L'applicazione e il valore tecnico della ceramica avanzata nel contesto dell'ammodernamento dell'elettrificazione dei veicoli a nuova energia

La trasformazione dei veicoli a nuova energia dall'alimentazione tradizionale a combustibile alla trazione elettrica, al controllo intelligente e ai sistemi elettrici ad alta-tensione non ha solo cambiato la struttura di potenza del veicolo, ma ha anche promosso l'aggiornamento dei materiali di componenti chiave come relè ad alta-tensione, semiconduttori di potenza, cuscinetti del motore e sistemi di controllo elettronico. Con il continuo sviluppo di piattaforme da 800 V e tensioni superiori, sistemi di azionamento elettrico ad alta-densità di potenza e tecnologie di carica e scarica rapida, i componenti devono affrontare anche requisiti di tensione, corrente, temperatura, frequenza e affidabilità più elevati.

 

In questo processo, la ceramica avanzata si è gradualmente espansa dai materiali strutturali tradizionali ai sistemi elettrici ad alta tensione, all'elettronica di potenza e ai sistemi di azionamento per veicoli di nuova energia in virtù della loro elevata rigidità dielettrica, resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione, elevata resistenza meccanica e buona stabilità dimensionale. La sua applicazione si concentra su dispositivi di commutazione CC ad alta-tensione, imballaggi di semiconduttori di potenza, contattori ceramici ad alta-tensione e cuscinetti isolati per motori.

 

 

 

L'impianto elettrico ad alta-tensione dei veicoli a nuova energia solitamente richiede relè o contattori per garantire la connessione, la disconnessione e l'isolamento sicuro tra il pacco batteria e i circuiti ad alta-tensione come inverter, motori e sistemi di ricarica. Rispetto ai sistemi elettrici automobilistici a bassa-tensione, la commutazione in ambienti CC ad alta-tensione è più complessa. Soprattutto quando si disconnettono i circuiti in condizioni di corrente elevata, è probabile che si verifichino archi tra i contatti, il che impone requisiti più elevati alla struttura isolante e alle capacità di estinzione dell'arco.

 

I materiali ceramici hanno eccellenti proprietà di isolamento elettrico e resistenza alle alte temperature e possono essere utilizzati in gusci isolanti, manicotti isolanti e strutture di tenuta all'interno di relè e contattori CC ad alta- tensione. Attraverso la sigillatura affidabile di materiali ceramici e metallici, è possibile formare uno spazio di lavoro interno relativamente chiuso per mantenere un isolamento stabile tra i componenti conduttivi ad alta-tensione e la struttura esterna, fornendo al tempo stesso le condizioni di tenuta necessarie per il mezzo di estinzione dell'arco.

 

Nei dispositivi di commutazione ad alta-tensione, la ceramica di allumina è uno dei materiali isolanti più comuni. I sistemi di allumina di diversa purezza e livelli di prestazione possono essere ulteriormente selezionati in base a diversi livelli di tensione, resistenza meccanica, proprietà termiche e requisiti dimensionali. Per le parti che devono soddisfare contemporaneamente i requisiti di isolamento, supporto meccanico e sigillatura dei metalli, la ceramica metallizzata allumina può ottenere connessioni affidabili tra ceramica e metalli attraverso processi di metallizzazione della superficie ceramica e brasatura.

 

Il valore dei materiali ceramici in tali prodotti non si limita all'isolamento. Calore transitorio e stress meccanico verranno generati durante il funzionamento dei contattori ad alta-tensione, quindi anche il guscio ceramico deve avere una buona stabilità termica, stabilità dimensionale e resistenza agli shock termici. La selezione dei materiali, la progettazione strutturale e il processo di metallizzazione devono essere progettati in modo completo in base ai requisiti effettivi di tensione operativa, corrente, temperatura e durata.

 

 

 

Uno dei nuclei del sistema di azionamento elettrico dei veicoli a nuova energia è il controller elettronico di potenza, la cui funzione principale è completare la conversione efficiente tra la potenza CC della batteria di potenza e la potenza CA richiesta dal motore. Con l’aumento della densità di potenza dei sistemi di azionamento elettrico, i dispositivi a semiconduttore di potenza devono resistere a correnti più elevate e a cicli termici più frequenti. Pertanto, i materiali di imballaggio non devono solo avere buone proprietà isolanti, ma devono anche tenere conto della dissipazione del calore, della resistenza meccanica e dell'adattamento alla dilatazione termica.

