Pažangios keramikos taikymas ir techninė vertė naujų energetinių transporto priemonių elektrifikavimo modernizavimo kontekste

Naujų energiją naudojančių transporto priemonių transformavimas iš tradicinių degalų varomų į elektrinę pavarą, išmanųjį valdymą ir aukštos įtampos elektros sistemas ne tik pakeitė transporto priemonės galios struktūrą, bet ir paskatino esminių komponentų, pvz., aukštos-įtampos relių, galios puslaidininkių, variklio guolių ir elektroninių valdymo sistemų, atnaujinimą. Nuolat tobulinant 800 V ir aukštesnės įtampos platformas, didelio-galios tankio elektrines pavaros sistemas ir greito įkrovimo bei iškrovimo technologijas, komponentams taip pat keliami aukštesni įtampos, srovės, temperatūros, dažnio ir patikimumo reikalavimai.

 

Šiame procese pažangi keramika pamažu išsiplėtė nuo tradicinių konstrukcinių medžiagų iki aukštos -įtampos elektros, galios elektronikos ir pavaros sistemų, skirtų naujoms energijos transporto priemonėms dėl didelio dielektrinio stiprumo, atsparumo aukštai temperatūrai, atsparumo korozijai, didelio mechaninio stiprumo ir gero matmenų stabilumo. Jo taikymas skirtas aukštos-įtampos nuolatinės srovės perjungimo įtaisams, galios puslaidininkių pakuotėms, keraminiams aukštos-tampos kontaktoriams ir variklio izoliuotiems guoliams.

 

 

 

Naujų energetinių transporto priemonių aukštos įtampos elektros sistemai paprastai reikia relių arba kontaktorių, kad būtų galima prijungti, atjungti ir saugiai atskirti akumuliatorių nuo aukštos įtampos grandinių, pvz., keitiklių, variklių ir įkrovimo sistemų. Palyginti su žemos-tampos automobilių elektros sistemomis, aukštos-įtampos nuolatinės srovės aplinkoje perjungimas yra sudėtingesnis. Ypač atjungiant grandines esant stipriai srovei, tarp kontaktų gali susidaryti lankai, o tai kelia didesnius reikalavimus izoliacijos konstrukcijai ir lanko{6}}gesinimo galimybėms.

 

Keraminės medžiagos pasižymi puikiomis elektros izoliacinėmis savybėmis ir atsparumu aukštai temperatūrai, todėl gali būti naudojamos izoliuojant apvalkalus, izoliacines movas ir sandarinant konstrukcijas aukštos{0}}įtampos nuolatinės srovės relėse ir kontaktorių viduje. Dėl patikimo keraminių ir metalinių medžiagų sandarinimo galima suformuoti gana uždarą vidinę darbo erdvę, kad būtų išlaikyta stabili izoliacija tarp aukštos -įtampos laidžių komponentų ir išorinės konstrukcijos, kartu užtikrinant būtinas lanko gesinimo terpės sandarinimo sąlygas.

 

Aukštos{0}}įtampos perjungimo įrenginiuose aliuminio oksido keramika yra viena iš labiausiai paplitusių izoliacinių medžiagų. Skirtingo grynumo ir eksploatacinių lygių aliuminio oksido sistemos gali būti toliau pasirenkamos pagal skirtingus įtampos lygius, mechaninį stiprumą, šilumines savybes ir dydžio reikalavimus. Dalims, kurioms vienu metu reikia atitikti izoliacijos, mechaninės atramos ir metalo sandarinimo reikalavimus, „Alumina Metallized Ceramics“ gali pasiekti patikimas keramikos ir metalų jungtis naudojant keraminio paviršiaus metalizavimo ir litavimo procesus.

 

Keraminių medžiagų vertė tokiuose gaminiuose neapsiriboja izoliacija. Dirbant aukštos įtampos kontaktoriais, susidarys laikinas karštis ir mechaninis įtempis, todėl keraminis apvalkalas taip pat turi turėti gerą šiluminį stabilumą, matmenų stabilumą ir atsparumą šiluminiam smūgiui. Medžiagų parinkimas, konstrukcijos projektavimas ir metalizavimo procesas turi būti visapusiškai suprojektuoti, atsižvelgiant į faktinę darbinę įtampą, srovę, temperatūrą ir tarnavimo laiką.

