Ngành năng lượng mới đang tăng tốc nâng cấp và giá trị ứng dụng của các bộ phận bằng gốm trong điện khí hóa và điện trường-cao áp tiếp tục tăng.

Với sự phát triển nhanh chóng của các phương tiện sử dụng năng lượng mới, bộ lưu trữ năng lượng, quang điện, năng lượng hydro và-công nghệ điện tử công suất cao, thiết bị năng lượng mới đã đặt ra các yêu cầu cao hơn về-khả năng chịu nhiệt độ cao, khả năng cách nhiệt, khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học và độ ổn định kích thước của vật liệu. Với khả năng cách điện tuyệt vời, khả năng chịu nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn, tổn thất điện môi thấp và độ ổn định kích thước tốt, vật liệu gốm ngày càng được đưa vào các ứng dụng như pin điện, hệ thống truyền động điện, điện áp cao, bộ biến tần lưu trữ năng lượng và thiết bị điện tử năng lượng mới từ các lĩnh vực công nghiệp truyền thống.

 

So với vật liệu kim loại, gốm kỹ thuật thường có thể duy trì hiệu suất tương đối ổn định trong môi trường nhiệt độ cao, điện áp cao, tần số cao và hóa học phức tạp. Do đó, chúng đóng các chức năng chính như cách nhiệt, cách ly, hỗ trợ kết cấu, quản lý nhiệt và bảo vệ điện trong một số thiết bị năng lượng mới. Khi mật độ năng lượng của các hệ thống năng lượng mới tiếp tục tăng, phạm vi ứng dụng của các bộ phận bằng gốm cũng mở rộng từ các bộ phận cách điện đơn lẻ đến các bộ phận kết cấu chính xác và các bộ phận chức năng.

 

 

 

Pin điện là một trong những hệ thống cốt lõi quan trọng nhất của phương tiện sử dụng năng lượng mới. Môi trường làm việc của nó liên quan đến điện áp cao, dòng điện lớn, thay đổi nhiệt độ và rung động cơ học lâu dài, nên nó đặt ra các yêu cầu nghiêm ngặt về cách điện và an toàn nhiệt. Bên trong pin, vật liệu gốm có thể tham gia bảo vệ an toàn dưới nhiều hình thức khác nhau như lớp phủ, lớp phân cách, bộ phận kết cấu cách điện và bộ phận bịt kín.

 

Màng chắn-được phủ gốm là một trong những ứng dụng tiêu biểu hơn. Bằng cách đưa các hạt gốm vô cơ như alumina và boehmite lên bề mặt màng gốc polyolefin, độ ổn định kích thước và khả năng chịu nhiệt của thiết bị phân tách trong điều kiện nhiệt độ cao có thể được cải thiện. Khi pin ở nhiệt độ cao hoặc trong điều kiện hoạt động bất thường, lớp phủ gốm có thể làm giảm nguy cơ co rút đáng kể của dải phân cách, từ đó mang lại điều kiện cách ly ổn định hơn giữa các điện cực dương và âm.

 

Trong-hệ thống pin điện áp cao, chất cách điện bằng gốm cũng có thể được sử dụng để cách ly điện giữa các điện cực, cực và các cấu trúc dẫn điện khác. Ví dụ, Thân gốm EV Fuse cần phải đồng thời đáp ứng được hiệu suất cách nhiệt, độ bền cơ học và độ ổn định nhiệt nhất định. Đặc tính vật liệu của nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy hoạt động của các bộ phận bảo vệ điện áp cao-trong điều kiện dòng điện bất thường.

 

Khi nền điện áp của các phương tiện sử dụng năng lượng mới dần dần phát triển lên 800V trở lên, ứng suất điện áp mà các bộ phận bảo vệ điện áp cao- phải chịu tiếp tục tăng. Các bộ phận kết cấu bằng gốm như Thân gốm cho Cầu chì EV cần đạt được khả năng cách nhiệt đáng tin cậy trong một không gian hạn chế đồng thời chịu được sốc nhiệt và ứng suất cơ học sinh ra trong quá trình nung chảy. Do đó, công thức vật liệu, quy trình thiêu kết và độ chính xác về kích thước đã trở thành những yếu tố quan trọng trong thiết kế sản phẩm.

