Εισαγωγή
Με την ταχεία ανάπτυξη νέων ενεργειακών οχημάτων, συστημάτων ηλεκτρικής κίνησης και ηλεκτρονικών τεχνολογιών υψηλής ισχύος, η αυτοκινητοβιομηχανία θέτει ολοένα και μεγαλύτερες απαιτήσεις σε επιδόσεις υλικών. Ειδικά σε συστήματα μπαταριών, ηλεκτρονικού ελέγχου, κινητήρα και κινητήρων υψηλής θερμοκρασίας, η «διάχυση θερμότητας» έχει γίνει ένας κρίσιμος παράγοντας που επηρεάζει τη συνολική απόδοση και τη διάρκεια ζωής του οχήματος. Σε αυτό το πλαίσιο, τα θερμικά αγώγιμα βιομηχανικά κεραμικά υλικά υιοθετούνται από έναν αυξανόμενο αριθμό κατασκευαστών εξαρτημάτων αυτοκινήτων. Λοιπόν, ποια είναι μερικά κοινά θερμικά αγώγιμα βιομηχανικά κεραμικά υλικά που χρησιμοποιούνται στα αυτοκίνητα; Και σε ποια εξαρτήματα εφαρμόζονται; Αυτό το άρθρο παρέχει μια ολοκληρωμένη επισκόπηση.
1. Γιατί η αυτοκινητοβιομηχανία δίνει όλο και μεγαλύτερη προσοχή στα θερμικά αγώγιμα κεραμικά υλικά;
Ενώ τα παραδοσιακά μέταλλα προσφέρουν καλή θερμική αγωγιμότητα, παρουσιάζουν επίσης σημαντικά μειονεκτήματα:
Διοχετεύουν ηλεκτρισμό, θέτοντας σε κίνδυνο ηλεκτρικούς κινδύνους.
Είναι επιρρεπείς σε οξείδωση και παραμόρφωση σε υψηλές θερμοκρασίες.
Η μακροχρόνια αντοχή τους στη διάβρωση είναι περιορισμένη.
Είναι επίσης σχετικά βαριά, εμποδίζοντας τη μείωση του βάρους.
Αντίθετα, τα θερμικά αγώγιμα βιομηχανικά κεραμικά υλικά μπορούν να επιτύχουν όλα τα ακόλουθα:
✔ Θερμική αγωγιμότητα
✔ Μόνωση
✔ Αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες
✔ Αντοχή στη διάβρωση
✔ Ελαφρύ
✔ Μεγάλη διάρκεια ζωής και σταθερή λειτουργία
Ειδικά στον τομέα των οχημάτων νέας ενέργειας, τα κεραμικά υλικά έχουν γίνει σταδιακά σημαντικό συστατικό λύσεων θερμικής διαχείρισης υψηλής τεχνολογίας.
1. Κεραμικό νιτρίδιο αλουμινίου (AlN) – ένα βασικό υλικό για την ηλεκτρονική απαγωγή θερμότητας αυτοκινήτων
Το νιτρίδιο αλουμινίου είναι ένα από τα πιο δημοφιλή θερμικά αγώγιμα κεραμικά στον τομέα των ηλεκτρονικών αυτοκινήτων.
Βασικά Χαρακτηριστικά:
Υψηλή θερμική αγωγιμότητα: ≥170 W/(m·K)
Εξαιρετική απόδοση ηλεκτρικής μόνωσης
Συντελεστής θερμικής διαστολής κοντά σε αυτόν των τσιπς πυριτίου
Ισχυρή σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες
Κύριες Εφαρμογές:
Υπόστρωμα μονάδας ισχύος IGBT
Νέα ενεργειακά ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου οχημάτων
Ενσωματωμένοι φορτιστές (OBC)
Μονάδες DC/DC
Εξαρτήματα απαγωγής θερμότητας LiDAR
? Στα νέα ενεργειακά οχήματα, το κεραμικό νιτρίδιο αλουμινίου έχει γίνει ένα σημαντικό υλικό για την απαγωγή της θερμότητας των ηλεκτρονικών υψηλής ισχύος.
2. Κεραμικά νιτριδίου πυριτίου (Si3N4) – θερμικά αγώγιμα δομικά κεραμικά υψηλής αντοχής
Το νιτρίδιο του πυριτίου έχει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:
Υψηλή θερμική αγωγιμότητα
Εξαιρετικά υψηλή μηχανική αντοχή
Εξαιρετική αντοχή σε θερμικό σοκ
Εξαιρετική συνολική απόδοση
Κύριες εφαρμογές:
Ρότορες υπερσυμπιεστή
Μπάλες ρουλεμάν υψηλής ταχύτητας
Ρουλεμάν συστήματος ηλεκτροκίνησης
Υποστρώματα μονάδας ισχύος
Εξαρτήματα κινητήρα υψηλής θερμοκρασίας
Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά μέταλλα:
? Το νιτρίδιο του πυριτίου είναι ελαφρύτερο, πιο ανθεκτικό στη φθορά και πιο ανθεκτικό στη θερμότητα.