 

 

 

Viena iš naujų energetinių transporto priemonių elektrinės pavaros sistemos branduolių yra galios elektroninis valdiklis, kurio pagrindinė funkcija yra užbaigti efektyvų maitinimo akumuliatoriaus nuolatinės srovės ir varikliui reikalingos kintamosios srovės energijos konvertavimą. Didėjant elektros pavaros sistemų galios tankiui, galios puslaidininkiniai įtaisai turi atlaikyti didesnes sroves ir dažnesnius šiluminius ciklus. Todėl pakavimo medžiagos turi turėti ne tik geras izoliacines savybes, bet ir turi atsižvelgti į šilumos išsklaidymo, mechaninio stiprumo ir šiluminio plėtimosi atitikimą.

 

Keraminiu variu{0}}plakuoti pagrindai paprastai susideda iš vario sluoksnių, keraminių izoliacinių sluoksnių ir vario sluoksnių. Keraminis sluoksnis yra atsakingas už elektros izoliaciją ir mechanines atramos funkcijas, o vario sluoksnis – už srovės perdavimą, lustų prijungimą ir šilumos išsklaidymą. Palyginti su grynomis organinėmis izoliacinėmis medžiagomis, keraminiai pagrindai gali išlaikyti stabilias elektrines ir mechanines savybes esant aukštesnei temperatūrai, todėl jie tinka didelio -galios-tankio galios elektroniniams moduliams.

 

Įprastos keraminės medžiagos, šiuo metu naudojamos naujų energijos transporto priemonių galios moduliuose, yra aliuminio oksidas, aliuminio nitridas ir silicio nitridas. Aliuminio oksidas pasižymi santykinai nedidelėmis sąnaudomis, geromis izoliacinėmis savybėmis ir brandžiu procesu; aliuminio nitridas turi didelį šilumos laidumą ir turi pranašumų scenarijuose, kuriuose keliami dideli šilumos išsklaidymo reikalavimai; silicio nitridas pasižymi dideliu mechaniniu stiprumu, terminiu stabilumu ir atsparumu šiluminiam ciklui, todėl jis labiau tinka galios elektronikos programoms, kurioms reikalingas didelis ilgalaikis -patikimumas.

 

Naujiems energetinių transporto priemonių galios moduliams plėtojant aukštą įtampą, didelę srovę ir miniatiūrizavimą, taip pat padidėjo didelio-tikslios keramikos metalizuotų komponentų, pvz., tikslios metalizuotos keramikos, paklausa. Metalizavimo sluoksnis ant keraminio paviršiaus turi turėti gerą sukibimo stiprumą ir stabilias elektrines savybes bei atlaikyti įtempius, atsirandančius vėlesnio suvirinimo, litavimo ir terminio ciklo metu.

 

Galios puslaidininkių pakuotėms labai svarbu suderinti keraminės medžiagos ir vario sluoksnio šiluminio plėtimosi koeficientą. Realiai eksploatuojant naujos energijos transporto priemonės patirs užvedimą, greitėjimą, stabdymą, greitą įkrovimą ir skirtingus aplinkos temperatūros pokyčius, o galios modulis nuolat šildys ir vėsins. Jei medžiagų šiluminio plėtimosi skirtumas yra per didelis, ilgalaikis -terminis ciklas gali sukelti sąsajos nuovargį, įtrūkimus arba atsisluoksniavimą, o tai gali turėti įtakos modulio tarnavimo laikui.

 

Todėl kuriant naujų energetinių transporto priemonių galios modulių keraminės pakuotės konstrukciją reikia tuo pačiu metu atsižvelgti į šilumos laidumą, izoliacijos stiprumą, mechaninį stiprumą, šiluminio plėtimosi atitiktį ir apdorojimo tikslumą, o pasirinkimo pagrindu negalima pasikliauti tam tikromis medžiagos savybėmis.

 

 

Pati keramika pasižymi puikiomis izoliacinėmis savybėmis, tačiau tikruose elektroniniuose įrenginiuose keramiką dažniausiai reikia jungti prie metalinių laidininkų, elektrodų ar pakavimo konstrukcijų. Todėl keraminio paviršiaus metalizavimas tapo svarbiu procesu siekiant patikimo keramikos ir metalo derinio.

