Anvendelsen og den tekniske verdien av avansert keramikk i sammenheng med elektrifiseringsoppgradering av nye energikjøretøyer

Transformasjonen av nye energikjøretøyer fra tradisjonell drivstoffkraft til elektrisk drift, intelligent kontroll og elektriske{{0} høyspenningssystemer har ikke bare endret kraftstrukturen til kjøretøyet, men har også fremmet materialoppgraderingen av nøkkelkomponenter som høyspentreléer, krafthalvledere, motorlager og elektroniske kontrollsystemer. Med den kontinuerlige utviklingen av 800V og høyere spenningsplattformer, elektriske drivsystemer med høy-effekttetthet og hurtigladings- og utladingsteknologier, står komponenter også overfor høyere spennings-, strøm-, temperatur-, frekvens- og pålitelighetskrav.

 

I denne prosessen har avansert keramikk gradvis utvidet seg fra tradisjonelle strukturelle materialer til høyspenningselektriske, kraftelektronikk- og drivsystemer for nye energikjøretøyer på grunn av deres høye dielektriske styrke, høye temperaturmotstand, korrosjonsmotstand, høye mekaniske styrke og gode dimensjonsstabilitet. Applikasjonen fokuserer på høyspennings-DC-svitsjingsenheter, krafthalvlederemballasje, keramiske høyspentkontaktorer og motorisolerte lagre.

 

 

 

Det elektriske-høyspentsystemet til nye energikjøretøyer krever vanligvis releer eller kontaktorer for å oppnå tilkobling, frakobling og sikker isolasjon mellom batteripakken og høyspentkretser som omformere, motorer og ladesystemer. Sammenlignet med elektriske-lavspenningssystemer for biler, er svitsjing i DC-miljøer med høy-spenning mer kompleks. Spesielt når du kobler fra kretser under høye strømforhold, vil det sannsynligvis oppstå lysbuer mellom kontakter, noe som stiller høyere krav til isolasjonsstrukturen og lysbueslukkingsevnen.

 

Keramiske materialer har utmerkede elektriske isolasjonsegenskaper og høy temperaturmotstand, og kan brukes i isolasjonsskall, isolasjonshylser og tetningsstrukturer inne i høyspennings-DC-releer og -kontaktorer. Gjennom pålitelig forsegling av keramiske og metallmaterialer kan et relativt lukket internt arbeidsrom dannes for å opprettholde stabil isolasjon mellom høyspenningsledende komponenter og den ytre strukturen, samtidig som de nødvendige tetningsforhold for lysbueslukkingsmediet.

 

I høyspenningsbryterenheter er alumina-keramikk et av de vanligste isolasjonsmaterialene. Aluminiumoksydsystemer med forskjellige renhets- og ytelsesnivåer kan velges videre basert på forskjellige spenningsnivåer, mekanisk styrke, termiske egenskaper og størrelseskrav. For deler som trenger å oppfylle kravene til isolasjon, mekanisk støtte og metallforsegling på samme tid, kan Alumina Metallisert keramikk oppnå pålitelige forbindelser mellom keramikk og metaller gjennom keramiske overflatemetalliserings- og loddeprosesser.

 

Verdien av keramiske materialer i slike produkter er ikke begrenset til isolasjon. Forbigående varme og mekanisk stress vil genereres under driften av høyspentkontaktorer, så det keramiske skallet må også ha god termisk stabilitet, dimensjonsstabilitet og termisk støtmotstand. Materialvalg, strukturell design og metalliseringsprosess må være omfattende utformet basert på faktisk driftsspenning, strøm, temperatur og levetidskrav.

 

 

 

En av kjernene i det elektriske drivsystemet til nye energikjøretøyer er den kraftelektroniske kontrolleren, hvis hovedfunksjon er å fullføre den effektive konverteringen mellom DC-kraften til strømbatteriet og AC-kraften som kreves av motoren. Etter hvert som krafttettheten til elektriske drivsystemer øker, må halvlederenheter motstå høyere strømmer og hyppigere termiske sykluser. Derfor må emballasjematerialer ikke bare ha gode isolasjonsegenskaper, men må også ta hensyn til varmeavledning, mekanisk styrke og termisk ekspansjonsmatching.

 

Keramiske kobber-belagte underlag er vanligvis sammensatt av kobberlag, keramiske isolasjonslag og kobberlag. Det keramiske laget er ansvarlig for elektrisk isolasjon og mekaniske støttefunksjoner, og kobberlaget er ansvarlig for strømoverføring, brikkeforbindelse og varmeavledning. Sammenlignet med rene organiske isolasjonsmaterialer, kan keramiske underlag opprettholde stabile elektriske og mekaniske egenskaper i miljøer med høyere temperaturer, noe som gjør dem egnet for elektroniske moduler med høy-effekt-tetthet.

