مقدمة
مع التطور السريع لمركبات الطاقة الجديدة، وأنظمة القيادة الكهربائية، والتقنيات الإلكترونية عالية الطاقة، تضع صناعة السيارات متطلبات أعلى بشكل متزايد على أداء المواد. خاصة في البطاريات، والتحكم الإلكتروني، والمحرك، وأنظمة المحركات ذات درجة الحرارة العالية، أصبح "تبديد الحرارة" عاملاً حاسماً يؤثر على الأداء العام للمركبة وعمرها. على هذه الخلفية، يتم اعتماد مواد السيراميك الصناعية الموصلة حرارياً من قبل عدد متزايد من الشركات المصنعة لمكونات السيارات. إذًا، ما هي بعض المواد السيراميكية الصناعية الموصلة للحرارة الشائعة المستخدمة في السيارات؟ وفي أي مكونات يتم تطبيقها؟ توفر هذه المقالة نظرة شاملة.
1. لماذا تولي صناعة السيارات المزيد والمزيد من الاهتمام للمواد الخزفية الموصلة للحرارة؟
في حين أن المعادن التقليدية توفر موصلية حرارية جيدة، إلا أنها تمثل أيضًا عيوبًا كبيرة:
فهي موصلة للكهرباء، مما يشكل خطرًا للمخاطر الكهربائية.
فهي عرضة للأكسدة والتشوه في درجات حرارة عالية.
مقاومتها للتآكل على المدى الطويل محدودة.
كما أنها ثقيلة نسبيًا، مما يعيق فقدان الوزن.
في المقابل، يمكن لمواد السيراميك الصناعية الموصلة حرارياً تحقيق كل ما يلي:
✔ التوصيل الحراري
✔ العزل
✔مقاومة درجات الحرارة العالية
✔ مقاومة التآكل
✔ خفيف الوزن
✔ عمر طويل وتشغيل مستقر
وخاصة في مجال مركبات الطاقة الجديدة، أصبحت المواد الخزفية تدريجيًا عنصرًا مهمًا في حلول الإدارة الحرارية المتطورة.
1. سيراميك نيتريد الألومنيوم (AlN) - مادة أساسية لتبديد الحرارة الإلكترونية في السيارات
يعد نيتريد الألومنيوم أحد أكثر أنواع السيراميك الموصلة للحرارة شيوعًا في مجال إلكترونيات السيارات.
الميزات الرئيسية:
الموصلية الحرارية العالية: ≥170 واط/(م·ك)
أداء عزل كهربائي ممتاز
معامل التمدد الحراري قريب من معامل التمدد الحراري لرقائق السيليكون
استقرار قوي في درجات الحرارة العالية
التطبيقات الرئيسية:
IGBT الركيزة وحدة الطاقة
أنظمة التحكم الإلكتروني في مركبات الطاقة الجديدة
أجهزة الشحن على متن الطائرة (OBC)
وحدات العاصمة / العاصمة
مكونات تبديد الحرارة LiDAR
؟ في مركبات الطاقة الجديدة، أصبح سيراميك نيتريد الألومنيوم مادة مهمة لتبديد الحرارة في الإلكترونيات عالية الطاقة.
2. سيراميك نيتريد السيليكون (Si₃N₄) - سيراميك هيكلي موصل حرارياً عالي القوة
يتمتع نيتريد السيليكون بالمزايا التالية:
الموصلية الحرارية العالية
قوة ميكانيكية فائقة
مقاومة استثنائية للصدمات الحرارية
الأداء العام ممتاز
التطبيقات الرئيسية:
دوارات الشاحن التربيني
كرات تحمل عالية السرعة
محامل نظام القيادة الكهربائية
ركائز وحدة الطاقة
ارتفاع درجة حرارة مكونات المحرك
مقارنة بالمعادن التقليدية:
؟ نيتريد السيليكون أخف وزنا وأكثر مقاومة للاهتراء وأكثر مقاومة للحرارة.