 

 

Hệ thống bảo vệ-điện áp cao trong phương tiện sử dụng năng lượng mới và thiết bị lưu trữ năng lượng thường cần nhanh chóng cắt dòng điện trong các điều kiện bất thường như đoản mạch và quá tải. Là một thành phần bảo vệ quá dòng quan trọng, các thành phần gốm bên trong của cầu chì không chỉ đóng vai trò cách điện mà còn cần phải phù hợp với vật liệu nấu chảy và làm đầy để hoàn thiện việc dập tắt hồ quang, cách nhiệt và hỗ trợ kết cấu.

 

Trong các thiết bị điện công nghiệp và điện áp thấp-truyền thống, ống gốm, ống lót bằng gốm và vỏ gốm đã có cơ sở ứng dụng tương đối hoàn thiện. Với sự phát triển của hệ thống điện áp cao-cho phương tiện sử dụng năng lượng mới, vật liệu gốm sứ được nâng cấp hơn nữa lên điện áp cao, độ nén và độ tin cậy cao. Ví dụ: Ống gốm Alumina cho cầu chì EV điện áp cao cần tính đến độ bền điện môi cao, độ bền cơ học và khả năng chịu nhiệt để thích ứng với môi trường làm việc phức tạp trong mạch điện áp cao{4}}của các phương tiện sử dụng năng lượng mới.

 

Gốm Alumina là một trong những vật liệu gốm kỹ thuật phổ biến trong cầu chì-điện áp cao. Nó có độ bền cách nhiệt cao, khả năng chịu nhiệt và độ ổn định hóa học, đồng thời có thể được chế tạo thành các cấu trúc hình ống, ống bọc-hoặc hình dạng đặc biệt-thông qua quá trình thiêu kết. Ống gốm Alumina Al2O3 cho Cầu chì điện áp cao-có thể được sử dụng làm thành phần hỗ trợ cấu trúc và cách điện trong các thiết bị bảo vệ điện áp cao- nhằm cung cấp khả năng cách ly ổn định cho các khu vực dẫn điện khác nhau bên trong cầu chì.

 

Đối với các mạch phụ trợ ô tô và hệ thống phụ kiện điện áp cao{0}}, vỏ gốm cũng cần thích ứng với các yêu cầu về không gian lắp đặt và kết nối cơ học phức tạp hơn. Thân gốm cho cầu chì phụ của xe điện là một trong những ứng dụng như vậy. Thiết kế của nó không chỉ cần chú ý đến khoảng cách cách nhiệt mà còn cần xem xét dung sai kích thước, phương pháp lắp ráp, độ tăng nhiệt độ và độ tin cậy lâu dài.

 

 

 

Hệ thống truyền động điện cho xe sử dụng năng lượng mới đang phát triển theo hướng tốc độ cao, mật độ năng lượng cao và hiệu suất cao. Động cơ, bộ biến tần và các mô-đun nguồn liên quan đã phải chịu sự thay đổi nhiệt độ và-tần số cao trong thời gian dài và các vật liệu truyền thống có thể dần bị hạn chế về khả năng cách nhiệt, khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn.

 

Vòng bi gốm là một ứng dụng tiêu biểu trong hệ thống truyền động điện. Gốm kết cấu như silicon nitride có đặc tính mật độ thấp, độ cứng cao, chống mài mòn tốt và đặc tính cách điện tuyệt vời. Chúng có thể giảm ma sát cơ học trong môi trường-động cơ tốc độ cao và giảm nguy cơ ăn mòn điện do dòng điện trên trục gây ra.

 

Đối với các hệ thống truyền động điện sử dụng chất bán dẫn điện cacbua silic, tần số chuyển mạch nguồn và tốc độ chuyển mạch đã được tăng hơn nữa, khiến hệ thống đưa ra các yêu cầu nghiêm ngặt hơn đối với vật liệu cách điện và cấu trúc đóng gói. Chất nền gốm có thể cung cấp khả năng cách điện đáng tin cậy giữa các cấu trúc dẫn điện và cấu trúc tản nhiệt trong khi thực hiện các nhiệm vụ dẫn nhiệt, khiến chúng trở thành vật liệu cơ bản quan trọng cho các mô-đun điện tử công suất có mật độ-công suất{2}}cao.

 

Ngoài lớp nền gốm bên trong hệ thống truyền động điện, các bộ phận bảo vệ cầu chì{0}}điện áp cao cũng cần phải có cấu trúc cách điện ổn định. Ví dụ, thân gốm của Cầu chì bảo vệ quá tải và ngắn mạch cần duy trì khả năng cách nhiệt tốt trong điều kiện hoạt động bình thường và chịu được ứng suất nhiệt lớn nhất thời trong quá trình bảo vệ quá tải hoặc ngắn mạch.

