Застосування та технічна цінність передової кераміки в контексті модернізації електрифікації транспортних засобів нової енергії

Трансформація нових транспортних засобів із використанням традиційного палива на електричний привід, інтелектуальне керування й електричні системи високої-напруги не лише змінила силову структуру транспортного засобу, але й сприяла модернізації основних компонентів, таких як високо{1}}реле напруги, силові напівпровідники, підшипники двигуна й електронні системи керування. З постійним розвитком платформ напруги 800 В і вище, систем електроприводів із високою-щільністю потужності та технологій швидкого заряджання та розряджання компоненти також стикаються з вищими вимогами до напруги, струму, температури, частоти та надійності.

 

У цьому процесі передова кераміка поступово розширилася від традиційних конструкційних матеріалів до-електрики високої напруги, силової електроніки та систем приводу для транспортних засобів з новою енергією завдяки своїй високій діелектричній міцності, стійкості до високих температур, стійкості до корозії, високій механічній міцності та хорошій стабільності розмірів. Його застосування зосереджено на високовольтних комутаційних пристроях постійного струму, силових напівпровідникових упаковках, керамічних високовольтних контакторах та ізольованих підшипниках двигунів.

 

 

 

Електрична-система високої напруги нових транспортних засобів зазвичай потребує реле або контакторів для з’єднання, від’єднання та безпечної ізоляції між акумуляторною батареєю та ланцюгами високої{1}}напруги, такими як інвертори, двигуни та системи заряджання. Порівняно з низьковольтними автомобільними електричними системами, перемикання в середовищах високої-напруги постійного струму складніше. Особливо під час від’єднання ланцюгів за умов сильного струму між контактами може виникнути дуга, що висуває вищі вимоги до структури ізоляції та здатності-гасити дугу.

 

Керамічні матеріали мають відмінні електроізоляційні властивості та стійкість до високих температур і можуть використовуватися в ізоляційних оболонках, ізоляційних гільзах і ущільнювальних структурах у високо{0}}реле постійного струму та контакторах. Завдяки надійній герметизації керамічних і металевих матеріалів можна сформувати відносно закритий внутрішній робочий простір для підтримки стабільної ізоляції між -провідними компонентами високої напруги та зовнішньою структурою, одночасно забезпечуючи необхідні умови герметизації для дугогасного середовища.

 

У комутаційних пристроях високої напруги глиноземна кераміка є одним із найпоширеніших ізоляційних матеріалів. Глиноземні системи різного рівня чистоти та продуктивності можуть бути додатково обрані на основі різних рівнів напруги, механічної міцності, термічних властивостей і вимог до розміру. Для деталей, які мають одночасно відповідати вимогам щодо ізоляції, механічної опори та ущільнення металу, металізована кераміка з глинозему може досягти надійних з’єднань між керамікою та металами за допомогою процесів металізації керамічної поверхні та пайки.

 

Цінність керамічних матеріалів у таких виробах не обмежується теплоізоляцією. Під час роботи контакторів високої-напруги утворюватиметься короткочасне тепло та механічне напруження, тому керамічна оболонка також повинна мати добру термічну стабільність, стабільність розмірів і стійкість до теплового удару. Вибір матеріалу, структурний дизайн і процес металізації повинні бути комплексно розроблені на основі фактичних вимог до робочої напруги, струму, температури та терміну служби.

 

 

 

Однією з основ системи електроприводу нових транспортних засобів є електронний контролер потужності, головною функцією якого є ефективне перетворення між потужністю постійного струму від акумуляторної батареї та потужністю змінного струму, необхідної для двигуна. Зі збільшенням питомої потужності систем електроприводу силові напівпровідникові пристрої повинні витримувати більші струми та більш часті термічні цикли. Тому пакувальні матеріали повинні мати не тільки хороші ізоляційні властивості, але також повинні враховувати тепловіддачу, механічну міцність і теплове розширення.

 

Керамічні мідні-підкладки зазвичай складаються з шарів міді, шарів керамічної ізоляції та шарів міді. Керамічний шар відповідає за електроізоляцію та функції механічної підтримки, а мідний шар відповідає за передачу струму, підключення мікросхеми та розсіювання тепла. Порівняно з чистими органічними ізоляційними матеріалами, керамічні підкладки можуть зберігати стабільні електричні та механічні властивості в середовищі з високою температурою, що робить їх придатними для силових електронних модулів із високою-потужністю-.

