Примена и техничка вредност напредне керамике у контексту надоградње електрификације нових енергетских возила

Трансформација нових енергетских возила са традиционалног погона на гориво у електрични погон, интелигентну контролу и високо{0}}напонске електричне системе не само да је променила структуру снаге возила већ је такође промовисала материјалну надоградњу кључних компоненти као што су високо-релеји, енергетски полупроводници, лежајеви мотора и електронски контролни системи. Уз континуирани развој платформи од 800В и вишег напона,-система електричних погона велике густине снаге и технологија брзог пуњења и пражњења, компоненте се такође суочавају са захтевима за вишим напоном, струјом, температуром, фреквенцијом и поузданошћу.

 

У овом процесу, напредна керамика се постепено проширила са традиционалних конструктивних материјала на високо{0}}напонску електричну, енергетску електронику и погонске системе за возила нове енергије захваљујући својој високој диелектричној чврстоћи, отпорности на високе температуре, отпорности на корозију, великој механичкој чврстоћи и доброј стабилности димензија. Његова примена се фокусира на високо-напонске ДЦ комутационе уређаје, амбалажу за полупроводнике за напајање, керамичке високонапонске-напонске контакторе и лежајеве изоловане мотора.

 

 

 

Високонапонски{0}}електрични систем нових енергетских возила обично захтева релеје или контакторе да би се постигло повезивање, искључење и безбедна изолација између батерије и-кола високог напона као што су инвертори, мотори и системи за пуњење. У поређењу са нисконапонским -аутомобилским електричним системима, пребацивање у високо{4}}напонским ДЦ окружењима је сложеније. Нарочито када се кола одвајају у условима велике струје, постоји вероватноћа да ће се појавити лукови између контаката, што поставља веће захтеве за изолациону структуру и могућности-гашења лука.

 

Керамички материјали имају одличне карактеристике електричне изолације и отпорност на високе температуре и могу се користити у изолационим омотачима, изолационим навлакама и заптивним структурама унутар високо{0}}напонских једносмерних релеја и контактора. Кроз поуздано заптивање керамичких и металних материјала, може се формирати релативно затворен унутрашњи радни простор како би се одржала стабилна изолација између високонапонских проводних компоненти и спољашње структуре, док се обезбеђују неопходни услови за заптивање медијума за гашење лука.

 

У високонапонским прекидачким уређајима, глиница керамика је један од најчешћих изолационих материјала. Системи глинице различите чистоће и нивоа перформанси могу се даље бирати на основу различитих нивоа напона, механичке чврстоће, термичких својстава и захтева за величину. За делове који истовремено морају да испуне захтеве изолације, механичке подршке и заптивања метала, Алумина Металлизед Церамицс може постићи поуздане везе између керамике и метала кроз процесе метализације керамичке површине и лемљења.

 

Вредност керамичких материјала у таквим производима није ограничена на изолацију. Пролазна топлота и механички стрес ће се генерисати током рада високо-напонских контактора, тако да керамичка шкољка такође треба да има добру термичку стабилност, стабилност димензија и отпорност на топлотни удар. Избор материјала, конструкцијски дизајн и процес метализације морају бити свеобухватно дизајнирани на основу стварног радног напона, струје, температуре и животних захтева.

 

 

 

Једно од језгара система електричног погона нових енергетских возила је енергетски електронски контролер, чија је главна функција да доврши ефикасну конверзију између једносмерне струје батерије и наизменичне струје коју захтева мотор. Како се повећава густина снаге електричних погонских система, енергетски полупроводнички уређаји треба да издрже веће струје и чешће термичке циклусе. Према томе, материјали за паковање не само да морају имати добра изолациона својства, већ морају узети у обзир и дисипацију топлоте, механичку чврстоћу и усклађеност топлотног ширења.

 

Подлоге обложене керамичким бакром{0}} обично се састоје од слојева бакра, керамичких изолационих слојева и слојева бакра. Керамички слој је одговоран за електричну изолацију и механичку подршку, а бакарни слој је одговоран за пренос струје, повезивање чипова и одвођење топлоте. У поређењу са чистим органским изолационим материјалима, керамичке подлоге могу да одрже стабилне електричне и механичке особине у окружењима са вишим температурама, што их чини погодним за енергетске електронске модуле велике -снаге-густине.