 

Vanlige keramiske materialer som for tiden brukes i kraftmoduler for nye energibiler inkluderer aluminiumoksid, aluminiumnitrid og silisiumnitrid. Aluminiumoksid har egenskapene til relativt moderate kostnader, god isolasjonsytelse og en moden prosess; aluminiumnitrid har høy varmeledningsevne og har fordeler i scenarier med høye varmespredningskrav; silisiumnitrid har høy mekanisk styrke, termisk stabilitet og termisk syklusmotstand, og er mer egnet for kraftelektroniske applikasjoner som krever høy -pålitelighet på lang sikt.

 

Etter hvert som nye energibilkraftmoduler utvikler seg mot høyspenning, høy strøm og miniatyrisering, har etterspørselen etter høy-presisjons keramiske metalliserte komponenter som Precision Metallized Ceramics også økt. Metalliseringslaget på den keramiske overflaten må ha god adhesjonsstyrke og stabile elektriske egenskaper, og være i stand til å motstå belastningen som genereres under påfølgende sveising, lodding og termisk syklus.

 

For krafthalvlederemballasje er det svært viktig å matche den termiske ekspansjonskoeffisienten mellom det keramiske materialet og kobberlaget. Under faktisk drift vil nye energikjøretøyer oppleve start, akselerasjon, bremsing, hurtiglading og forskjellige miljøtemperaturendringer, og kraftmodulen vil gjentatte ganger oppleve oppvarming og kjøling. Hvis forskjellen i termisk ekspansjon mellom materialer er for stor, kan langvarig- termisk syklus forårsake grensesnitttretthet, sprekker eller delaminering, og dermed påvirke modulens levetid.

 

Derfor må den keramiske emballasjedesignen til nye energibilkraftmoduler vurdere termisk ledningsevne, isolasjonsstyrke, mekanisk styrke, termisk ekspansjonsmatching og prosesseringsnøyaktighet på samme tid, og kan ikke bare stole på en viss materialytelse som grunnlag for valg.

 

 

Keramikk i seg selv har utmerkede isolasjonsegenskaper, men i faktiske elektroniske enheter må keramikk vanligvis kobles til metallledere, elektroder eller emballasjestrukturer. Derfor har keramisk overflatemetallisering blitt en viktig prosess for å oppnå en pålitelig kombinasjon av keramikk og metaller.

 

Den grunnleggende ideen med keramisk metallisering er å danne et metalllag med en viss tykkelse og vedheftstyrke på den keramiske overflaten, slik at den kan loddes, sveises eller gjennomgå annen forbindelsesbehandling. Det metalliserte laget trenger ikke bare å ha god elektrisk ledningsevne, men må også danne en stabil grensesnittbinding med den keramiske matrisen.

 

For høyspenningsenheter i nye energikjøretøyer, påvirker påliteligheten til metalliseringslaget direkte lufttettheten, isolasjonsytelsen og den mekaniske stabiliteten til emballasjestrukturen. For eksempel må den keramiske isolatoren inne i høyspenningsreléet danne en pålitelig forbindelse med metallskallet; det keramiske substratet i krafthalvledermodulen må danne en stabil binding med kobberlaget.

 

Blant elektroniske komponenter med høy-presisjon kan presisjonsbearbeiding av keramiske deler av aluminiumoksyd ytterligere oppfylle kravene til kompleks størrelse, toleranse, hullplassering og endeflatenøyaktighet. For høyspenningsenheter for nye energikjøretøyer må keramiske deler ofte møte kravene til miniatyrisering, kompleks struktur og høy pålitelighet på samme tid. Derfor må materialforberedelse og presisjonsbehandling kontrolleres i samarbeid.

 

 

 

En høyspentkontaktor er en viktig svitsjkomponent i det elektriske-høyspentsystemet til nye energikjøretøyer. Hovedfunksjonen er å kontrollere vekslingen av høyspentkretser under start, stopp, lading og feilbeskyttelse. Siden batterier for nye kjøretøyer vanligvis bruker likespenninger på hundrevis av volt eller enda høyere, må høyspenningskontaktorer opprettholde pålitelig drift under høy elektrisk påkjenning.

 

HVDC-kontaktor keramiske kabinetter utfører vanligvis flere funksjoner som intern isolasjon, strukturell støtte og forsegling. Keramiske hus må opprettholde stabil isolasjon i miljøer med høy-spenning samtidig som de tåler interne temperaturendringer og mekaniske påkjenninger.