 

I substrati rivestiti in rame ceramico- sono solitamente composti da strati di rame, strati isolanti in ceramica e strati di rame. Lo strato ceramico è responsabile dell'isolamento elettrico e delle funzioni di supporto meccanico, mentre lo strato di rame è responsabile della trasmissione di corrente, della connessione del chip e della dissipazione del calore. Rispetto ai materiali isolanti organici puri, i substrati ceramici possono mantenere proprietà elettriche e meccaniche stabili in ambienti a temperatura più elevata, rendendoli adatti per moduli elettronici di potenza ad alta-potenza-densità.

 

I comuni materiali ceramici attualmente utilizzati nei moduli di potenza dei veicoli a nuova energia includono ossido di alluminio, nitruro di alluminio e nitruro di silicio. L'ossido di alluminio ha le caratteristiche di un costo relativamente moderato, buone prestazioni di isolamento e un processo maturo; il nitruro di alluminio ha un'elevata conduttività termica e presenta vantaggi in scenari con elevati requisiti di dissipazione del calore; il nitruro di silicio ha un'elevata resistenza meccanica, stabilità termica e resistenza ai cicli termici ed è più adatto per applicazioni elettroniche di potenza che richiedono un'elevata-affidabilità a lungo termine.

 

Con lo sviluppo dei nuovi moduli di potenza dei veicoli energetici verso l'alta tensione, l'alta corrente e la miniaturizzazione, è aumentata anche la domanda di componenti metallizzati ceramici ad alta precisione, come la Precision Metallized Ceramics. Lo strato di metallizzazione sulla superficie ceramica deve avere una buona forza di adesione e proprietà elettriche stabili ed essere in grado di resistere allo stress generato durante le successive operazioni di saldatura, brasatura e cicli termici.

 

Per l'imballaggio di semiconduttori di potenza, è molto importante far corrispondere il coefficiente di dilatazione termica tra il materiale ceramico e lo strato di rame. Durante il funzionamento effettivo, i veicoli a nuova energia subiranno avviamento, accelerazione, frenata, ricarica rapida e diversi cambiamenti di temperatura ambientale e il modulo di potenza subirà ripetutamente riscaldamento e raffreddamento. Se la differenza nell'espansione termica tra i materiali è troppo grande, il ciclo termico a lungo termine- potrebbe causare affaticamento dell'interfaccia, crepe o delaminazione, compromettendo così la durata del modulo.

 

Pertanto, la progettazione dell'imballaggio in ceramica dei moduli di potenza dei veicoli a nuova energia deve considerare contemporaneamente la conduttività termica, la resistenza dell'isolamento, la resistenza meccanica, l'adattamento all'espansione termica e l'accuratezza della lavorazione e non può semplicemente fare affidamento su determinate prestazioni del materiale come base per la selezione.

 

 

La ceramica stessa ha eccellenti proprietà isolanti, ma nei dispositivi elettronici reali, la ceramica di solito deve essere collegata a conduttori metallici, elettrodi o strutture di imballaggio. Pertanto, la metallizzazione della superficie ceramica è diventata un processo importante per ottenere una combinazione affidabile di ceramica e metalli.

 

L'idea di base della metallizzazione ceramica è quella di formare uno strato metallico con un certo spessore e forza di adesione sulla superficie ceramica, in modo che possa essere ulteriormente brasato, saldato o sottoposto ad altre lavorazioni di connessione. Lo strato metallizzato non solo deve avere una buona conduttività elettrica, ma deve anche formare un legame di interfaccia stabile con la matrice ceramica.

 

Per i dispositivi ad alta-tensione dei veicoli a nuova energia, l'affidabilità dello strato di metallizzazione influisce direttamente sulla tenuta all'aria, sulle prestazioni di isolamento e sulla stabilità meccanica della struttura dell'imballaggio. Ad esempio, l'isolante ceramico all'interno del relè ad alta-tensione deve formare una connessione affidabile con il guscio metallico; il substrato ceramico nel modulo a semiconduttore di potenza deve formare un legame stabile con lo strato di rame.

