Primjena i tehnička vrijednost napredne keramike u kontekstu nadogradnje elektrifikacije novih energetskih vozila

Transformacija novih energetskih vozila s tradicionalnog pogona na gorivo u električni pogon, inteligentnu kontrolu i visoko{0}}naponske električne sustave nije samo promijenila strukturu napajanja vozila, već je također promovirala materijalnu nadogradnju ključnih komponenti kao što su visoko-naponski releji, energetski poluvodiči, ležajevi motora i elektronički kontrolni sustavi. Uz kontinuirani razvoj platformi od 800 V i višeg napona, električnih pogonskih sustava visoke-gustoće snage i tehnologija brzog punjenja i pražnjenja, komponente se također suočavaju sa zahtjevima za višim naponom, strujom, temperaturom, frekvencijom i pouzdanošću.

 

U tom se procesu napredna keramika postupno proširila s tradicionalnih konstrukcijskih materijala na visoko{0}}elektriku, energetsku elektroniku i pogonske sustave za nova energetska vozila zahvaljujući svojoj visokoj dielektričnoj čvrstoći, otpornosti na visoke temperature, otpornosti na koroziju, visokoj mehaničkoj čvrstoći i dobroj stabilnosti dimenzija. Njegova je primjena usredotočena na visoko{2}}naponske sklopne uređaje istosmjerne struje, pakiranje energetskih poluvodiča, keramičke visokonaponske kontaktore-i motorno izolirane ležajeve.

 

 

 

Visok{0}}električni sustav novih energetskih vozila obično zahtijeva releje ili kontaktore za postizanje veze, odspajanja i sigurne izolacije između baterije i visoko{1}}naponskih krugova kao što su pretvarači, motori i sustavi punjenja. U usporedbi s nisko{3}}naponskim automobilskim električnim sustavima, prebacivanje u visoko-naponskim DC okruženjima je složenije. Pogotovo pri odspajanju strujnih krugova pod uvjetima visoke struje, vjerojatno će se pojaviti luk između kontakata, što postavlja veće zahtjeve za strukturu izolacije i sposobnost-gašenja luka.

 

Keramički materijali imaju izvrsna električna izolacijska svojstva i otpornost na visoke temperature te se mogu koristiti u izolacijskim školjkama, izolacijskim rukavima i brtvenim strukturama unutar visoko{0}}naponskih DC releja i kontaktora. Pouzdanim brtvljenjem keramičkih i metalnih materijala može se formirati relativno zatvoren unutarnji radni prostor za održavanje stabilne izolacije između-komponenti koje provode visok napon i vanjske strukture, istovremeno osiguravajući potrebne uvjete brtvljenja za medij za gašenje luka.

 

U visoko{0}}naponskim sklopnim uređajima, aluminijeva keramika je jedan od najčešćih izolacijskih materijala. Sustavi glinice različitih razina čistoće i performansi mogu se dalje odabrati na temelju različitih razina napona, mehaničke čvrstoće, toplinskih svojstava i zahtjeva veličine. Za dijelove koji moraju zadovoljiti zahtjeve izolacije, mehaničke potpore i metalnog brtvljenja u isto vrijeme, Alumina Metallized Ceramics može postići pouzdane veze između keramike i metala putem keramičke površinske metalizacije i procesa lemljenja.

 

Vrijednost keramičkih materijala u takvim proizvodima nije ograničena na izolaciju. Tijekom rada visoko{1}}naponskih kontaktora stvarat će se prijelazna toplina i mehaničko naprezanje, tako da keramički omotač također mora imati dobru toplinsku stabilnost, dimenzijsku stabilnost i otpornost na toplinski udar. Odabir materijala, konstrukcijski dizajn i proces metalizacije moraju biti sveobuhvatno dizajnirani na temelju stvarnih zahtjeva za radnim naponom, strujom, temperaturom i vijekom trajanja.

