energifordon att uppleva start, acceleration, bromsning, snabbladdning och olika miljötemperaturförändringar, och kraftmodulen kommer upprepade gånger att uppleva uppvärmning och kylning. Om skillnaden i termisk expansion mellan materialen är för stor, kan långvarig termisk cykling orsaka gränssnittsutmattning, sprickor eller delaminering, vilket påverkar modulens livslängd.

 

Därför måste den keramiska förpackningsdesignen för nya energifordonskraftmoduler ta hänsyn till värmeledningsförmåga, isoleringsstyrka, mekanisk styrka, termisk expansionsmatchning och bearbetningsnoggrannhet samtidigt, och kan inte bara lita på en viss materialprestanda som grund för valet.

 

 

Keramik i sig har utmärkta isoleringsegenskaper, men i faktiska elektroniska enheter behöver keramik vanligtvis anslutas till metallledare, elektroder eller förpackningsstrukturer. Därför har metallisering av keramiska ytor blivit en viktig process för att uppnå en pålitlig kombination av keramik och metaller.

 

Grundidén med keramisk metallisering är att bilda ett metallskikt med en viss tjocklek och vidhäftningsstyrka på den keramiska ytan, så att den kan hårdlödas, svetsas eller genomgå annan anslutningsbearbetning. Det metalliserade skiktet behöver inte bara ha god elektrisk ledningsförmåga, utan måste också bilda en stabil gränssnittsbindning med den keramiska matrisen.

 

För högspänningsenheter i nya energifordon påverkar metalliseringslagrets tillförlitlighet direkt förpackningsstrukturens lufttäthet, isoleringsprestanda och mekaniska stabilitet. Till exempel måste den keramiska isolatorn inuti hög-reläet bilda en pålitlig anslutning med metallskalet; det keramiska substratet i effekthalvledarmodulen måste bilda en stabil bindning med kopparskiktet.

 

Bland elektroniska komponenter med hög-precision kan precisionsbearbetning av keramiska delar av aluminiumoxid ytterligare uppfylla kraven på komplex storlek, tolerans, hålplacering och noggrannhetskrav för ändytan. För högspänningsenheter för nya energifordon måste keramiska delar ofta samtidigt uppfylla kraven på miniatyrisering, komplex struktur och hög tillförlitlighet. Därför måste materialberedning och precisionsbearbetning kontrolleras i samarbete.

 

 

 

En hög-högspänningskontaktor är en viktig kopplingskomponent i det elektriska-högspänningssystemet i nya energifordon. Dess huvudsakliga funktion är att styra omkopplingen av hög-högspänningskretsar under fordonets start, stopp, laddning och felskydd. Eftersom batterier för nya energifordon vanligtvis använder likspänningar på hundratals volt eller till och med högre, måste högspänningskontaktorer bibehålla tillförlitlig drift under hög elektrisk påfrestning.

 

HVDC-kontaktorkeramiska kapslingar utför vanligtvis flera funktioner såsom inre isolering, strukturellt stöd och tätning. Keramiska höljen måste bibehålla stabil isolering i hög-miljöer samtidigt som de tål inre temperaturförändringar och mekaniska påfrestningar.

 

Högspänningskontaktorer använder vanligtvis keramiska och metalltätande strukturer. Anslutningsområdet mellan keramik och metall är en av nycklarna till hela enhetens tillförlitlighet. Om det finns defekter i tätningsgränssnittet kan sprickor, läckor och andra problem uppstå under inverkan av långvariga -termiska cykler, mekaniska vibrationer eller interna tryckförändringar.

 

Därför kräver tillverkningen av keramiska högspänningskontaktorer vanligtvis fokus på att kontrollera renheten hos keramiska material, sintringskvalitet, dimensionsnoggrannhet, metalliseringslagerkvalitet och keramisk-metallförseglingshållfasthet. För hög-tillförlitliga produkter krävs också verifiering av lufttäthet, elektrisk isolering, spänningsresistans och termisk cykel.

