Ứng dụng và giá trị kỹ thuật của gốm sứ tiên tiến trong bối cảnh nâng cấp điện khí hóa các phương tiện sử dụng năng lượng mới

Việc chuyển đổi các phương tiện sử dụng năng lượng mới từ năng lượng nhiên liệu truyền thống sang truyền động điện, điều khiển thông minh và hệ thống điện cao áp-không chỉ thay đổi cấu trúc năng lượng của phương tiện mà còn thúc đẩy việc nâng cấp vật chất của các bộ phận chính như rơle điện áp cao-, chất bán dẫn công suất, vòng bi động cơ và hệ thống điều khiển điện tử. Với sự phát triển không ngừng của nền tảng điện áp 800V trở lên, hệ thống truyền động điện mật độ năng lượng cao-và công nghệ sạc và xả nhanh, các bộ phận cũng phải đối mặt với các yêu cầu về điện áp, dòng điện, nhiệt độ, tần số và độ tin cậy cao hơn.

 

Trong quá trình này, gốm sứ tiên tiến đã dần dần mở rộng từ vật liệu kết cấu truyền thống sang điện áp cao, điện tử công suất và hệ thống truyền động cho các phương tiện sử dụng năng lượng mới nhờ độ bền điện môi cao, khả năng chịu nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học cao và độ ổn định kích thước tốt. Ứng dụng của nó tập trung vào các thiết bị chuyển mạch DC điện áp cao{2}}, bao bì bán dẫn điện, công tắc tơ điện áp cao-bằng gốm và vòng bi cách điện động cơ.

 

 

 

Hệ thống điện-cao áp của các phương tiện sử dụng năng lượng mới thường yêu cầu rơle hoặc công tắc tơ để kết nối, ngắt kết nối và cách ly an toàn giữa bộ pin và mạch điện áp cao-như bộ biến tần, động cơ và hệ thống sạc. So với hệ thống điện ô tô-điện áp thấp, việc chuyển đổi trong môi trường DC điện áp-cao phức tạp hơn. Đặc biệt là khi ngắt kết nối mạch trong điều kiện dòng điện cao, hồ quang có thể xảy ra giữa các tiếp điểm, điều này đặt ra yêu cầu cao hơn về cấu trúc cách điện và khả năng dập tắt hồ quang.

 

Vật liệu gốm có đặc tính cách điện tuyệt vời và khả năng chịu nhiệt độ cao, đồng thời có thể được sử dụng trong vỏ cách điện, ống bọc cách điện và cấu trúc bịt kín bên trong rơle và công tắc tơ DC điện áp cao-. Thông qua khả năng bịt kín đáng tin cậy của vật liệu gốm và kim loại, có thể hình thành một không gian làm việc tương đối khép kín bên trong để duy trì khả năng cách điện ổn định giữa-các bộ phận dẫn điện áp cao và cấu trúc bên ngoài, đồng thời cung cấp các điều kiện bịt kín cần thiết cho môi trường dập hồ quang.

 

Trong các thiết bị chuyển mạch điện áp cao-, gốm alumina là một trong những vật liệu cách điện phổ biến hơn. Các hệ thống Alumina có độ tinh khiết và hiệu suất khác nhau có thể được lựa chọn thêm dựa trên các mức điện áp, độ bền cơ học, tính chất nhiệt và yêu cầu kích thước khác nhau. Đối với các bộ phận cần đáp ứng đồng thời các yêu cầu về cách nhiệt, hỗ trợ cơ học và hàn kín kim loại, Gốm kim loại Alumina có thể đạt được các kết nối đáng tin cậy giữa gốm và kim loại thông qua quá trình hàn và kim loại hóa bề mặt gốm.

 

Giá trị của vật liệu gốm trong các sản phẩm đó không chỉ giới hạn ở khả năng cách nhiệt. Nhiệt độ nhất thời và ứng suất cơ học sẽ được tạo ra trong quá trình vận hành các công tắc tơ-điện áp cao, do đó, vỏ gốm cũng cần có độ ổn định nhiệt, ổn định kích thước và khả năng chống sốc nhiệt tốt. Lựa chọn vật liệu, thiết kế kết cấu và quá trình kim loại hóa cần phải được thiết kế toàn diện dựa trên các yêu cầu về điện áp, dòng điện, nhiệt độ và tuổi thọ hoạt động thực tế.