3. Κεραμικά αλουμίνας (Al2O3) – τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα θερμικά αγώγιμα και μονωτικά κεραμικά.
Αν και η αλουμίνα έχει χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα από το νιτρίδιο του αλουμινίου, προσφέρει εξαιρετικά υψηλή συνολική σχέση κόστους-αποτελεσματικότητας.
Βασικά Χαρακτηριστικά:
Θερμική αγωγιμότητα: 20–30 W/(m·K)
Καλή ηλεκτρική μόνωση
Χαμηλό Κόστος
Ώριμη και σταθερή διαδικασία παραγωγής
Κύριες Εφαρμογές:
Ηλεκτρονικά Κεραμικά Υποστρώματα Αυτοκινήτων
Εξαρτήματα μόνωσης συστήματος ανάφλεξης
Δομικά εξαρτήματα αισθητήρα
Υποστρώματα ψύκτρας LED φωτισμού αυτοκινήτου
? Χρησιμοποιείται ευρέως σε ηλεκτρονικά συστήματα αυτοκινήτων χαμηλής έως μεσαίας ισχύος.
4. Κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου (SiC) – ένα αντιπροσωπευτικό υλικό για εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής ισχύος.
Το καρβίδιο του πυριτίου έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:
Εξαιρετικά υψηλή θερμική αγωγιμότητα ≥100W/(m·K)
Αντοχή σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες
Ισχυρή αντοχή στη φθορά και τη διάβρωση
Κύριες εφαρμογές:
Συστήματα πέδησης υψηλής απόδοσης
Δομικά στοιχεία υψηλής θερμοκρασίας
Μονάδες ψύξης ηλεκτροκίνησης
Εξαρτήματα που σχετίζονται με συσκευές ισχύος καρβιδίου του πυριτίου
Ειδικά στις πλατφόρμες υψηλής τάσης των νέων ενεργειακών οχημάτων, τα υλικά που σχετίζονται με το καρβίδιο του πυριτίου γνωρίζουν ταχεία ανάπτυξη.
Επί του παρόντος, τα θερμικά αγώγιμα βιομηχανικά κεραμικά έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στα ακόλουθα συστήματα αυτοκινήτων:
| Συστήματα Αυτοκινήτων | Κεραμικές Εφαρμογές |
| Νέο σύστημα ελέγχου ισχύος ενέργειας | Κεραμικό υπόστρωμα, μονωτική ψύκτρα |
| Μονάδες ισχύος IGBT | Υπόστρωμα νιτριδίου αλουμινίου / οξειδίου αλουμινίου / νιτριδίου του πυριτίου |
| Θερμική διαχείριση μπαταρίας | Θερμικά αγώγιμα και μονωτικά δομικά στοιχεία |
| Ραντάρ οχημάτων | Ηλεκτρονικά εξαρτήματα απαγωγής θερμότητας υψηλής συχνότητας |
| Φώτα αυτοκινήτου LED | Κεραμικό υπόστρωμα απαγωγής θερμότητας |
| Ρουλεμάν υψηλής ταχύτητας | κεραμικές μπάλες νιτριδίου πυριτίου |
| Σύστημα υπερπλήρωσης | Κεραμικός ρότορας υψηλής θερμοκρασίας |
Καθώς η αυτοκινητοβιομηχανία οδεύει προς:
υψηλή ισχύς
υψηλή ολοκλήρωση
υψηλή τάση
υψηλή ταχύτητα
ελαφρύ
Τα παραδοσιακά μεταλλικά υλικά δυσκολεύονται ολοένα και περισσότερο να ικανοποιήσουν ταυτόχρονα τις ακόλουθες απαιτήσεις:
"Διαχύσεις θερμότητας + μόνωση + αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία + ελαφρύ"
Τα βιομηχανικά κεραμικά μπορούν να λύσουν αυτά τα προβλήματα ταυτόχρονα.
Ειδικά στον τομέα των νέων ενεργειακών οχημάτων:
? Τα θερμικά αγώγιμα κεραμικά αναβαθμίζονται από «βοηθητικά υλικά» σε «υλικά πυρήνα».
Από μονάδες ισχύος έως ρουλεμάν υψηλής ταχύτητας, από ψύκτρες μέχρι ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου, τα θερμικά αγώγιμα κεραμικά έχουν γίνει απαραίτητο υλικό στα σύγχρονα αυτοκίνητα.
Στο μέλλον, τα θερμικά αγώγιμα κεραμικά υψηλής απόδοσης θα διαδραματίζουν όλο και πιο σημαντικό ρόλο σε:
Οχήματα Νέας Ενέργειας
Ευφυή Οχήματα
Ηλεκτρονικά υψηλής ισχύος
Συστήματα Αυτόνομης Οδήγησης