 

Pagrindinė keramikos metalizavimo idėja yra suformuoti tam tikro storio ir sukibimo stiprumo metalinį sluoksnį ant keramikos paviršiaus, kad jį būtų galima toliau lituoti, suvirinti ar atlikti kitokį sujungimo apdorojimą. Metalizuotas sluoksnis turi ne tik turėti gerą elektros laidumą, bet ir suformuoti stabilų sąsajos ryšį su keramine matrica.

 

Naujų energetinių transporto priemonių aukštos įtampos{0}}įrenginiams metalizavimo sluoksnio patikimumas tiesiogiai veikia sandarumą, izoliacijos savybes ir pakuotės konstrukcijos mechaninį stabilumą. Pavyzdžiui, aukštos-įtampos relės viduje esantis keraminis izoliatorius turi sukurti patikimą jungtį su metaliniu apvalkalu; galios puslaidininkio modulio keraminis substratas turi sudaryti stabilų ryšį su vario sluoksniu.

 

Iš didelio-tikslumo elektroninių komponentų, aliuminio oksido keramikos dalių tikslusis apdirbimas gali atitikti sudėtingus dydžio, tolerancijos, skylės vietos ir galinio paviršiaus tikslumo reikalavimus. Aukštos-įtampos įrenginiams, skirtiems naujoms energijos transporto priemonėms, keraminės dalys dažnai turi atitikti miniatiūrizavimo, sudėtingos struktūros ir didelio patikimumo reikalavimus. Todėl medžiagų paruošimas ir tikslus apdorojimas turi būti kontroliuojami bendradarbiaujant.

 

 

 

Aukštos{0}}tampos kontaktorius yra svarbus naujų energijos transporto priemonių aukštos{1} įtampos elektros sistemos perjungimo komponentas. Jo pagrindinė funkcija yra valdyti aukštos-įtampos grandinių perjungimą transporto priemonės užvedimo, stabdymo, įkrovimo ir apsaugos nuo gedimų metu. Kadangi naujų energetinių transporto priemonių maitinimo akumuliatoriuose paprastai naudojama šimtų voltų ar net didesnė nuolatinė įtampa, aukštos{5}}įtampos kontaktoriai turi užtikrinti patikimą veikimą esant dideliam elektros krūviui.

 

HVDC kontaktorių keraminiai gaubtai paprastai atlieka keletą funkcijų, tokių kaip vidinė izoliacija, konstrukcinė atrama ir sandarinimas. Keraminiai korpusai turi išlaikyti stabilią izoliaciją aukštos-įtampos aplinkoje, atlaikant vidinius temperatūros pokyčius ir mechaninius įtempius.

 

Aukštos{0}}tampos kontaktoriuose dažniausiai naudojamos keraminės ir metalinės sandarinimo konstrukcijos. Keramikos ir metalo jungties sritis yra vienas iš viso įrenginio patikimumo raktų. Jei sandarinimo sąsajoje yra defektų, dėl ilgalaikių -terminių ciklų, mechaninės vibracijos ar vidinio slėgio pokyčių gali atsirasti įtrūkimų, nuotėkių ir kitų problemų.

 

Todėl gaminant keraminius aukštos įtampos{0}}kontaktorius paprastai reikia kontroliuoti keraminių medžiagų grynumą, sukepinimo kokybę, matmenų tikslumą, metalizavimo sluoksnio kokybę ir keraminio-metalo sandarinimo stiprumą. Didelio-patikimumo gaminiams taip pat reikia patikrinti oro sandarumą, elektros izoliaciją, įtampos varžą ir šiluminį ciklą.

 

Medžiagų inžinerijos požiūriu, keramikos{0}}su-metalo jungtis nėra paprastas mechaninis derinys, bet susijęs su daugybe veiksnių, tokių kaip medžiagos šiluminio plėtimosi koeficientas, sąsajos drėgnumas, lydmetalio pasirinkimas, sandarinimo temperatūra ir liekamojo įtempio valdymas. Tik sukūrus stabilų keraminių ir metalinių sąsajų derinį galima užtikrinti aukštos-įtampos įrenginių sandarinimo ir izoliacijos patikimumą-ilgalaikio veikimo metu.

 

 

Naujos energijos transporto priemonių varomieji varikliai paprastai turi didelį sukimosi greitį, o variklio viduje yra sudėtinga elektromagnetinė aplinka. Palyginti su tradicinėmis mechaninėmis sistemomis, be radialinių ir ašinių apkrovų, naujų energijos transporto priemonių variklių guoliai taip pat turi susidurti su tokiomis problemomis kaip didelis sukimosi greitis, temperatūros kilimas, srovė ir elektros korozija.