 

 

 

Một trong những cốt lõi của hệ thống truyền động điện của phương tiện sử dụng năng lượng mới là bộ điều khiển điện tử công suất, có chức năng chính là hoàn thành quá trình chuyển đổi hiệu quả giữa nguồn DC của pin điện và nguồn AC mà động cơ yêu cầu. Khi mật độ năng lượng của hệ thống truyền động điện tăng lên, các thiết bị bán dẫn công suất cần chịu được dòng điện cao hơn và chu kỳ nhiệt thường xuyên hơn. Vì vậy, vật liệu đóng gói không chỉ phải có đặc tính cách nhiệt tốt mà còn phải tính đến khả năng tản nhiệt, độ bền cơ học và khả năng giãn nở nhiệt.

 

Chất nền phủ gốm đồng-thường bao gồm các lớp đồng, lớp cách nhiệt bằng gốm và lớp đồng. Lớp gốm chịu trách nhiệm cách điện và hỗ trợ cơ học, còn lớp đồng chịu trách nhiệm truyền dòng điện, kết nối chip và tản nhiệt. So với các vật liệu cách điện hữu cơ nguyên chất, chất nền gốm có thể duy trì các đặc tính cơ và điện ổn định trong môi trường nhiệt độ cao hơn, khiến chúng phù hợp với các mô-đun điện tử công suất có mật độ -công suất{4}}cao.

 

Các vật liệu gốm phổ biến hiện đang được sử dụng trong các mô-đun năng lượng của xe năng lượng mới bao gồm nhôm oxit, nhôm nitrit và silicon nitrit. Nhôm oxit có đặc điểm là chi phí tương đối vừa phải, hiệu suất cách nhiệt tốt và quy trình trưởng thành; nhôm nitrit có tính dẫn nhiệt cao và có lợi thế trong các tình huống có yêu cầu tản nhiệt cao; silicon nitride có độ bền cơ học cao, độ ổn định nhiệt và khả năng chống chu trình nhiệt, đồng thời phù hợp hơn cho các ứng dụng điện tử công suất đòi hỏi độ tin cậy lâu dài-cao.

 

Khi các mô-đun năng lượng phương tiện năng lượng mới phát triển theo hướng điện áp cao, dòng điện cao và thu nhỏ, nhu cầu về các thành phần kim loại gốm-có độ chính xác cao như Gốm kim loại chính xác cũng tăng lên. Lớp kim loại hóa trên bề mặt gốm cần phải có độ bám dính tốt và tính chất điện ổn định, đồng thời có thể chịu được ứng suất sinh ra trong quá trình hàn, hàn đồng và luân nhiệt tiếp theo.

 

Đối với bao bì bán dẫn điện, việc kết hợp hệ số giãn nở nhiệt giữa vật liệu gốm và lớp đồng là rất quan trọng. Trong quá trình vận hành thực tế, các phương tiện sử dụng năng lượng mới sẽ trải qua quá trình khởi động, tăng tốc, phanh, sạc nhanh và các thay đổi nhiệt độ môi trường khác nhau, đồng thời mô-đun điện sẽ liên tục gặp hiện tượng nóng và làm mát. Nếu chênh lệch về độ giãn nở nhiệt giữa các vật liệu quá lớn, chu trình nhiệt-trong thời gian dài có thể gây ra hiện tượng mỏi, nứt hoặc tách lớp bề mặt, do đó ảnh hưởng đến tuổi thọ mô-đun.

 

Do đó, thiết kế bao bì gốm của mô-đun năng lượng xe năng lượng mới cần phải xem xét đồng thời tính dẫn nhiệt, độ bền cách nhiệt, độ bền cơ học, độ giãn nở nhiệt và độ chính xác xử lý và không thể chỉ dựa vào hiệu suất vật liệu nhất định làm cơ sở để lựa chọn.

 

 

Bản thân gốm có đặc tính cách nhiệt tuyệt vời, nhưng trong các thiết bị điện tử thực tế, gốm thường cần được kết nối với dây dẫn kim loại, điện cực hoặc cấu trúc bao bì. Do đó, kim loại hóa bề mặt gốm đã trở thành một quá trình quan trọng để đạt được sự kết hợp đáng tin cậy giữa gốm và kim loại.

 

Ý tưởng cơ bản của quá trình kim loại hóa gốm là tạo thành một lớp kim loại có độ dày và độ bám dính nhất định trên bề mặt gốm, để nó có thể được hàn, hàn thêm hoặc trải qua quá trình xử lý kết nối khác. Lớp kim loại hóa không chỉ cần có độ dẫn điện tốt mà còn cần hình thành liên kết giao diện ổn định với ma trận gốm.

