Wstęp
Wraz z szybkim rozwojem nowych pojazdów energetycznych, elektrycznych układów napędowych i technologii elektronicznych dużej mocy, przemysł motoryzacyjny stawia coraz wyższe wymagania w zakresie wydajności materiałów. Szczególnie w przypadku akumulatorów, układów sterowania elektronicznego, silników i silników wysokotemperaturowych „rozpraszanie ciepła” stało się kluczowym czynnikiem wpływającym na ogólną wydajność i żywotność pojazdu. W tym kontekście coraz większa liczba producentów podzespołów samochodowych wykorzystuje przewodzące ciepło przemysłowe materiały ceramiczne. Jakie są zatem powszechnie stosowane w samochodach przemysłowe materiały ceramiczne przewodzące ciepło? A w jakich komponentach są stosowane? W tym artykule przedstawiono kompleksowy przegląd.
1. Dlaczego przemysł motoryzacyjny zwraca coraz większą uwagę na materiały ceramiczne przewodzące ciepło?
Chociaż tradycyjne metale zapewniają dobrą przewodność cieplną, mają również istotne wady:
Przewodzą prąd, stwarzając ryzyko porażenia prądem elektrycznym.
Są podatne na utlenianie i deformację w wysokich temperaturach.
Ich długoterminowa odporność na korozję jest ograniczona.
Są też stosunkowo ciężkie, co utrudnia redukcję wagi.
Natomiast termoprzewodzące przemysłowe materiały ceramiczne mogą osiągnąć wszystkie poniższe cechy:
✔ Przewodność cieplna
✔ Izolacja
✔ Odporność na wysoką temperaturę
✔ Odporność na korozję
✔ Lekki
✔ Długa żywotność i stabilna praca
Szczególnie w dziedzinie nowych pojazdów energetycznych materiały ceramiczne stopniowo stają się ważnym składnikiem wysokiej klasy rozwiązań w zakresie zarządzania ciepłem.
1. Ceramika azotku glinu (AlN) – materiał rdzenia do odprowadzania ciepła w elektronice samochodowej
Azotek glinu jest jedną z najpopularniejszych ceramiki przewodzącej ciepło w elektronice samochodowej.
Kluczowe funkcje:
Wysoka przewodność cieplna: ≥170 W/(m·K)
Doskonała wydajność izolacji elektrycznej
Współczynnik rozszerzalności cieplnej zbliżony do chipów krzemowych
Silna stabilność w wysokiej temperaturze
Główne zastosowania:
Podłoże modułu mocy IGBT
Nowe elektroniczne systemy sterowania pojazdami energetycznymi
Ładowarki pokładowe (OBC)
Moduły DC/DC
Elementy odprowadzające ciepło LiDAR
? W nowych pojazdach energetycznych ceramika z azotku glinu stała się ważnym materiałem do odprowadzania ciepła z elektroniki dużej mocy.
2. Ceramika z azotku krzemu (Si₃N₄) – ceramika konstrukcyjna przewodząca ciepło o wysokiej wytrzymałości
Azotek krzemu ma następujące zalety:
Wysoka przewodność cieplna
Bardzo wysoka wytrzymałość mechaniczna
Wyjątkowa odporność na szok termiczny
Doskonała ogólna wydajność
Główne zastosowania:
Wirniki turbosprężarki
Kulki łożyskowe o dużej prędkości
Łożyska układu napędu elektrycznego
Podłoża modułów mocy
Elementy silnika odporne na wysoką temperaturę
W porównaniu do tradycyjnych metali:
? Azotek krzemu jest lżejszy, bardziej odporny na zużycie i bardziej odporny na ciepło.
3. Ceramika z tlenku glinu (Al₂O₃) – najczęściej stosowana ceramika przewodząca ciepło i izolująca.
Chociaż tlenek glinu ma niższą przewodność cieplną niż azotek glinu, oferuje wyjątkowo wysoką ogólną opłacalność.
Kluczowe funkcje:
Przewodność cieplna: 20–30 W/(m·K)
Dobra izolacja elektryczna
Niski koszt
Dojrzały i stabilny proces produkcyjny
Główne zastosowania:
Motoryzacyjne elektroniczne podłoża ceramiczne
Elementy izolacji układu zapłonowego
Elementy konstrukcyjne czujnika
Podłoża radiatorów oświetlenia samochodowego LED
? Szeroko stosowany w samochodowych układach elektronicznych małej i średniej mocy.
4. Ceramika z węglika krzemu (SiC) – reprezentatywny materiał do zastosowań wysokotemperaturowych i dużych mocy.
Węglik krzemu ma następujące właściwości:
Ekstremalnie wysoka przewodność cieplna ≥100W/(m·K)
Odporność na bardzo wysoką temperaturę
Silna odporność na zużycie i korozję
Główne zastosowania:
Wysokowydajne układy hamulcowe
Elementy konstrukcyjne odporne na wysoką temperaturę
Moduły chłodzące napęd elektryczny
Komponenty związane z urządzeniami zasilającymi z węglika krzemu
Szczególnie w platformach wysokiego napięcia pojazdów nowej generacji, materiały na bazie węglika krzemu szybko się rozwijają.
Obecnie termoprzewodząca ceramika przemysłowa znalazła szerokie zastosowanie w następujących układach motoryzacyjnych:
| Systemy motoryzacyjne | Zastosowania ceramiczne |
| Nowy system kontroli mocy energetycznej | Podłoże ceramiczne, radiator izolacyjny |
| Moduły mocy IGBT | Podłoże z azotku glinu / tlenku glinu / azotku krzemu |
| Zarządzanie temperaturą akumulatora | Elementy konstrukcyjne przewodzące ciepło i izolujące |
| Radar pojazdu | Elektroniczne elementy rozpraszające ciepło o wysokiej częstotliwości |
| Światła samochodowe LED | Ceramiczne podłoże rozpraszające ciepło |
| Łożyska o dużej prędkości | kulki ceramiczne z azotku krzemu |
| Układ turbodoładowania | Wysokotemperaturowy rotor ceramiczny |
W miarę jak przemysł motoryzacyjny zmierza w kierunku:
duża moc
wysoka integracja
Wysokie napięcie
duża prędkość
lekkość
tradycyjnym materiałom metalowym coraz trudniej jest jednocześnie spełnić następujące wymagania:
„Rozpraszanie ciepła + izolacja + odporność na wysoką temperaturę + lekkość”
Ceramika przemysłowa może rozwiązać te problemy jednocześnie.
Zwłaszcza w dziedzinie pojazdów o nowej energii:
? Ceramika przewodząca ciepło jest modernizowana z „materiałów pomocniczych” na „materiały rdzeniowe”.
Od modułów mocy po łożyska o dużej prędkości, od radiatorów po elektroniczne systemy sterowania, ceramika przewodząca ciepło stała się niezbędnym materiałem w nowoczesnych samochodach.
W przyszłości wysokowydajna ceramika przewodząca ciepło będzie odgrywać coraz większą rolę w:
Nowe pojazdy energetyczne
Inteligentne pojazdy
Elektronika dużej mocy
Systemy jazdy autonomicznej