 

Уобичајени керамички материјали који се тренутно користе у енергетским модулима нових енергетских возила укључују алуминијум оксид, алуминијум нитрид и силицијум нитрид. Алуминијум оксид има карактеристике релативно умерених трошкова, добрих изолационих перформанси и зрелог процеса; алуминијум нитрид има високу топлотну проводљивост и има предности у сценаријима са високим захтевима за расипање топлоте; силицијум нитрид има високу механичку чврстоћу, термичку стабилност и отпорност на термички циклус и погоднији је за апликације енергетске електронике које захтевају високу-дугорочну поузданост.

 

Како се нови енергетски модули за возила развијају у правцу високог напона, велике струје и минијатуризације, потражња за високо{0}}прецизним керамичким метализованим компонентама као што је Прецисион Металлизед Церамицс такође је порасла. Слој метализације на површини керамике треба да има добру чврстоћу пријањања и стабилна електрична својства и да може да издржи напрезање настало током накнадног заваривања, лемљења и термичког циклуса.

 

За паковање енергетских полупроводника, усклађивање коефицијента термичког ширења између керамичког материјала и слоја бакра је веома важно. Током стварног рада, нова енергетска возила ће доживети покретање, убрзање, кочење, брзо пуњење и различите промене температуре околине, а модул за напајање ће стално доживети грејање и хлађење. Ако је разлика у термичком ширењу између материјала превелика,-дуготрајни термички циклуси могу изазвати замор интерфејса, пукотине или раслојавање, што утиче на животни век модула.

 

Стога, дизајн керамичког паковања нових енергетских модула за возила треба да узме у обзир топлотну проводљивост, чврстоћу изолације, механичку чврстоћу, усклађеност термичког ширења и тачност обраде, и не може се једноставно ослањати на одређене перформансе материјала као основу за избор.

 

 

Керамика сама по себи има одлична изолациона својства, али у стварним електронским уређајима, керамика обично треба да буде повезана са металним проводницима, електродама или структурама паковања. Стога је метализација керамичке површине постала важан процес за постизање поуздане комбинације керамике и метала.

 

Основна идеја метализације керамике је да се на површини керамике формира метални слој одређене дебљине и чврстоће пријањања, тако да се може даље лемити, заварити или подвргнути другој обради везе. Метализовани слој не само да треба да има добру електричну проводљивост, већ такође треба да формира стабилну међувезу са керамичком матрицом.

 

За високонапонске{0}}уређаје нових енергетских возила, поузданост слоја метализације директно утиче на непропусност ваздуха, перформансе изолације и механичку стабилност структуре паковања. На пример, керамички изолатор унутар високонапонског-релеја треба да формира поуздану везу са металном шкољком; керамичка подлога у енергетском полупроводничком модулу треба да формира стабилну везу са слојем бакра.

 

Међу високо{0}}прецизним електронским компонентама, прецизна обрада керамичких делова од алуминијума може додатно да испуни захтеве сложене величине, толеранције, локације рупа и прецизности крајње стране. За високонапонске-уређаје за возила нове енергије, керамички делови често морају истовремено да испуне захтеве минијатуризације, сложене структуре и високе поузданости. Због тога припрема материјала и прецизна обрада треба да се контролишу заједно.

 

 

 

Високонапонски контактор-је важна компонента за пребацивање у високонапонском-електричном систему нових енергетских возила. Његова главна функција је да контролише укључивање високонапонских-кола током покретања, заустављања, пуњења и заштите од квара. Пошто батерије за напајање нових енергетских возила обично користе једносмерне напоне од стотина волти или чак више, високо{5}}напонски контактори морају да одржавају поуздан рад под великим електричним стресом.

 

Керамичка кућишта ХВДЦ контактора обично обављају вишеструке функције као што су унутрашња изолација, конструкцијска подршка и заптивање. Керамичка кућишта треба да одрже стабилну изолацију у високо-напонским окружењима док издрже промене унутрашње температуре и механичка напрезања.