 

 

Các thiết bị bán dẫn điện trong phương tiện sử dụng năng lượng mới, bộ chuyển đổi lưu trữ năng lượng và bộ biến tần quang điện tạo ra một lượng nhiệt lớn trong quá trình hoạt động. Khi mật độ năng lượng của hệ thống tăng lên, tản nhiệt đã trở thành một trong những yếu tố quan trọng hạn chế hiệu suất của các thiết bị nguồn.

 

Chất nền gốm có thể cung cấp cả chức năng cách điện và dẫn nhiệt, vì vậy chúng được sử dụng rộng rãi trong việc đóng gói mô-đun điện.

 

Các vật liệu như nhôm oxit và nhôm nitrit có đặc tính dẫn nhiệt và đặc tính giá thành khác nhau, đồng thời có thể được lựa chọn dựa trên điện áp vận hành, mức công suất, yêu cầu về khả năng chịu nhiệt và chi phí sản xuất.

 

Trong số đó, nhôm nitrit có tính dẫn nhiệt cao và hệ số giãn nở nhiệt thấp, đồng thời có giá trị ứng dụng cao trong lĩnh vực đóng gói điện tử công suất cao. Khi vật liệu gốm được kết hợp với các dây dẫn kim loại như đồng, chúng có thể tạo thành cấu trúc hỗn hợp có chức năng dẫn điện, tản nhiệt và cách điện, mang lại cơ sở đóng gói ổn định cho các thiết bị bán dẫn có dải thông rộng như SiC.

 

Trong lĩnh vực bảo vệ điện năng lượng mới, vật liệu gốm cho Cầu chì ô tô DC có thể tận dụng đặc tính cách nhiệt và cách nhiệt của vật liệu gốm để cung cấp hỗ trợ cấu trúc ổn định cho cầu chì DC ô tô. Khi công suất của mạch điện áp cao-DC của các phương tiện sử dụng năng lượng mới tiếp tục tăng lên, các bộ phận bằng gốm liên quan cần phải cải thiện hơn nữa khả năng chống sốc nhiệt, độ bền cơ học và độ ổn định kích thước.

 

 

Hệ thống lưu trữ năng lượng thường cần hoạt động trong thời gian dài và có thể ở trong những môi trường phức tạp như nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp, độ ẩm, bụi, v.v. Bộ biến tần lưu trữ năng lượng, thiết bị phân phối điện một chiều, hệ thống quản lý pin và-hệ thống bảo vệ điện áp cao đều có nhu cầu cao về vật liệu cách điện.

 

Trong các bộ chuyển đổi và biến tần lưu trữ năng lượng, chất nền gốm có thể kết nối các thiết bị điện và hệ thống tản nhiệt, đảm bảo cách điện đồng thời dẫn nhiệt nhanh do các thiết bị tạo ra. Đối với-hệ thống chuyển mạch tần số cao, đặc tính điện môi của vật liệu gốm cũng ảnh hưởng đến các tham số ký sinh và tính toàn vẹn của tín hiệu, do đó, việc lựa chọn vật liệu cần được đánh giá toàn diện cùng với toàn bộ hệ thống điện tử công suất.

 

Trong các ứng dụng cầu chì, Thân hợp nhất bằng gốm Steatite cách điện có thể tận dụng đặc tính cách điện và chịu nhiệt tốt của vật liệu như sứ steatit để sử dụng để cách nhiệt và hỗ trợ cấu trúc của các thiết bị bảo vệ điện cụ thể. Các hệ thống gốm khác nhau có độ bền điện môi, tính chất cơ học, hệ số giãn nở nhiệt và đặc tính xử lý khác nhau, do đó việc lựa chọn thực tế cần phải được xác định toàn diện dựa trên điện áp, dòng điện, nhiệt độ và tải cơ học.

 

 

 

Biến tần quang điện là một thiết bị quan trọng kết nối hệ thống phát điện quang điện và lưới điện xoay chiều. Nó chứa một lượng lớn chất bán dẫn công suất, thiết bị lọc và các bộ phận điện-điện áp cao. Khi mức công suất của hệ thống quang điện tiếp tục tăng, việc quản lý nhiệt và thiết kế cách nhiệt trong thiết bị trở nên quan trọng hơn.

 

Chất nền phủ đồng gốm-có thể nhận ra sự truyền dòng điện qua lớp kim loại và sử dụng chất điện môi gốm để đạt được sự cách ly điện, đồng thời truyền nhanh nhiệt do thiết bị điện tạo ra sang cấu trúc tản nhiệt. Đối với IGBT, SiC MOSFET công suất cao và các thiết bị khác, độ dẫn nhiệt, độ giãn nở nhiệt phù hợp và hiệu suất cách nhiệt của vật liệu đóng gói sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy lâu dài của mô-đun.