 

Ur materialteknikens perspektiv är keramisk-till-metallanslutning inte en enkel mekanisk kombination, utan involverar flera faktorer som materialets termiska expansionskoefficient, gränssnittsvätbarhet, lödval, tätningstemperatur och restspänningskontroll. Endast genom att uppnå en stabil kombination av keramiska och metalliska gränssnitt kan tätnings- och isoleringstillförlitligheten hos högspänningsenheter säkerställas under lång-drift.

 

 

Nya energifordonsdrivmotorer har vanligtvis höga rotationshastigheter, och det finns en komplex elektromagnetisk miljö inuti motorn. Jämfört med traditionella mekaniska system, förutom att bära radiella och axiella belastningar, måste nya energifordons motorlager också möta problem som hög-rotation, temperaturökning, ström och elektrisk korrosion.

 

Traditionella metalllager kan generera axelströmmar under vissa motordriftsförhållanden. När ström passerar genom lagrets inre kan ljusbågsurladdning bildas i kontaktområdet mellan rullelementet och löpbanan, vilket orsakar gropkorrosion, erosion och ytskador, vilket i slutändan påverkar lagrets livslängd.

 

Keramiska rullelement har egenskaperna låg densitet, hög hårdhet, god slitstyrka och utmärkta elektriska isoleringsegenskaper. Därför har keramiska hybridlager ett visst tillämpningsvärde i-höghastighetsmotorer och elektrifierade kraftsystem. Kombinationen av keramiska rullelement och metallhylsor kan minska kvaliteten på rullelementen samtidigt som lagrets strukturella styrka bibehålls, och förbättra friktionen och den elektriska isoleringsegenskaperna under höghastighetsdriftsförhållanden.

 

Kraven på lager i nya energifordonsmotorer har också främjat utvecklingen av-högpresterande keramiska komponenter som hög-metalliserade keramiska komponenter. Även om metalliserad keramik och motorlager tillhör olika typer av applikationer, förkroppsligar de samma materialutvecklingstrend, vilket är att lösa prestandabegränsningarna för traditionella metallmaterial under specifika arbetsförhållanden genom keramiska materials isolering, hög hållfasthet och hög temperaturbeständighet.

 

 

När spänningsplattformen för nya energifordon fortsätter att förbättras, utökas tillämpningsomfånget för avancerad keramik gradvis från enstaka isoleringskomponenter till hög-strömbrytare, kraftmoduler, sensorer, anslutningsstrukturer och-värmehanteringsrelaterade komponenter.

 

I elektriska högspänningskomponenter kan Metallized Alumina Ceramics for Electrical Components uppnå integration av isolering, konduktivitet och mekaniska anslutningsfunktioner genom kombinationen av en keramisk isoleringsmatris och metalliserade ledande skikt. Denna struktur är särskilt lämplig för elektriska komponenter med begränsat utrymme och höga isoleringskrav.

 

För högspänningsenheter som kräver högre dimensionsnoggrannhet kan Precision Metallized Alumina Ceramic Components kombinera precisionsgjutning, sintring, metallisering och bearbetningsprocesser för att möta komplexa strukturer och hög-precisionsmonteringskrav. Nya energibildelar fortsätter att utvecklas mot miniatyrisering, lättvikt och hög effekttäthet, vilket också gör dimensionskontroll och bearbetningskonsistens av keramiska delar viktigare.

 

Å andra sidan, när driftspänningen och omkopplingsfrekvensen för krafthalvledare ökar, måste keramiska isoleringsmaterial också möta högre elektrisk fältintensitet och snabbare spänningsändringshastigheter. Strukturer som metalliserade keramiska isoleringsrör och metalliserade keramiska delar kan användas för speciella elektriska komponenter som kräver både isolering, ledande anslutning och inkapslingsfunktioner, vilket ger mer kompakta strukturella lösningar för elektriska-högspänningssystem.