 

 

 

Jedna od jezgri sustava električnog pogona vozila s novom energijom je elektronički regulator snage, čija je glavna funkcija dovršiti učinkovitu pretvorbu između istosmjerne snage akumulatorske baterije i izmjenične struje potrebne motoru. Kako se gustoća snage električnih pogonskih sustava povećava, energetski poluvodički uređaji moraju izdržati veće struje i češće toplinske cikluse. Stoga materijali za pakiranje moraju imati ne samo dobra izolacijska svojstva, već moraju uzeti u obzir i disipaciju topline, mehaničku čvrstoću i usklađenost toplinske ekspanzije.

 

Keramičke bakrene-podloge obično se sastoje od bakrenih slojeva, keramičkih izolacijskih slojeva i bakrenih slojeva. Keramički sloj je odgovoran za električnu izolaciju i mehaničke potporne funkcije, a bakreni sloj je odgovoran za prijenos struje, spajanje čipa i odvođenje topline. U usporedbi s čistim organskim izolacijskim materijalima, keramičke podloge mogu održavati stabilna električna i mehanička svojstva u okruženjima s višim temperaturama, što ih čini prikladnima za energetske elektroničke module visoke-napajanja-gustoće.

 

Uobičajeni keramički materijali koji se trenutno koriste u pogonskim modulima novih energetskih vozila uključuju aluminijev oksid, aluminijev nitrid i silicijev nitrid. Aluminijev oksid ima karakteristike relativno umjerene cijene, dobru izolaciju i zreo proces; aluminijev nitrid ima visoku toplinsku vodljivost i ima prednosti u scenarijima s visokim zahtjevima za rasipanje topline; silicijev nitrid ima visoku mehaničku čvrstoću, toplinsku stabilnost i otpornost na toplinske cikluse te je prikladniji za primjene energetske elektronike koje zahtijevaju visoku dugoročnu-pouzdanost.

 

Kako se novi energetski moduli za vozila razvijaju prema visokom naponu, visokoj struji i minijaturizaciji, potražnja za visoko-preciznim keramičkim metaliziranim komponentama kao što je Precision Metallized Ceramics također se povećala. Metalizirani sloj na keramičkoj površini mora imati dobru snagu prianjanja i stabilna električna svojstva, te mora biti u stanju izdržati naprezanje koje nastaje tijekom naknadnog zavarivanja, tvrdog lemljenja i toplinskog ciklusa.

 

Za pakiranje energetskih poluvodiča vrlo je važno uskladiti koeficijent toplinskog širenja između keramičkog materijala i bakrenog sloja. Tijekom stvarnog rada, nova energetska vozila doživjet će pokretanje, ubrzanje, kočenje, brzo punjenje i različite promjene temperature okoline, a energetski modul će opetovano doživjeti zagrijavanje i hlađenje. Ako je razlika u toplinskom širenju između materijala prevelika, dugo-termalno cikliranje može uzrokovati zamor sučelja, pukotine ili raslojavanje, što utječe na vijek trajanja modula.

 

Stoga dizajn keramičkog pakiranja pogonskih modula za nova energetska vozila treba istodobno uzeti u obzir toplinsku vodljivost, izolacijsku čvrstoću, mehaničku čvrstoću, usklađenost toplinskog širenja i točnost obrade, a ne može se jednostavno osloniti na određenu učinkovitost materijala kao osnovu za odabir.

 

 

Sama keramika ima izvrsna izolacijska svojstva, ali u stvarnim elektroničkim uređajima keramika se obično mora spojiti na metalne vodiče, elektrode ili strukturu pakiranja. Stoga je metalizacija keramičke površine postala važan proces za postizanje pouzdane kombinacije keramike i metala.

 

Osnovna ideja keramičke metalizacije je formiranje metalnog sloja određene debljine i čvrstoće prianjanja na keramičkoj površini, tako da se može dalje lemiti, zavarivati ​​ili podvrgavati drugim obradama spajanja. Metalizirani sloj ne samo da mora imati dobru električnu vodljivost, već također treba formirati stabilnu međusklopnu vezu s keramičkom matricom.