 

Поширені керамічні матеріали, які в даний час використовуються в нових енергетичних модулях транспортних засобів, включають оксид алюмінію, нітрид алюмінію та нітрид кремнію. Оксид алюмінію має характеристики відносно помірної вартості, гарної ізоляції та зрілого процесу; нітрид алюмінію має високу теплопровідність і має переваги в сценаріях з високими вимогами до розсіювання тепла; Нітрид кремнію має високу механічну міцність, термічну стабільність і стійкість до термічних циклів і більше підходить для застосування в силовій електроніці, яка вимагає високої-тривалої надійності.

 

У міру того як нові модулі живлення для транспортних засобів з енергією розвиваються в напрямку високої напруги, високого струму та мініатюризації, попит на високо-прецизійні керамічні металізовані компоненти, такі як Precision Metallized Ceramics, також зріс. Шар металізації на керамічній поверхні повинен мати хорошу адгезійну міцність і стабільні електричні властивості, а також бути здатним протистояти напрузі, що виникає під час наступного зварювання, пайки та термічного циклу.

 

Для упаковки силових напівпровідників дуже важливим є відповідність коефіцієнта теплового розширення між керамічним матеріалом і шаром міді. Під час фактичної роботи транспортні засоби з новим енергоспоживанням будуть відчувати старт, прискорення, гальмування, швидку зарядку та різні зміни температури навколишнього середовища, а модуль живлення буде постійно нагріватися та охолоджуватися. Якщо різниця в тепловому розширенні між матеріалами надто велика, тривалий-термічний цикл може спричинити втому інтерфейсу, тріщини або розшарування, що вплине на термін служби модуля.

 

Таким чином, при розробці керамічної упаковки нових силових модулів транспортних засобів, що працюють на енергії, необхідно одночасно враховувати теплопровідність, міцність ізоляції, механічну міцність, відповідність температурного розширення та точність обробки, і не можна просто покладатися на певні характеристики матеріалу як основу для вибору.

 

 

Кераміка сама по собі має чудові ізоляційні властивості, але в реальних електронних пристроях кераміку зазвичай потрібно з’єднувати з металевими провідниками, електродами або структурою упаковки. Тому металізація керамічної поверхні стала важливим процесом для досягнення надійного поєднання кераміки та металу.

 

Основна ідея керамічної металізації полягає у формуванні металевого шару з певною товщиною та міцністю зчеплення на керамічній поверхні, щоб її можна було далі паяти, зварювати або піддавати іншій обробці з’єднання. Металізований шар не тільки повинен мати хорошу електропровідність, але також повинен утворювати стабільний міжфазний зв'язок з керамічною матрицею.

 

Для високовольтних-пристроїв транспортних засобів з новою енергією надійність шару металізації безпосередньо впливає на повітронепроникність, ізоляційні характеристики та механічну стабільність структури упаковки. Наприклад, керамічний ізолятор усередині реле високої-напруги має утворювати надійне з’єднання з металевою оболонкою; Керамічна підкладка в силовому напівпровідниковому модулі має утворити стабільний зв’язок із шаром міді.

 

Серед високо-точних електронних компонентів прецизійна обробка керамічних деталей із оксиду алюмінію може також відповідати складним вимогам до розмірів, допусків, розташування отворів і точності торцевої поверхні. Для -пристроїв високої напруги для транспортних засобів з новою енергією керамічні деталі часто мають відповідати вимогам мініатюрності, складної структури та високої надійності водночас. Тому підготовку матеріалу та точну обробку необхідно контролювати спільно.

 

 

 

Контактор-високої напруги є важливим комутаційним компонентом високовольтної електричної системи-напруги транспортних засобів. Його основною функцією є керування перемиканням ланцюгів високої-напруги під час запуску, зупинки автомобіля, заряджання та захисту від несправностей. Оскільки нові батареї транспортних засобів живлення зазвичай використовують напругу постійного струму в сотні вольт або навіть вище, контактори високої-напруги повинні підтримувати надійну роботу за високого електричного навантаження.

 

Керамічні корпуси контакторів HVDC зазвичай виконують кілька функцій, таких як внутрішня ізоляція, структурна опора та герметизація. Керамічні корпуси мають підтримувати стабільну ізоляцію в середовищі високої-напруги, витримуючи зміни внутрішньої температури та механічні навантаження.