 

Đối với-thiết bị điện áp cao của phương tiện sử dụng năng lượng mới, độ tin cậy của lớp kim loại hóa ảnh hưởng trực tiếp đến độ kín khí, hiệu suất cách nhiệt và độ ổn định cơ học của cấu trúc bao bì. Ví dụ: chất cách điện bằng gốm bên trong rơ-le điện áp cao{2}}cần tạo thành kết nối đáng tin cậy với vỏ kim loại; chất nền gốm trong mô-đun bán dẫn điện cần hình thành liên kết ổn định với lớp đồng.

 

Trong số-các linh kiện điện tử có độ chính xác cao, việc gia công chính xác các bộ phận bằng gốm Alumina có thể đáp ứng hơn nữa các yêu cầu phức tạp về kích thước, dung sai, vị trí lỗ và độ chính xác của mặt đầu. Đối với-thiết bị điện áp cao dành cho phương tiện sử dụng năng lượng mới, các bộ phận bằng gốm thường phải đồng thời đáp ứng các yêu cầu về kích thước thu nhỏ, cấu trúc phức tạp và độ tin cậy cao. Do đó, việc chuẩn bị nguyên liệu và xử lý chính xác cần phải được phối hợp kiểm soát.

 

 

 

Công tắc tơ-điện áp cao là bộ phận chuyển mạch quan trọng trong hệ thống điện-điện áp cao của các phương tiện sử dụng năng lượng mới. Chức năng chính của nó là điều khiển việc chuyển đổi mạch điện áp cao-trong quá trình khởi động, dừng, sạc và bảo vệ lỗi. Vì pin năng lượng mới của xe thường sử dụng điện áp DC hàng trăm vôn hoặc thậm chí cao hơn nên công tắc tơ-có điện áp cao phải duy trì hoạt động đáng tin cậy trong điều kiện áp lực điện cao.

 

Vỏ gốm của công tắc tơ HVDC thường thực hiện nhiều chức năng như cách điện bên trong, hỗ trợ kết cấu và bịt kín. Vỏ gốm cần duy trì khả năng cách nhiệt ổn định trong môi trường-điện áp cao đồng thời chịu được sự thay đổi nhiệt độ bên trong và ứng suất cơ học.

 

Công tắc tơ-điện áp cao thường sử dụng cấu trúc bịt kín bằng gốm và kim loại. Khu vực kết nối giữa gốm và kim loại là một trong những chìa khóa cho độ tin cậy của toàn bộ thiết bị. Nếu có khiếm khuyết trong giao diện bịt kín thì các vết nứt, rò rỉ và các sự cố khác có thể xảy ra dưới tác động của chu trình nhiệt-dài hạn, rung động cơ học hoặc thay đổi áp suất bên trong.

 

Do đó, việc sản xuất công tắc tơ-điện áp cao bằng gốm thường yêu cầu tập trung vào việc kiểm soát độ tinh khiết của vật liệu gốm, chất lượng thiêu kết, độ chính xác về kích thước, chất lượng lớp kim loại hóa và độ bền bịt kín-kim loại gốm. Đối với các sản phẩm có-độ tin cậy cao, cũng cần phải xác minh độ kín khí, cách điện, điện trở và chu trình nhiệt.

 

Từ góc độ kỹ thuật vật liệu, kết nối gốm-với-kim loại không phải là sự kết hợp cơ học đơn giản mà liên quan đến nhiều yếu tố như hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu, khả năng thấm ướt bề mặt, lựa chọn chất hàn, nhiệt độ bịt kín và kiểm soát ứng suất dư. Chỉ bằng cách đạt được sự kết hợp ổn định giữa giao diện gốm và kim loại, độ tin cậy về cách điện và bịt kín của các thiết bị-điện áp cao mới có thể được đảm bảo khi hoạt động-lâu dài.

 

 

Động cơ dẫn động phương tiện sử dụng năng lượng mới thường có tốc độ quay cao và bên trong động cơ có môi trường điện từ phức tạp. So với các hệ thống cơ khí truyền thống, ngoài tải trọng hướng tâm và hướng trục của ổ trục, ổ trục động cơ xe sử dụng năng lượng mới còn phải đối mặt với các vấn đề như-tốc độ quay cao, nhiệt độ tăng, dòng điện và ăn mòn điện.

 

Vòng bi kim loại truyền thống có thể tạo ra dòng điện trên trục trong những điều kiện vận hành động cơ nhất định. Khi dòng điện đi qua bên trong ổ trục, sự phóng điện hồ quang có thể được hình thành ở vùng tiếp xúc giữa con lăn và mương, gây ra hiện tượng ăn mòn rỗ, xói mòn và hư hỏng bề mặt, cuối cùng ảnh hưởng đến tuổi thọ của ổ trục.