 

Za visoko{0}}naponske uređaje novih energetskih vozila, pouzdanost metaliziranog sloja izravno utječe na nepropusnost zraka, izolacijsku izvedbu i mehaničku stabilnost strukture pakiranja. Na primjer, keramički izolator unutar visoko-naponskog releja mora tvoriti pouzdanu vezu s metalnim omotačem; keramička podloga u modulu poluvodiča snage mora formirati stabilnu vezu sa slojem bakra.

 

Među visoko{0}}preciznim elektroničkim komponentama, precizna strojna obrada keramičkih dijelova od aluminijskog oksida može dodatno zadovoljiti složene zahtjeve za veličinom, tolerancijom, lokacijom rupa i točnosti čelne površine. Za visoko{2}}naponske uređaje za nova energetska vozila, keramički dijelovi često moraju zadovoljiti zahtjeve minijaturizacije, složene strukture i visoke pouzdanosti u isto vrijeme. Stoga se priprema materijala i precizna obrada moraju kontrolirati zajednički.

 

 

 

Visok{0}}naponski sklopnik važna je sklopna komponenta u-električnom sustavu visokog napona novih energetskih vozila. Njegova glavna funkcija je upravljanje prebacivanjem visoko-naponskih krugova tijekom pokretanja vozila, zaustavljanja, punjenja i zaštite od kvara. Budući da nove baterije za napajanje energetskih vozila obično koriste istosmjerne napone od stotina volti ili čak više, kontaktori visokog-napona moraju održavati pouzdan rad pod velikim električnim naprezanjem.

 

Keramička kućišta HVDC kontaktora obično obavljaju višestruke funkcije kao što su unutarnja izolacija, strukturna potpora i brtvljenje. Keramička kućišta moraju održavati stabilnu izolaciju u okruženjima visokog-napona, dok istovremeno podnose promjene unutarnje temperature i mehanička naprezanja.

 

Visok{0}}naponski kontaktori obično koriste keramičke i metalne brtvene strukture. Spojno područje između keramike i metala jedan je od ključeva pouzdanosti cijelog uređaja. Ako postoje nedostaci u spoju za brtvljenje, mogu se pojaviti pukotine, curenja i drugi problemi pod djelovanjem dugotrajnih-termalnih ciklusa, mehaničkih vibracija ili unutarnjih promjena tlaka.

 

Stoga proizvodnja keramičkih visokonaponskih-kontaktora obično zahtijeva fokusiranje na kontrolu čistoće keramičkih materijala, kvalitete sinteriranja, točnosti dimenzija, kvalitete sloja metalizacije i čvrstoće brtvljenja keramičkih-metala. Za proizvode visoke-pouzdanosti također je potrebna provjera nepropusnosti za zrak, električne izolacije, naponske otpornosti i toplinskog ciklusa.

 

Iz perspektive inženjerstva materijala, spajanje keramike-na-metal nije jednostavna mehanička kombinacija, već uključuje više čimbenika kao što su koeficijent toplinskog širenja materijala, mogućnost vlaženja sučelja, izbor lemljenja, temperatura brtvljenja i kontrola zaostalog naprezanja. Samo postizanjem stabilne kombinacije keramičkih i metalnih sučelja može se osigurati pouzdanost brtvljenja i izolacije visoko{3}}naponskih uređaja u dugotrajnom-radu.

 

 

Pogonski motori novih energetskih vozila obično imaju velike brzine vrtnje, a unutar motora postoji složeno elektromagnetsko okruženje. U usporedbi s tradicionalnim mehaničkim sustavima, osim podnošenja radijalnih i aksijalnih opterećenja, ležajevi motora novih energetskih vozila također se moraju suočiti s problemima kao što su velika-brzina rotacije, porast temperature, struja i električna korozija.