 

Tam tikromis variklio veikimo sąlygomis tradiciniai metaliniai guoliai gali generuoti veleno sroves. Kai srovė teka per guolio vidų, riedėjimo elemento ir bėgių kelio sąlyčio srityje gali susidaryti lanko iškrova, sukeldama taškinę koroziją, eroziją ir paviršiaus pažeidimus, kurie galiausiai paveikia guolio tarnavimo laiką.

 

Keraminiai valcavimo elementai turi mažo tankio, didelio kietumo, gero atsparumo dilimui ir puikių elektros izoliacijos savybių. Todėl hibridiniai keraminiai guoliai turi tam tikrą taikymo vertę didelės spartos varikliuose ir elektrifikuotose maitinimo sistemose. Keraminių riedėjimo elementų ir metalinių įvorių derinys gali pabloginti riedėjimo elementų kokybę išlaikant guolio konstrukcinį stiprumą ir pagerinti trinties bei elektros izoliacijos savybes esant dideliam -greičiui.

 

Naujų energiją naudojančių transporto priemonių variklių guoliams keliami reikalavimai taip pat paskatino didelio našumo{0}}keraminių komponentų, pvz., didelio-stiprumo metalizuotų keramikos komponentų, kūrimą. Nors metalizuota keramika ir variklių guoliai priskiriami skirtingoms reikmėms, jie įkūnija tą pačią medžiagų kūrimo tendenciją, ty išspręsti tradicinių metalinių medžiagų veikimo apribojimus tam tikromis darbo sąlygomis dėl keraminių medžiagų izoliacijos, didelio stiprumo ir atsparumo aukštai temperatūrai savybių.

 

 

Kadangi naujų energiją naudojančių transporto priemonių įtampos platforma ir toliau tobulėja, pažangios keramikos taikymo sritis palaipsniui plečiasi nuo atskirų izoliacijos komponentų iki aukštos{0}}įtampos jungiklių, maitinimo modulių, jutiklių, jungčių konstrukcijų ir šilumos valdymo{1}}susijusių komponentų.

 

Aukštos-elektros komponentuose metalizuota aliuminio oksido keramika, skirta elektriniams komponentams, gali integruoti izoliacijos, laidumo ir mechaninio sujungimo funkcijas, derinant keraminę izoliacinę matricą ir metalizuotus laidžius sluoksnius. Ši konstrukcija ypač tinka elektriniams komponentams, turintiems ribotą erdvę ir aukštus izoliacijos reikalavimus.

 

Aukštos{0}}įtampos įrenginiams, kuriems reikalingas didesnis matmenų tikslumas, preciziškai metalizuoto aliuminio oksido keramikos komponentai gali derinti tikslaus liejimo, sukepinimo, metalizavimo ir apdirbimo procesus, kad atitiktų sudėtingas struktūras ir aukštus{1}}surinkimo tikslumo reikalavimus. Naujos energijos automobilių dalys ir toliau tobulėja siekiant mažinti, lengvos ir didelio galios tankio, todėl keraminių dalių matmenų valdymas ir apdorojimo nuoseklumas tampa svarbesni.

 

Kita vertus, padidėjus galios puslaidininkių darbinei įtampai ir perjungimo dažniui, keraminės izoliacinės medžiagos taip pat turi susidurti su didesniu elektrinio lauko intensyvumu ir didesniu įtampos kitimo greičiu. Tokios konstrukcijos kaip metalizuoti keraminiai izoliaciniai vamzdžiai ir metalizuotos keraminės dalys gali būti naudojamos specialiems elektriniams komponentams, kuriems reikia izoliacijos, laidžios jungties ir inkapsuliavimo funkcijų, todėl aukštos įtampos elektros sistemoms galima rasti kompaktiškesnius konstrukcinius sprendimus.

 

 

 

Pažangios keramikos taikymas naujose energetinėse transporto priemonėse nėra paprastas medžiagų pakeitimas, o sistemingas projektas, apimantis medžiagas, konstrukcijas, procesus ir patikimumo patikrinimą.