 

У-високовольтних контакторах зазвичай використовуються керамічні та металеві ущільнювальні структури. Зона з'єднання кераміки і металу є одним із ключів до надійності всього пристрою. Якщо є дефекти в ущільнювальному розділі, тріщини, витоки та інші проблеми можуть виникнути під дією тривалих-термічних циклів, механічної вібрації або змін внутрішнього тиску.

 

Тому виробництво керамічних контакторів високої-напруги зазвичай вимагає зосередження на контролі чистоти керамічних матеріалів, якості спікання, точності розмірів, якості шару металізації та міцності ущільнення металу кераміки. Для високо-надійних продуктів також потрібна перевірка повітронепроникності, електричної ізоляції, опору напрузі та термічного циклу.

 

З точки зору розробки матеріалів, з’єднання кераміки-з-металом — це не проста механічна комбінація, а включає багато факторів, як-от коефіцієнт теплового розширення матеріалу, змочуваність поверхні, вибір припою, температуру герметизації та контроль залишкової напруги. Лише завдяки досягненню стабільної комбінації керамічних і металевих інтерфейсів можна забезпечити надійність ущільнення й ізоляції високовольтних-пристроїв у -тривалій експлуатації.

 

 

Привідні двигуни транспортних засобів на новій енергії зазвичай мають високі швидкості обертання, і всередині двигуна існує складне електромагнітне середовище. Порівняно з традиційними механічними системами, окрім радіальних і осьових навантажень, підшипники двигунів нових енергетичних транспортних засобів також мають стикатися з такими проблемами, як висока-швидкість обертання, підвищення температури, струм і електрична корозія.

 

Традиційні металеві підшипники можуть створювати струми на валу за певних умов роботи двигуна. Коли струм проходить через внутрішню частину підшипника, у зоні контакту між елементом кочення та доріжкою кочення може утворюватися дуговий розряд, що спричиняє точкову корозію, ерозію та пошкодження поверхні, що в кінцевому підсумку впливає на термін служби підшипника.

 

Керамічні тіла кочення мають низьку щільність, високу твердість, хорошу зносостійкість і відмінні електроізоляційні властивості. Тому гібридні керамічні підшипники мають певну цінність застосування у високошвидкісних-двигунах та електрифікованих системах живлення. Комбінація керамічних тіл кочення та металевих наконечників може знизити якість тіл кочення, зберігаючи структурну міцність підшипника, а також покращити властивості тертя та електроізоляційні властивості за високих-швидкісних умов роботи.

 

Вимоги до підшипників у двигунах транспортних засобів з новою енергією також сприяли розробці високо-керамічних компонентів, таких як високо-металізовані керамічні компоненти. Хоча металізована кераміка та підшипники двигунів належать до різних типів застосувань, вони втілюють ту саму тенденцію розвитку матеріалів, яка полягає у вирішенні обмежень щодо продуктивності традиційних металевих матеріалів у конкретних робочих умовах за рахунок ізоляції, високої міцності та стійкості до високих температур керамічних матеріалів.

 

 

У міру вдосконалення платформи напруги в транспортних засобах на новій енергії сфера застосування вдосконаленої кераміки поступово розширюється від окремих ізоляційних компонентів до перемикачів високої-напруги, модулів живлення, датчиків, з’єднувальних структур і-компонентів, пов’язаних із керуванням температурою.

 

У -електричних компонентах високої напруги металізована глиноземна кераміка для електричних компонентів може досягти інтеграції функцій ізоляції, провідності та механічного з’єднання завдяки поєднанню керамічної ізоляційної матриці та металізованих провідних шарів. Ця структура особливо підходить для електричних компонентів з обмеженим простором і високими вимогами до ізоляції.

 

Для високо-пристроїв напруги, які вимагають вищої точності розмірів, Precision Metallized Alumina Ceramic Components може поєднувати точні процеси формування, спікання, металізації та механічної обробки, щоб відповідати складним структурам і вимогам високої-точності складання. Автомобільні деталі з новими джерелами енергії продовжують розвиватися в напрямку мініатюризації, легкої ваги та високої щільності потужності, що також робить важливішим контроль розмірів і узгодженість обробки керамічних деталей.