 

Tradicionalni metalni ležajevi mogu generirati struju osovine pod određenim radnim uvjetima motora. Kada struja prolazi kroz unutrašnjost ležaja, može se stvoriti lučno pražnjenje u kontaktnom području između kotrljajućeg elementa i staze, uzrokujući rupičastu koroziju, eroziju i oštećenje površine, što u konačnici utječe na vijek trajanja ležaja.

 

Keramička kotrljajuća tijela imaju karakteristike niske gustoće, visoke tvrdoće, dobre otpornosti na habanje i izvrsna svojstva električne izolacije. Stoga hibridni keramički ležajevi imaju određenu vrijednost primjene u-motorima velike brzine i elektrificiranim energetskim sustavima. Kombinacija keramičkih kotrljajućih elemenata i metalnih prstenova može smanjiti kvalitetu kotrljajućih elemenata uz zadržavanje strukturalne čvrstoće ležaja i poboljšati trenje i električna izolacijska svojstva u radnim uvjetima velike -brzine.

 

Zahtjevi za ležajeve u motorima novih energetskih vozila također su potaknuli razvoj visoko{0}}keramičkih komponenti kao što su metalizirane keramičke komponente visoke-čvrstoće. Iako metalizirana keramika i ležajevi motora pripadaju različitim vrstama primjena, oni utjelovljuju isti trend razvoja materijala, a to je rješavanje ograničenja performansi tradicionalnih metalnih materijala u specifičnim radnim uvjetima kroz svojstva izolacije, visoke čvrstoće i otpornosti na visoke temperature keramičkih materijala.

 

 

Kako se naponska platforma novih energetskih vozila nastavlja poboljšavati, opseg primjene napredne keramike postupno se širi s pojedinačnih izolacijskih komponenti na visoko{0}}naponske sklopke, module napajanja, senzore, spojne strukture i-komponente povezane s upravljanjem toplinom.

 

U visoko{0}}naponskim električnim komponentama, metalizirana aluminijeva keramika za električne komponente može postići integraciju funkcija izolacije, vodljivosti i mehaničkog povezivanja kombinacijom keramičke izolacijske matrice i metaliziranih vodljivih slojeva. Ova je struktura posebno prikladna za električne komponente s ograničenim prostorom i visokim zahtjevima za izolaciju.

 

Za visokonaponske-uređaje koji zahtijevaju veću točnost dimenzija, Precision Metallized Alumina Ceramic Components mogu kombinirati procese preciznog kalupljenja, sinteriranja, metalizacije i strojne obrade kako bi se zadovoljile složene strukture i zahtjevi-preciznosti sklapanja. Novi energetski automobilski dijelovi nastavljaju se razvijati prema minijaturizaciji, laganoj težini i velikoj gustoći snage, što također čini važnijom kontrolu dimenzija i dosljednost obrade keramičkih dijelova.

 

S druge strane, kako se radni napon i frekvencija prebacivanja energetskih poluvodiča povećavaju, keramički izolacijski materijali također se moraju suočiti s većim intenzitetom električnog polja i bržim stopama promjene napona. Strukture kao što su metalizirane keramičke izolacijske cijevi i metalizirani keramički dijelovi mogu se koristiti za posebne električne komponente koje zahtijevaju i izolaciju, vodljivo povezivanje i funkcije inkapsulacije, pružajući kompaktnija strukturna rješenja za visoko-naponske električne sustave.

 

 

 

Primjena napredne keramike u novim energetskim vozilima nije jednostavna zamjena materijala, već sustavni projekt koji uključuje materijale, strukture, procese i provjeru pouzdanosti.