 

Các con lăn bằng gốm có đặc tính mật độ thấp, độ cứng cao, chống mài mòn tốt và đặc tính cách điện tuyệt vời. Do đó, vòng bi gốm lai có giá trị ứng dụng nhất định trong-động cơ tốc độ cao và hệ thống điện khí hóa. Sự kết hợp giữa các con lăn bằng gốm và các ống sắt kim loại có thể làm giảm chất lượng của các con lăn trong khi vẫn duy trì độ bền kết cấu của ổ trục, đồng thời cải thiện đặc tính ma sát và cách điện trong điều kiện vận hành tốc độ cao.

 

Yêu cầu đối với vòng bi trong động cơ xe sử dụng năng lượng mới cũng đã thúc đẩy sự phát triển của các thành phần gốm-hiệu suất cao chẳng hạn như Thành phần gốm kim loại hóa có độ bền-cao. Mặc dù gốm kim loại và vòng bi động cơ thuộc các loại ứng dụng khác nhau, nhưng chúng thể hiện cùng một xu hướng phát triển vật liệu, đó là giải quyết các hạn chế về hiệu suất của vật liệu kim loại truyền thống trong các điều kiện làm việc cụ thể thông qua các đặc tính cách nhiệt, độ bền cao và khả năng chịu nhiệt độ cao của vật liệu gốm.

 

 

Khi nền tảng điện áp của các phương tiện sử dụng năng lượng mới tiếp tục được cải thiện, phạm vi ứng dụng của gốm sứ tiên tiến đang dần mở rộng từ các thành phần cách điện đơn lẻ đến các công tắc điện áp cao-, mô-đun nguồn, cảm biến, cấu trúc kết nối và các thành phần liên quan đến quản lý nhiệt-.

 

Trong-các thành phần điện có điện áp cao, Gốm Alumina kim loại hóa dành cho các thành phần điện có thể đạt được sự tích hợp các chức năng cách điện, độ dẫn điện và kết nối cơ học thông qua sự kết hợp giữa ma trận cách điện bằng gốm và các lớp dẫn điện kim loại. Cấu trúc này đặc biệt phù hợp với các linh kiện điện có không gian hạn chế và yêu cầu cách điện cao.

 

Đối với các thiết bị-điện áp cao yêu cầu độ chính xác về chiều cao hơn, Thành phần gốm Alumina được kim loại hóa chính xác có thể kết hợp các quy trình đúc, thiêu kết, kim loại hóa và gia công chính xác để đáp ứng các cấu trúc phức tạp và yêu cầu lắp ráp có độ chính xác-cao. Các bộ phận ô tô năng lượng mới tiếp tục phát triển theo hướng thu nhỏ, nhẹ và mật độ năng lượng cao, điều này cũng làm cho việc kiểm soát kích thước và tính nhất quán trong xử lý của các bộ phận gốm trở nên quan trọng hơn.

 

Mặt khác, khi điện áp hoạt động và tần số chuyển mạch của chất bán dẫn điện tăng lên, vật liệu cách điện bằng gốm cũng cần phải đối mặt với cường độ điện trường cao hơn và tốc độ thay đổi điện áp nhanh hơn. Các cấu trúc như Ống cách điện bằng gốm kim loại và Bộ phận gốm kim loại có thể được sử dụng cho các bộ phận điện đặc biệt yêu cầu cả chức năng cách điện, kết nối dẫn điện và đóng gói, cung cấp các giải pháp kết cấu nhỏ gọn hơn cho hệ thống điện cao áp.

 

 

 

Việc ứng dụng gốm tiên tiến trong các phương tiện sử dụng năng lượng mới không phải là một sự thay thế vật liệu đơn giản mà là một dự án có hệ thống liên quan đến vật liệu, kết cấu, quy trình và xác minh độ tin cậy.

 

Đầu tiên, cần lựa chọn vật liệu gốm thích hợp dựa trên điện áp hoạt động, nhiệt độ, dòng điện, tải trọng cơ học và điều kiện môi trường. Thứ hai, các quá trình đúc, thiêu kết, gia công chính xác và kim loại hóa bề mặt cần được xác định theo cấu trúc thành phần. Đối với các thiết bị bịt kín áp suất cao-, phải xem xét thêm sự phù hợp giãn nở nhiệt giữa vật liệu gốm và kim loại cũng như ứng suất dư bịt kín.