 

З іншого боку, оскільки робоча напруга та частота перемикання силових напівпровідників зростають, керамічні ізоляційні матеріали також повинні стикатися з більш високою інтенсивністю електричного поля та швидшою швидкістю зміни напруги. Такі конструкції, як металізовані керамічні ізоляційні труби та металізовані керамічні частини, можна використовувати для спеціальних електричних компонентів, які вимагають одночасно ізоляції, провідного з’єднання та функцій інкапсуляції, забезпечуючи більш компактні структурні рішення для високо-електричних систем напруги.

 

 

 

Застосування вдосконаленої кераміки в транспортних засобах, що працюють на новій енергії, — це не проста заміна матеріалу, а систематичний проект, що включає матеріали, конструкції, процеси та перевірку надійності.

 

По-перше, необхідно вибрати відповідні керамічні матеріали на основі робочої напруги, температури, струму, механічного навантаження та умов навколишнього середовища. По-друге, процеси формування, спікання, точної механічної обробки та металізації поверхні необхідно визначати відповідно до структури компонента. Для -ущільнювальних пристроїв під високим тиском слід додатково враховувати теплове розширення між керамічними та металевими матеріалами та залишкову напругу ущільнення.

 

Для силової електроніки керамічні підкладки також вимагають зосередження на довговічності теплового циклу та надійності інтерфейсу. У міру того, як нові енерготранспортні засоби поступово розвиваються від традиційних IGBT до високо-широкозонних-силових напівпровідників, швидкість комутації та щільність потужності силових модулів продовжують зростати, а також зростатимуть вимоги до ізоляційних матеріалів і структур упаковки.

 

Керамічні металізовані деталі High Purity Alumina Precision підходять для спеціальних електронних компонентів, які потребують високої чистоти, ізоляції, точності розмірів і надійності металізації. Такі продукти зазвичай вимагають повного контролю процесу від керамічного порошку, формування, спікання до точної механічної обробки та металізації.

 

 

З точки зору загального напрямку технологічного розвитку транспортних засобів з новою енергією, застосування передової кераміки в основному представляє три тенденції.

 

По-перше, висока напруга підвищує попит на ізоляційну кераміку. З поступовим впровадженням платформ напруги 800 В і вище вимоги до ізоляційних матеріалів у високовольтних контакторах, реле, модулях живлення та системах заряджання продовжують зростати. Керамічні матеріали мають високу діелектричну міцність і термостійкість, тому вони мають хорошу основу для застосування в електричних компонентах високої-напруги.

 

По-друге, висока щільність потужності стимулює модернізацію керамічних пакувальних матеріалів. Системи електроприводу нових енергетичних транспортних засобів повинні досягати більшої вихідної потужності в меншому просторі, а щільність теплового потоку силових напівпровідників продовжує зростати. Тому більше уваги буде приділятися керамічним підкладкам і пакувальних матеріалів з хорошою теплопровідністю і механічною надійністю.

 

По-третє, точне виробництво сприяє розвитку складних структур із керамічних деталей. Автомобільні запчастини нових джерел енергії висувають дедалі вищі вимоги до ваги, простору та надійності. Керамічні компоненти виконуватимуть не тільки традиційні ізоляційні функції, але також можуть інтегрувати такі функції, як підтримка, розсіювання тепла, упаковка та електричне підключення.

 

Загалом, вдосконалена кераміка стала важливою системою матеріалів у-високовольтній електриці та силовій електроніці нових транспортних засобів. Від ізоляційних корпусів реле високої-напруги до покритих керамікою-міді підкладок у силових напівпровідникових модулях, до контакторів високої{4}}напруги, ізоляційних підшипників і металізованих керамічних з’єднувальних частин, кераміка бере на себе все більше і більше ключових функцій в архітектурі електрифікації нових транспортних засобів.

 

У майбутньому, у міру того, як транспортні засоби нових джерел енергії розвиватимуться до вищої напруги, вищої щільності потужності, вищої надійності та меншого розміру, значенняТочні керамічні компоненти з металізованого оксиду алюмініюматеріали далі перетворюватимуться з простих ізоляційних матеріалів на високо-конструкційні та функціональні матеріали. Постійне вдосконалення таких технологій, як формулювання матеріалів, точне формування, металізація, ущільнення кераміки-до-металу та тестування на надійність стануть важливою основою для подальшого входження передової кераміки в ланцюжок постачання основних частин нових транспортних засобів.