 

Prvo je potrebno odabrati odgovarajuće keramičke materijale na temelju radnog napona, temperature, struje, mehaničkog opterećenja i uvjeta okoline. Drugo, procesi kalupljenja, sinteriranja, precizne strojne obrade i površinske metalizacije moraju se odrediti prema strukturi komponente. Za -uređaje za brtvljenje pod visokim pritiskom mora se dodatno razmotriti usklađivanje toplinske ekspanzije između keramičkih i metalnih materijala i zaostalog naprezanja pri brtvljenju.

 

Za energetsku elektroniku, keramičke podloge također zahtijevaju fokus na toplinski ciklus i pouzdanost sučelja. Kako se nova energetska vozila postupno razvijaju od tradicionalnih IGBT-ova do visoko{1}}učinkovitih-pojasnih poluvodiča, brzina prebacivanja i gustoća snage energetskih modula nastavljaju rasti, a zahtjevi za izolacijskim materijalima i strukturama pakiranja također će se dodatno povećavati.

 

Precizni napredni keramički metalizirani dijelovi od aluminijevog oksida visoke čistoće prikladni su za posebne elektroničke komponente koje zahtijevaju visoku čistoću, izolacijsku izvedbu, točnost dimenzija i pouzdanost metalizacije. Takvi proizvodi obično zahtijevaju potpunu kontrolu procesa od keramičkog praha, kalupljenja, sinteriranja do precizne strojne obrade i metalizacije.

 

 

Iz perspektive cjelokupnog smjera tehnološkog razvoja novih energetskih vozila, primjena napredne keramike uglavnom predstavlja tri trenda.

 

Prvo, visoki napon povećava potražnju za izolacijskom keramikom. S postupnom primjenom platformi od 800 V i viših napona, zahtjevi za izolacijskim materijalima u visoko{2}}naponskim kontaktorima, relejima, modulima napajanja i sustavima punjenja i dalje rastu. Keramički materijali imaju visoku dielektričnu čvrstoću i otpornost na toplinu, tako da imaju dobru osnovu za primjenu u visoko-naponskim električnim komponentama.

 

Drugo, velika gustoća snage pokreće nadogradnju keramičkih materijala za pakiranje. Novi električni pogonski sustavi energetskih vozila moraju postići veću izlaznu snagu u manjem prostoru, a gustoća toplinskog toka energetskih poluvodiča nastavlja se povećavati. Stoga će se više pažnje posvetiti keramičkim podlogama i materijalima za pakiranje s dobrom toplinskom vodljivošću i mehaničkom pouzdanošću.

 

Treće, precizna proizvodnja potiče razvoj keramičkih dijelova u složene strukture. Novi energetski automobilski dijelovi imaju sve veće zahtjeve za težinom, prostorom i pouzdanošću. Keramičke komponente neće preuzeti samo tradicionalne izolacijske funkcije, već mogu dodatno integrirati funkcije kao što su podrška, odvođenje topline, pakiranje i električno povezivanje.

 

Općenito, napredna keramika postala je važan sustav materijala u-poljima visokonaponske električne i energetske elektronike novih energetskih vozila. Od izolacijskog kućišta visoko-naponskih releja, do keramičkih bakrenih-podloga u energetskim poluvodičkim modulima, do visoko{4}}naponskih kontaktora, izolacijskih ležajeva i metaliziranih keramičkih spojnih dijelova, keramika preuzima sve više ključnih funkcija u arhitekturi elektrifikacije novih energetskih vozila.

 

U budućnosti, kako se nova energetska vozila budu razvijala prema višem naponu, većoj gustoći snage, većoj pouzdanosti i manjoj veličini, vrijednostPrecizne metalizirane keramičke komponente od glinicematerijali će se dalje transformirati iz jednostavnih izolacijskih materijala u strukturalne i funkcionalne-materijale visokih performansi. Stalni napredak tehnologija kao što su formulacija materijala, precizno oblikovanje, metalizacija, brtvljenje keramike-na-metal i ispitivanje pouzdanosti postat će važan temelj za daljnji ulazak napredne keramike u lanac opskrbe ključnih dijelova novih energetskih vozila.