 

Високо{0}}напонски контактори обично користе керамичке и металне заптивне структуре. Подручје везе између керамике и метала је један од кључева за поузданост читавог уређаја. Ако постоје дефекти на интерфејсу за заптивање, могу се појавити пукотине, цурење и други проблеми под дејством дуготрајних-термичких циклуса, механичких вибрација или промена унутрашњег притиска.

 

Због тога, производња керамичких високо-напонских контактора обично захтева фокусирање на контролу чистоће керамичких материјала, квалитета синтеровања, тачности димензија, квалитета метализационог слоја и чврстоће заптивања металокерамичког{1}}мета. За производе високе{3}}поузданости, такође је потребна провера непропусности ваздуха, електричне изолације, напонског отпора и термичког циклуса.

 

Из перспективе инжењерства материјала, веза керамике-на-метал није једноставна механичка комбинација, већ укључује више фактора као што су коефицијент топлотног ширења материјала, квашење интерфејса, избор лема, температура заптивања и контрола заосталог напрезања. Само постизањем стабилне комбинације керамичких и металних интерфејса може се обезбедити поузданост заптивања и изолације високонапонских-уређаја у дуготрајном-раду.

 

 

Погонски мотори нових енергетских возила обично имају велике брзине ротације, а унутар мотора постоји сложено електромагнетно окружење. У поређењу са традиционалним механичким системима, поред радијалног и аксијалног оптерећења, лежајеви мотора нових енергетских возила такође морају да се суоче са проблемима као што су велика{1}}брзина ротације, пораст температуре, струја и електрична корозија.

 

Традиционални метални лежајеви могу генерисати струје вратила под одређеним условима рада мотора. Када струја пролази кроз унутрашњост лежаја, лучно пражњење се може формирати у подручју контакта између котрљајућег елемента и стазе трчања, узрокујући точку корозију, ерозију и оштећење површине, што на крају утиче на век трајања лежаја.

 

Керамички котрљајни елементи имају карактеристике ниске густине, високе тврдоће, добре отпорности на хабање и одличних својстава електричне изолације. Због тога хибридни керамички лежајеви имају одређену примену у-моторима великих брзина и електрификованим системима напајања. Комбинација керамичких котрљајућих елемената и металних ферула може смањити квалитет котрљајућих елемената уз одржавање структурне чврстоће лежаја и побољшати својства трења и електричне изолације под радним условима великих{3}}брзина.

 

Захтеви за лежајеве у моторима нових енергетских возила такође су промовисали развој керамичких компоненти високих{0}}перформанси као што су метализоване керамичке компоненте високе{1}}кости. Иако метализована керамика и лежајеви мотора припадају различитим врстама апликација, они оличавају исти тренд развоја материјала, а то је решавање ограничења перформанси традиционалних металних материјала у специфичним радним условима кроз својства изолације, високе чврстоће и отпорности на високе температуре керамичких материјала.

 

 

Како напонска платформа нових енергетских возила наставља да се побољшава, обим примене напредне керамике се постепено шири од појединачних изолационих компоненти на високо{0}}напонске прекидаче, модуле за напајање, сензоре, структуре везе и компоненте повезане са термичким управљањем{1}}.

 

У електричним компонентама високог{0}}напона, метализована алуминијумска керамика за електричне компоненте може да постигне интеграцију функција изолације, проводљивости и механичке везе кроз комбинацију керамичке изолационе матрице и метализованих проводних слојева. Ова структура је посебно погодна за електричне компоненте са ограниченим простором и високим захтевима за изолацијом.

 

За високо{0}}напонске уређаје који захтевају већу тачност димензија, прецизне метализоване алуминијумске керамичке компоненте могу да комбинују процесе прецизног ливења, синтеровања, метализације и машинске обраде како би испунили захтеве сложених структура и високе{1}}захтеве за монтажу. Нови енергетски делови аутомобила настављају да се развијају у правцу минијатуризације, мале тежине и велике густине снаге, што такође чини контролу димензија и конзистентност обраде керамичких делова важнијом.