 

Đồng thời, cầu chì-điện áp cao và các bộ phận cấu trúc bằng gốm của chúng cũng đóng vai trò bảo vệ phía quang điện DC. Vỏ gốm của Fuse Link có thể cung cấp vỏ cách điện và hỗ trợ cơ học cho phần tử cầu chì, đồng thời chịu được ứng suất cơ và nhiệt tương ứng trong quá trình-ngắt sự cố.

 

 

Gốm Alumina có nền tảng sản xuất công nghiệp trưởng thành. Hệ thống vật liệu của nó ổn định, chi phí tương đối dễ kiểm soát và có thể sản xuất các cấu trúc phức tạp thông qua các quy trình đúc và thiêu kết khác nhau. Do đó, nó có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng mới và thiết bị điện.

 

Trong cầu chì điện áp cao -của xe sử dụng năng lượng mới, Ống cách điện bằng gốm Alumina cho cầu chì có thể được sử dụng để cách điện và cách ly giữa các bộ phận dẫn điện khác nhau. Đối với hệ thống bảo vệ ô tô có cấp điện áp cao hơn, ống gốm cũng cần đáp ứng các yêu cầu toàn diện như khoảng cách đường rò, khe hở điện, khả năng chống sốc nhiệt và lắp ráp cơ khí.

 

Đối với-cầu chì ô tô điện áp cao, độ tinh khiết của vật liệu cũng ảnh hưởng đến tính chất điện môi và độ ổn định cơ học của sản phẩm. 95% Ống gốm Alumina cho cầu chì điện áp cao là một trong những dạng ứng dụng gốm alumina phổ biến. Hệ thống vật liệu cụ thể cần phải phù hợp theo điện áp làm việc, nhiệt độ, kích thước kết cấu và quy trình sản xuất.

 

Với sự phát triển của nền tảng điện áp cao-cho ô tô, môi trường mà Ống gốm Alumina dành cho Cầu chì ô tô điện áp cao-đã trở nên phức tạp hơn, bao gồm chuyển đổi tần số-cao, dòng điện tăng vọt, chu kỳ nhiệt độ và rung động cơ học. Vì vậy, chỉ nâng cao độ bền cách nhiệt của vật liệu gốm là chưa đủ để đáp ứng yêu cầu. Cũng cần tối ưu hóa toàn diện công thức gốm, mật độ thiêu kết, độ chính xác kích thước và thiết kế kết cấu.

 

 

Sự phát triển thông minh của thiết bị năng lượng mới cũng đã thúc đẩy ứng dụng cảm biến gốm và vật liệu gốm chức năng. Các vật liệu như zirconia, gốm áp điện và ferrite có thể sử dụng các đặc tính điện, nhiệt và cơ học đặc biệt của chúng để phát hiện các thông số như nhiệt độ, áp suất, nồng độ khí và dòng điện.

 

Trong môi trường có nhiệt độ-cao, vật liệu gốm có độ ổn định nhiệt tốt và có thể được sử dụng trong cấu trúc bảo vệ cảm biến cũng như các bộ phận nhạy cảm. Một số vật liệu gốm cũng có đặc tính chuyển đổi áp điện, điện môi hoặc từ điện và có thể được sử dụng trong hệ thống cảm biến trong phương tiện sử dụng năng lượng mới, điều khiển công nghiệp và thiết bị điện thông minh.

 

Với sự phát triển không ngừng của hệ thống lái xe tự động, quản lý pin và giám sát lưu trữ năng lượng, các yêu cầu về độ ổn định-lâu dài, chống-nhiễu môi trường và độ chính xác về kích thước của cảm biến tiếp tục tăng lên, điều này cũng thúc đẩy sự phát triển của gốm chức năng theo hướng chính xác và tích hợp.

 

 

 

Thiết bị năng lượng mới thường cần hoạt động liên tục trong nhiều năm nên các bộ phận bằng gốm không chỉ đáp ứng các chỉ số hiệu suất ban đầu mà còn phải có độ tin cậy tốt về lâu dài. Lựa chọn vật liệu, quy trình đúc, quy trình thiêu kết, xử lý bề mặt và kiểm soát kích thước đều có tác động đến hiệu suất cuối cùng.