 

Đối với thiết bị điện tử công suất, chất nền gốm cũng cần tập trung vào tuổi thọ chu trình nhiệt và độ tin cậy của giao diện. Khi các phương tiện năng lượng mới dần phát triển từ IGBT truyền thống sang chất bán dẫn công suất có dải thông rộng-hiệu suất cao{2}}, tốc độ chuyển mạch và mật độ năng lượng của mô-đun nguồn tiếp tục tăng, đồng thời các yêu cầu về vật liệu cách điện và cấu trúc đóng gói cũng sẽ tăng hơn nữa.

 

Các bộ phận luyện kim gốm tiên tiến chính xác bằng Alumina có độ tinh khiết cao phù hợp với các linh kiện điện tử đặc biệt yêu cầu độ tinh khiết cao, hiệu suất cách điện, độ chính xác về kích thước và độ tin cậy của quá trình kim loại hóa. Những sản phẩm như vậy thường yêu cầu kiểm soát toàn bộ quy trình từ bột gốm, đúc khuôn, thiêu kết đến gia công chính xác và kim loại hóa.

 

 

Từ góc độ định hướng phát triển công nghệ tổng thể của phương tiện sử dụng năng lượng mới, việc ứng dụng gốm sứ tiên tiến chủ yếu thể hiện ba xu hướng.

 

Đầu tiên, điện áp cao làm tăng nhu cầu về gốm sứ cách điện. Với việc áp dụng dần dần các nền tảng điện áp 800V trở lên, các yêu cầu về vật liệu cách điện trong công tắc tơ,{2}}công tắc tơ điện áp cao, rơ-le, mô-đun nguồn và hệ thống sạc tiếp tục tăng lên. Vật liệu gốm có độ bền điện môi và khả năng chịu nhiệt cao nên có nền tảng ứng dụng tốt trong các thành phần điện-cao áp.

 

Thứ hai, mật độ năng lượng cao thúc đẩy việc nâng cấp vật liệu đóng gói bằng gốm. Hệ thống truyền động điện cho xe sử dụng năng lượng mới cần đạt được công suất đầu ra cao hơn trong không gian nhỏ hơn và mật độ dòng nhiệt của chất bán dẫn điện tiếp tục tăng. Do đó, chất nền gốm và vật liệu đóng gói có tính dẫn nhiệt tốt và độ tin cậy cơ học sẽ nhận được nhiều sự chú ý hơn.

 

Thứ ba, sản xuất chính xác thúc đẩy sự phát triển của các bộ phận gốm thành các cấu trúc phức tạp. Các bộ phận ô tô năng lượng mới có yêu cầu ngày càng cao hơn về trọng lượng, không gian và độ tin cậy. Các thành phần gốm sẽ không chỉ đảm nhận các chức năng cách nhiệt truyền thống mà còn có thể tích hợp thêm các chức năng như hỗ trợ, tản nhiệt, đóng gói và kết nối điện.

 

Nhìn chung, gốm sứ tiên tiến đã trở thành một hệ thống vật liệu quan trọng trong lĩnh vực điện-điện áp cao và điện tử công suất của các phương tiện sử dụng năng lượng mới. Từ vỏ cách điện của rơ-le điện áp cao-đến chất nền bọc đồng gốm-trong mô-đun bán dẫn điện, đến công tắc tơ điện áp cao-, vòng bi cách điện và các bộ phận kết nối bằng gốm kim loại, gốm ngày càng đảm nhận nhiều chức năng quan trọng hơn trong kiến ​​trúc điện khí hóa của các phương tiện sử dụng năng lượng mới.

 

Trong tương lai, khi các phương tiện sử dụng năng lượng mới phát triển theo hướng điện áp cao hơn, mật độ năng lượng cao hơn, độ tin cậy cao hơn và kích thước nhỏ hơn, giá trị củaLinh kiện gốm Alumina được kim loại hóa chính xácvật liệu sẽ tiếp tục chuyển đổi từ vật liệu cách nhiệt đơn giản sang vật liệu có cấu trúc và chức năng có hiệu suất cao. Sự tiến bộ không ngừng của các công nghệ như công thức vật liệu, đúc khuôn chính xác, kim loại hóa, hàn kín gốm-đến-kim loại và kiểm tra độ tin cậy sẽ trở thành nền tảng quan trọng để gốm sứ tiên tiến thâm nhập sâu hơn vào chuỗi cung ứng các bộ phận cốt lõi của phương tiện sử dụng năng lượng mới.