 

Høyspenningskontaktorer bruker vanligvis keramiske og metallforseglingsstrukturer. Forbindelsesområdet mellom keramikk og metall er en av nøklene til påliteligheten til hele enheten. Hvis det er defekter i tetningsgrensesnittet, kan det oppstå sprekker, lekkasjer og andre problemer under påvirkning av langsiktige termiske sykluser, mekaniske vibrasjoner eller interne trykkendringer.

 

Derfor krever produksjon av keramiske høyspenningskontaktorer vanligvis fokus på å kontrollere renheten til keramiske materialer, sintringskvalitet, dimensjonsnøyaktighet, metalliseringslagkvalitet og keramisk-metallforseglingsstyrke. For høy-pålitelighetsprodukter kreves også verifisering av lufttetthet, elektrisk isolasjon, spenningsmotstand og termisk syklus.

 

Fra et materialteknisk perspektiv er keramikk-til-metallforbindelse ikke en enkel mekanisk kombinasjon, men involverer flere faktorer som termisk ekspansjonskoeffisient for materialet, grensesnittfuktbarhet, valg av loddemetall, forseglingstemperatur og restspenningskontroll. Bare ved å oppnå en stabil kombinasjon av keramiske og metallgrensesnitt kan forseglings- og isolasjonspåliteligheten til høyspenningsenheter sikres i lang-drift.

 

 

Nye energikjøretøydrivmotorer har vanligvis høye rotasjonshastigheter, og det er et komplekst elektromagnetisk miljø inne i motoren. Sammenlignet med tradisjonelle mekaniske systemer, i tillegg til å bære radielle og aksiale belastninger, må nye energikjøretøys motorlager også møte problemer som høyhastighetsrotasjon, temperaturøkning, strøm og elektrisk korrosjon.

 

Tradisjonelle metalllager kan generere akselstrømmer under visse motordriftsforhold. Når strømmen passerer gjennom det indre av lageret, kan det dannes lysbueutladning i kontaktområdet mellom rulleelementet og løpebanen, noe som forårsaker gropkorrosjon, erosjon og overflateskade, som til slutt påvirker lagerets levetid.

 

Keramiske rulleelementer har egenskapene til lav tetthet, høy hardhet, god slitestyrke og utmerkede elektriske isolasjonsegenskaper. Derfor har hybride keramiske lagre en viss bruksverdi i høyhastighetsmotorer og elektrifiserte kraftsystemer. Kombinasjonen av keramiske rulleelementer og metallhylser kan redusere kvaliteten på rulleelementene samtidig som lagerets strukturelle styrke opprettholdes, og forbedre friksjonen og den elektriske isolasjonsegenskapene under driftsforhold med høy-hastighet.

 

Kravene til lagre i nye energikjøretøymotorer har også fremmet utviklingen av-høyytelses keramiske komponenter som høy-metalliserte keramiske komponenter. Selv om metallisert keramikk og motorlager tilhører forskjellige typer applikasjoner, legemliggjør de den samme materialutviklingstrenden, som er å løse ytelsesbegrensningene til tradisjonelle metallmaterialer under spesifikke arbeidsforhold gjennom isolasjons-, høystyrke- og høytemperaturmotstandsegenskaper til keramiske materialer.

 

 

Etter hvert som spenningsplattformen til nye energikjøretøyer fortsetter å forbedres, utvides bruksomfanget for avansert keramikk gradvis fra enkeltisolasjonskomponenter til høyspentbrytere, strømmoduler, sensorer, tilkoblingsstrukturer og-relaterte komponenter for termisk styring.

 

I elektriske høyspenningskomponenter kan metallisert alumina-keramikk for elektriske komponenter oppnå integrering av isolasjons-, ledningsevne- og mekaniske tilkoblingsfunksjoner gjennom kombinasjonen av en keramisk isolasjonsmatrise og metalliserte ledende lag. Denne strukturen er spesielt egnet for elektriske komponenter med begrenset plass og høye isolasjonskrav.

 

For enheter med høy-spenning som krever høyere dimensjonsnøyaktighet, kan Precision Metallized Alumina Ceramic Components kombinere presisjonsstøping, sintring, metallisering og maskineringsprosesser for å møte komplekse strukturer og høy-presisjonsmonteringskrav. Nye energibildeler fortsetter å utvikle seg mot miniatyrisering, lettvekt og høy effekttetthet, noe som også gjør dimensjonskontrollen og prosesseringskonsistensen til keramiske deler viktigere.