 

Pirmiausia reikia parinkti tinkamas keramines medžiagas, atsižvelgiant į darbinę įtampą, temperatūrą, srovę, mechaninę apkrovą ir aplinkos sąlygas. Antra, formavimo, sukepinimo, tikslaus apdirbimo ir paviršiaus metalizavimo procesai turi būti nustatyti pagal komponento struktūrą. Naudojant aukšto slėgio sandarinimo įtaisus, reikia toliau atsižvelgti į keraminių ir metalinių medžiagų šiluminio plėtimosi atitiktį ir sandarinimo liekamąjį įtempį.

 

Dėl galios elektronikos keraminiams pagrindams taip pat reikia sutelkti dėmesį į terminio ciklo trukmę ir sąsajos patikimumą. Kadangi naujos energijos transporto priemonės palaipsniui tobulėja iš tradicinių IGBT į didelio-našumo plataus-pralaidumo galios puslaidininkius, galios modulių perjungimo greitis ir galios tankis toliau didėja, o reikalavimai izoliacinėms medžiagoms ir pakavimo konstrukcijoms taip pat toliau didės.

 

Aukšto grynumo aliuminio oksido tikslios pažangios keraminės metalizacijos dalys yra tinkamos specialiems elektroniniams komponentams, kuriems reikalingas didelis grynumas, izoliacinės savybės, matmenų tikslumas ir metalizavimo patikimumas. Tokiems gaminiams paprastai reikalinga visiška proceso kontrolė – nuo ​​keramikos miltelių, liejimo, sukepinimo iki tikslaus apdirbimo ir metalizavimo.

 

 

Žvelgiant iš bendros naujų energetinių transporto priemonių technologinės plėtros krypties, pažangios keramikos taikymas daugiausia atspindi tris tendencijas.

 

Pirma, aukšta įtampa padidina izoliacinės keramikos poreikį. Palaipsniui pritaikius 800 V ir aukštesnės įtampos platformas, reikalavimai aukštos- įtampos kontaktorių, relių, maitinimo modulių ir įkrovimo sistemų izoliacinėms medžiagoms ir toliau didėja. Keraminės medžiagos turi didelį dielektrinį stiprumą ir atsparumą karščiui, todėl jas galima gerai pritaikyti aukštos -tampos elektros komponentams.

 

Antra, didelis galios tankis skatina keraminių pakavimo medžiagų atnaujinimą. Naujos energijos transporto priemonių elektrinės pavaros sistemos turi pasiekti didesnę galią mažesnėje erdvėje, o galios puslaidininkių šilumos srauto tankis ir toliau didėja. Todėl daugiau dėmesio bus skiriama keraminiams pagrindams ir pakavimo medžiagoms, turinčioms gerą šilumos laidumą ir mechaninį patikimumą.

 

Trečia, tiksli gamyba skatina keraminių dalių kūrimą į sudėtingas struktūras. Naujoms energetinėms automobilių dalims keliami vis didesni svorio, erdvės ir patikimumo reikalavimai. Keraminiai komponentai atliks ne tik tradicines izoliacijos funkcijas, bet ir gali toliau integruoti tokias funkcijas kaip atrama, šilumos išsklaidymo, pakavimo ir elektros prijungimo funkcijos.

 

Apskritai pažangi keramika tapo svarbia medžiagų sistema aukštos{0}}įtampos elektros ir galios elektronikos srityse naujų energiją naudojančių transporto priemonių. Nuo aukštos -įtampos relių izoliacinio korpuso iki keramikos vario-aptrauktų pagrindo galios puslaidininkių moduliuose, aukštos- įtampos kontaktorių, izoliuojančių guolių ir metalizuotų keraminių jungiamųjų dalių – keramika atlieka vis daugiau pagrindinių naujų energijos transporto priemonių elektrifikavimo funkcijų.

 

Ateityje, naujoms energetinėms transporto priemonėms tobulinant didesnę įtampą, didesnį galios tankį, didesnį patikimumą ir mažesnį dydį,Tiksliai metalizuoto aliuminio oksido keramikos komponentaimedžiagos toliau taps iš paprastų izoliacinių medžiagų į aukštos kokybės{0}}struktūrines ir funkcines medžiagas. Nuolatinė technologijų, pvz., medžiagų formulavimo, preciziško liejimo, metalizavimo, keramikos sandarinimo -į -metalą ir patikimumo bandymų, pažanga taps svarbiu pagrindu pažangiajai keramikai toliau patekti į naujų energetinių transporto priemonių pagrindinių dalių tiekimo grandinę.