 

С друге стране, како се радни напон и фреквенција укључивања енергетских полупроводника повећавају, керамички изолациони материјали такође морају да се суоче са већим интензитетом електричног поља и бржим брзинама промене напона. Структуре као што су метализоване керамичке изолационе цеви и метализовани керамички делови могу да се користе за специјалне електричне компоненте које захтевају и изолацију, проводљиву везу и функције инкапсулације, обезбеђујући компактнија структурна решења за електричне системе високог{1}}напона.

 

 

 

Примена напредне керамике у новим енергетским возилима није једноставна замена материјала, већ систематски пројекат који укључује материјале, структуре, процесе и проверу поузданости.

 

Прво, потребно је одабрати одговарајуће керамичке материјале на основу радног напона, температуре, струје, механичког оптерећења и услова околине. Друго, процеси обликовања, синтеровања, прецизне машинске обраде и метализације површине морају бити одређени према структури компоненти. За уређаје за заптивање под високим{2}}притиском, потребно је додатно размотрити усклађеност термичког ширења између керамичких и металних материјала и заосталог напона заптивања.

 

За енергетску електронику, керамичке подлоге такође захтевају фокусирање на век трајања термичког циклуса и поузданост интерфејса. Како се нова енергетска возила постепено развијају од традиционалних ИГБТ до енергетских полупроводника високих{1}}широких{2}}појасних перформанси{2}}, брзина пребацивања и густина снаге енергетских модула настављају да расту, а захтеви за изолационим материјалима и структурама паковања ће се такође додатно повећавати.

 

Прецизни напредни керамички делови за метализацију глинице високе чистоће су погодни за специјалне електронске компоненте које захтевају високу чистоћу, перформансе изолације, тачност димензија и поузданост метализације. Такви производи обично захтевају потпуну контролу процеса од керамичког праха, калупа, синтеровања, до прецизне машинске обраде и метализације.

 

 

Из перспективе укупног правца технолошког развоја возила нове енергије, примена напредне керамике углавном представља три тренда.

 

Прво, високи напон повећава потражњу за изолационом керамиком. Са постепеном применом платформи од 800 В и вишег напона, захтеви за изолационим материјалима у високонапонским контакторима, релејима, енергетским модулима и системима за пуњење настављају да расту. Керамички материјали имају високу диелектричну чврстоћу и отпорност на топлоту, тако да имају добру основу за примену у електричним компонентама високог напона{4}.

 

Друго, велика густина снаге покреће надоградњу керамичких материјала за паковање. Електрични погонски системи нових енергетских возила треба да постигну већу излазну снагу у мањем простору, а густина топлотног тока енергетских полупроводника наставља да расте. Због тога ће се више пажње посветити керамичким подлогама и материјалима за паковање са добром топлотном проводљивошћу и механичком поузданошћу.

 

Треће, прецизна производња промовише развој керамичких делова у сложене структуре. Аутомобилски делови нове енергије имају све веће захтеве у погледу тежине, простора и поузданости. Керамичке компоненте не само да ће преузети традиционалне изолационе функције, већ могу и даље интегрисати функције као што су подршка, одвођење топлоте, паковање и електрична веза.

 

Све у свему, напредна керамика је постала важан материјални систем у области-електричне и енергетске електронике високог напона возила нове енергије. Од изолационог кућишта високо-релеја, до керамичких бакарних-подлога у енергетским полупроводничким модулима, до високо-напонских контактора, изолационих лежајева и метализованих керамичких спојних делова, керамика преузима све више кључних функција у архитектури нових енергетских возила.

 

У будућности, како се нова енергетска возила развијају у правцу већег напона, веће густине снаге, веће поузданости и мање величине, вредностПрецизне метализоване алуминијске керамичке компонентематеријали ће се даље трансформисати из једноставних изолационих материјала у-конструкцијске и функционалне материјале високих перформанси. Стални напредак технологија као што су формулација материјала, прецизно обликовање, метализација, заптивање од керамике-на-метал и тестирање поузданости постаће важна основа за напредну керамику да даље уђе у ланац снабдевања основних делова нових енергетских возила.