3. سيراميك الألومينا (Al₂O₃) - السيراميك الأكثر استخدامًا في التوصيل الحراري والعازل.
على الرغم من أن الألومينا تتمتع بموصلية حرارية أقل من نيتريد الألومنيوم، إلا أنها توفر فعالية عالية للغاية من حيث التكلفة بشكل عام.
الميزات الرئيسية:
الموصلية الحرارية: 20-30 واط/(م·ك)
عزل كهربائي جيد
تكلفة منخفضة
عملية التصنيع ناضجة ومستقرة
التطبيقات الرئيسية:
ركائز السيراميك الإلكترونية للسيارات
مكونات عزل نظام الإشعال
المكونات الهيكلية الاستشعار
ركائز غرفة التبريد لإضاءة السيارات LED
؟ تستخدم على نطاق واسع في الأنظمة الإلكترونية للسيارات ذات الطاقة المنخفضة إلى المتوسطة.
4. سيراميك كربيد السيليكون (SiC) – مادة ممثلة لتطبيقات درجات الحرارة العالية والطاقة العالية.
يمتلك كربيد السيليكون الخصائص التالية:
الموصلية الحرارية العالية للغاية ≥100W/(m·K)
مقاومة درجات الحرارة العالية للغاية
مقاومة قوية للتآكل والتآكل
التطبيقات الرئيسية:
أنظمة مكابح عالية الأداء
المكونات الهيكلية ذات درجة الحرارة العالية
وحدات تبريد المحرك الكهربائي
المكونات المتعلقة بأجهزة الطاقة من كربيد السيليكون
وخاصة في المنصات ذات الجهد العالي لمركبات الطاقة الجديدة، تشهد المواد المرتبطة بكربيد السيليكون نموًا سريعًا.
حاليًا، يتم استخدام السيراميك الصناعي الموصل للحرارة على نطاق واسع في أنظمة السيارات التالية:
| أنظمة السيارات | تطبيقات السيراميك |
| نظام جديد للتحكم في الطاقة | الركيزة السيراميك، بالوعة الحرارة العازلة |
| وحدات الطاقة IGBT | نيتريد الألومنيوم / أكسيد الألومنيوم / الركيزة نيتريد السيليكون |
| الإدارة الحرارية للبطارية | المكونات الهيكلية موصلة حراريا وعازلة |
| رادار السيارة | مكونات تبديد الحرارة الإلكترونية عالية التردد |
| أضواء السيارة LED | الركيزة تبديد الحرارة السيراميك |
| محامل عالية السرعة | كرات السيراميك نيتريد السيليكون |
| نظام الشحن التوربيني | دوار سيراميك عالي الحرارة |
مع تحرك صناعة السيارات نحو:
قوة عالية
التكامل العالي
الجهد العالي
سرعة عالية
الوزن الخفيف
تجد المواد المعدنية التقليدية صعوبة متزايدة في تلبية المتطلبات التالية في وقت واحد:
“تبديد الحرارة + العزل + مقاومة درجات الحرارة العالية + الوزن الخفيف"
يمكن للسيراميك الصناعي حل هذه المشاكل في وقت واحد.
وخاصة في مجال سيارات الطاقة الجديدة:
؟ يتم ترقية السيراميك الموصل حرارياً من "المواد المساعدة" إلى "المواد الأساسية".
من وحدات الطاقة إلى المحامل عالية السرعة، ومن المبددات الحرارية إلى أنظمة التحكم الإلكترونية، أصبح السيراميك الموصل للحرارة مادة لا غنى عنها في السيارات الحديثة.
في المستقبل، سوف يلعب السيراميك عالي الأداء والموصل للحرارة دورًا متزايد الأهمية في:
مركبات الطاقة الجديدة
المركبات الذكية
إلكترونيات عالية الطاقة
أنظمة القيادة الذاتية