 

På den annen side, ettersom driftsspenningen og koblingsfrekvensen til krafthalvledere øker, må keramiske isolasjonsmaterialer også møte høyere elektrisk feltintensitet og raskere spenningsendringshastigheter. Strukturer som metalliserte keramiske isolasjonsrør og metalliserte keramiske deler kan brukes til spesielle elektriske komponenter som krever både isolasjon, ledende tilkobling og innkapslingsfunksjoner, og gir mer kompakte strukturelle løsninger for elektriske-høyspentsystemer.

 

 

 

Bruk av avansert keramikk i nye energikjøretøyer er ikke en enkel materialerstatning, men et systematisk prosjekt som involverer materialer, strukturer, prosesser og pålitelighetsverifisering.

 

Først må passende keramiske materialer velges basert på driftsspenning, temperatur, strøm, mekanisk belastning og miljøforhold. For det andre må støping, sintring, presisjonsmaskinering og overflatemetalliseringsprosesser bestemmes i henhold til komponentstrukturen. For høy-forseglingsenheter må den termiske ekspansjonsmatchingen mellom keramiske og metallmaterialer og gjenværende tetningsspenning vurderes ytterligere.

 

For kraftelektronikk krever keramiske underlag også fokus på termisk sykluslevetid og grensesnittpålitelighet. Etter hvert som nye energikjøretøyer gradvis utvikler seg fra tradisjonelle IGBT-er til høy-ytelses-brede-båndgap-krafthalvledere, fortsetter byttehastigheten og effekttettheten til kraftmoduler å øke, og kravene til isolasjonsmaterialer og emballasjestrukturer vil også øke ytterligere.

 

High Purity Alumina Precision Advanced Ceramic Metallization Parts er egnet for spesielle elektroniske komponenter som krever høy renhet, isolasjonsytelse, dimensjonsnøyaktighet og metalliseringspålitelighet. Slike produkter krever vanligvis full prosesskontroll fra keramisk pulver, støping, sintring, til presisjonsmaskinering og metallisering.

 

 

Fra perspektivet til den generelle teknologiske utviklingsretningen til nye energikjøretøyer, presenterer bruken av avansert keramikk hovedsakelig tre trender.

 

For det første øker høyspenning etterspørselen etter isolerende keramikk. Med gradvis bruk av 800V og høyere spenningsplattformer, fortsetter kravene til isolasjonsmaterialer i høyspentkontaktorer, releer, strømmoduler og ladesystemer å øke. Keramiske materialer har høy dielektrisk styrke og varmebestandighet, så de har et godt bruksgrunnlag i elektriske-høyspenningskomponenter.

 

For det andre driver høy effekttetthet oppgraderingen av keramiske emballasjematerialer. Nye elektriske drivsystemer for kjøretøyer med energi må oppnå høyere effekt på et mindre rom, og varmestrømstettheten til krafthalvledere fortsetter å øke. Derfor vil keramiske underlag og emballasjematerialer med god varmeledningsevne og mekanisk pålitelighet få mer oppmerksomhet.

 

For det tredje fremmer presisjonsproduksjon utviklingen av keramiske deler til komplekse strukturer. Nye energibildeler har stadig høyere krav til vekt, plass og pålitelighet. Keramiske komponenter vil ikke bare utføre tradisjonelle isolasjonsfunksjoner, men kan også integrere funksjoner som støtte, varmeavledning, emballasje og elektrisk tilkobling.

 

Totalt sett har avansert keramikk blitt et viktig materialsystem innen-høyspente elektriske og kraftelektronikk-felter for nye energikjøretøyer. Fra det isolerende huset til høyspenningsreléer, til de keramiske kobber-belagte substratene i krafthalvledermoduler, til høyspentkontaktorer, isolerende lagre og metalliserte keramiske koblingsdeler, får keramikk flere og flere nøkkelfunksjoner i arkitekturen for elektrifiseringsenergibiler.

 

I fremtiden, ettersom nye energikjøretøyer utvikler seg mot høyere spenning, høyere effekttetthet, høyere pålitelighet og mindre størrelse, vil verdien avPresisjonsmetalliserte aluminiumoksydkeramiske komponentermaterialer vil videre forvandle seg fra enkle isolasjonsmaterialer til høyytelses strukturelle og funksjonelle materialer-. Den kontinuerlige utviklingen av teknologier som materialformulering, presisjonsstøping, metallisering, keramikk-til-metallforsegling og pålitelighetstesting vil bli et viktig grunnlag for avansert keramikk for ytterligere å komme inn i forsyningskjeden av kjernedeler til nye energikjøretøyer.