 

 

 

Användningen av avancerad keramik i nya energifordon är inte en enkel materialersättning, utan ett systematiskt projekt som involverar material, strukturer, processer och tillförlitlighetsverifiering.

 

Först måste lämpliga keramiska material väljas baserat på driftspänning, temperatur, ström, mekanisk belastning och miljöförhållanden. För det andra måste gjutning, sintring, precisionsbearbetning och ytmetalliseringsprocesser bestämmas enligt komponentstrukturen. För högtrycksförseglingsanordningar måste den termiska expansionsmatchningen mellan keramiska och metalliska material och tätningsrestspänningen beaktas ytterligare.

 

För kraftelektronik kräver keramiska substrat också fokus på termisk cykellivslängd och gränssnittets tillförlitlighet. När nya energifordon gradvis utvecklas från traditionella IGBT:er till hög-prestanda breda-bandgap effekthalvledare, fortsätter omkopplingshastigheten och effekttätheten för kraftmoduler att öka, och kraven på isoleringsmaterial och förpackningsstrukturer kommer också att öka ytterligare.

 

High Purity Aluminiumoxid Precision Advanced Ceramic Metallization Parts är lämpliga för speciella elektroniska komponenter som kräver hög renhet, isoleringsprestanda, dimensionell noggrannhet och metalliseringssäkerhet. Sådana produkter kräver vanligtvis full processkontroll från keramiskt pulver, gjutning, sintring till precisionsbearbetning och metallisering.

 

 

Ur perspektivet av den övergripande tekniska utvecklingsriktningen för nya energifordon presenterar tillämpningen av avancerad keramik huvudsakligen tre trender.

 

För det första ökar högspänning efterfrågan på isolerande keramik. Med den gradvisa tillämpningen av 800V och högre spänningsplattformar fortsätter kraven på isoleringsmaterial i hög-kontaktorer, reläer, kraftmoduler och laddningssystem att öka. Keramiska material har hög dielektrisk hållfasthet och värmebeständighet, så de har en bra applikationsbas i elektriska-högspänningskomponenter.

 

För det andra driver hög effekttäthet uppgraderingen av keramiska förpackningsmaterial. Nya energidrivna fordonsdrivsystem måste uppnå högre effekt på ett mindre utrymme, och värmeflödestätheten för krafthalvledare fortsätter att öka. Därför kommer keramiska substrat och förpackningsmaterial med god värmeledningsförmåga och mekanisk tillförlitlighet att få mer uppmärksamhet.

 

För det tredje främjar precisionstillverkning utvecklingen av keramiska delar till komplexa strukturer. Nya energibildelar har allt högre krav på vikt, utrymme och tillförlitlighet. Keramiska komponenter kommer inte bara att utföra traditionella isoleringsfunktioner, utan kan också ytterligare integrera funktioner som stöd, värmeavledning, förpackning och elektrisk anslutning.

 

Sammantaget har avancerad keramik blivit ett viktigt materialsystem inom högspänningsområdet för el- och kraftelektronik i nya energifordon. Från det isolerande höljet av hög-högspänningsreläer, till de keramiska koppar-beklädda substraten i krafthalvledarmoduler, till hög-kontaktorer, isolerande lager och metalliserade keramiska anslutningsdelar, antar keramik allt fler nyckelfunktioner i elektrifieringsenergifordonsarkitekturen.

 

I framtiden, när nya energifordon utvecklas mot högre spänning, högre effekttäthet, högre tillförlitlighet och mindre storlek, kommer värdet avPrecisionsmetalliserade aluminiumoxidkeramiska komponentermaterial kommer ytterligare att förvandlas från enkla isoleringsmaterial till högpresterande strukturella och funktionella material-. Den kontinuerliga utvecklingen av teknologier som materialformulering, precisionsgjutning, metallisering, keramisk-till-metalltätning och tillförlitlighetstestning kommer att bli en viktig grund för avancerad keramik för att ytterligare komma in i leveranskedjan av kärndelar i nya energifordon.