 

Đối với gốm cách điện-có điện áp cao, cần tập trung vào các chỉ số như độ bền điện môi, điện trở suất thể tích, khoảng cách đường rò và phóng điện cục bộ. Đối với các bộ phận kết cấu bằng gốm chịu tải trọng cơ học, cần tập trung vào việc đánh giá độ bền uốn, độ bền đứt gãy, hiệu suất sốc nhiệt và ứng suất lắp ráp.

 

Ngoài ra, sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt giữa gốm sứ và kim loại cũng là một vấn đề quan trọng cần được quan tâm trong thiết kế kỹ thuật. Khi thiết bị trải qua các chu kỳ nhiệt độ cao và thấp thường xuyên, ứng suất nhiệt có thể phát triển giữa các vật liệu khác nhau. Nếu thiết kế cấu trúc và vật liệu phù hợp không hợp lý thì việc-đi theo chu kỳ lâu dài có thể dẫn đến nứt, tách lớp và thậm chí là hỏng lớp cách điện.

 

Do đó, trong quá trình phát triển các thành phần cách điện-điện áp cao như Ống gốm cách điện trong Cầu chì EV, cần phải tiến hành thiết kế toàn diện từ nhiều chiều của vật liệu, cấu trúc, quá trình sản xuất và xác minh. Độ tin cậy của sản phẩm không thể được đánh giá bằng cách chỉ dựa vào một chỉ số hiệu suất vật liệu duy nhất.
 

 

Hiện nay, ngành năng lượng mới đang thay đổi từ việc đơn giản là mở rộng công suất lắp đặt sang cải thiện mật độ năng lượng, hiệu suất hệ thống và độ tin cậy vận hành. Các phương tiện sử dụng năng lượng mới đang phát triển theo nền tảng điện áp cao-800V, hệ thống lưu trữ năng lượng đang được nâng cấp để có công suất cao hơn và tuổi thọ dài hơn, đồng thời bộ biến tần quang điện tiếp tục cải thiện hiệu suất chuyển đổi và mật độ năng lượng. Những thay đổi này đã đặt ra những yêu cầu kỹ thuật mới đối với vật liệu gốm sứ.

 

Trong tương lai, sự phát triển củabộ phận gốm năng lượng mớisẽ chú ý nhiều hơn đến việc tối ưu hóa hợp tác về hiệu suất vật liệu và thiết kế kết cấu. Một mặt, cần phát triển vật liệu gốm có độ dẫn nhiệt cao hơn, độ bền điện môi cao hơn và hiệu suất phù hợp với sự giãn nở nhiệt tốt hơn; mặt khác, cũng cần phải cải thiện tính nhất quán về kích thước của sản phẩm và độ ổn định của lô thông qua việc đúc chính xác, thiêu kết tiên tiến và kiểm tra tự động.

 

Đồng thời, việc ứng dụng các bộ phận bằng gốm sẽ dần dần mở rộng từ ống bọc, vỏ và chất nền cách điện truyền thống sang kết nối điện áp cao -, bao bì mô-đun nguồn, cảm biến, cầu chì và các bộ phận kết cấu chính xác của thiết bị năng lượng mới. Đối với-cầu chì điện áp cao, vật liệu gốm sẽ vẫn là hệ thống vật liệu quan trọng trong phương tiện sử dụng năng lượng mới và hệ thống bảo vệ bộ lưu trữ năng lượng nhờ những ưu điểm toàn diện về cách nhiệt, khả năng chịu nhiệt và hỗ trợ cấu trúc.

 

Nói chung, mặc dù các bộ phận gốm thường không trực tiếp tham gia chuyển đổi năng lượng nhưng chúng thực hiện các chức năng chính như cách nhiệt, tản nhiệt, bảo vệ, hỗ trợ và kết nối đáng tin cậy. Với sự phát triển không ngừng của các phương tiện sử dụng năng lượng mới, bộ lưu trữ năng lượng, quang điện và công nghệ điện tử-điện áp cao, vật liệu gốm đang chuyển đổi từ vật liệu phụ trợ truyền thống thành vật liệu cơ bản quan trọng ảnh hưởng đến sự an toàn, hiệu quả và tuổi thọ của thiết bị năng lượng mới.

 

Trong tương lai, sự đổi mới công nghệ gốm tập trung vào độ tin cậy cao, độ dẫn nhiệt cao, cách nhiệt cao, sản xuất nhẹ và chính xác sẽ thúc đẩy hơn nữa sự phát triển của thiết bị năng lượng mới hướng tới mật độ năng lượng cao, hiệu suất cao và hoạt động đáng tin cậy lâu dài.