 

Tra i componenti elettronici ad alta-precisione, la lavorazione meccanica di precisione delle parti in ceramica di allumina può soddisfare ulteriormente requisiti complessi in termini di dimensioni, tolleranza, posizione dei fori e precisione delle superfici finali. Per i dispositivi ad alta-tensione per veicoli a nuova energia, le parti in ceramica spesso devono soddisfare contemporaneamente i requisiti di miniaturizzazione, struttura complessa ed elevata affidabilità. Pertanto, la preparazione del materiale e la lavorazione di precisione devono essere controllate in modo collaborativo.

 

 

 

Un contattore ad alta-tensione è un importante componente di commutazione nel sistema elettrico ad alta-tensione dei veicoli a nuova energia. La sua funzione principale è controllare la commutazione dei circuiti ad alta-tensione durante l'avvio, l'arresto, la ricarica e la protezione dai guasti del veicolo. Poiché le batterie di alimentazione dei veicoli a nuova energia utilizzano solitamente tensioni CC di centinaia di volt o anche superiori, i contattori ad alta-tensione devono mantenere un funzionamento affidabile in condizioni di stress elettrico elevato.

 

Le custodie ceramiche dei contattori HVDC solitamente svolgono molteplici funzioni come isolamento interno, supporto strutturale e sigillatura. Gli alloggiamenti in ceramica devono mantenere un isolamento stabile negli ambienti ad alta-tensione resistendo al tempo stesso alle variazioni di temperatura interna e alle sollecitazioni meccaniche.

 

I contattori ad alta-tensione utilizzano solitamente strutture di tenuta in ceramica e metallo. La zona di connessione tra ceramica e metallo è una delle chiavi dell'affidabilità dell'intero dispositivo. Se sono presenti difetti nell'interfaccia di tenuta, potrebbero verificarsi crepe, perdite e altri problemi sotto l'azione di cicli termici a lungo-termine, vibrazioni meccaniche o variazioni di pressione interna.

 

Pertanto, la produzione di contattori ceramici ad alta-tensione richiede solitamente di concentrarsi sul controllo della purezza dei materiali ceramici, della qualità della sinterizzazione, dell'accuratezza dimensionale, della qualità dello strato di metallizzazione e della resistenza della sigillatura del metallo-della ceramica. Per i prodotti ad alta-affidabilità, è richiesta anche la verifica della tenuta all'aria, dell'isolamento elettrico, della resistenza alla tensione e del ciclo termico.

 

Dal punto di vista dell'ingegneria dei materiali, la connessione ceramica-a-metallo non è una semplice combinazione meccanica, ma coinvolge molteplici fattori come il coefficiente di espansione termica del materiale, la bagnabilità dell'interfaccia, la selezione della saldatura, la temperatura di sigillatura e il controllo dello stress residuo. Solo ottenendo una combinazione stabile di interfacce in ceramica e metallo è possibile garantire l'affidabilità di tenuta e isolamento dei dispositivi ad alta-tensione nel funzionamento a lungo-termine.

 

 

I motori di guida dei veicoli di nuova energia hanno solitamente velocità di rotazione elevate e all'interno del motore è presente un ambiente elettromagnetico complesso. Rispetto ai sistemi meccanici tradizionali, oltre a sopportare carichi radiali e assiali, i cuscinetti dei motori dei veicoli di nuova energia devono anche affrontare problemi quali rotazione ad alta-velocità, aumento della temperatura, corrente e corrosione elettrica.

 

I tradizionali cuscinetti metallici possono generare correnti d'albero in determinate condizioni operative del motore. Quando la corrente passa attraverso l'interno del cuscinetto, si può formare una scarica ad arco nell'area di contatto tra l'elemento volvente e la pista, causando corrosione per vaiolatura, erosione e danni superficiali, compromettendo in ultima analisi la durata del cuscinetto.

 

Gli elementi volventi in ceramica hanno le caratteristiche di bassa densità, elevata durezza, buona resistenza all'usura ed eccellenti proprietà di isolamento elettrico. Pertanto, i cuscinetti ceramici ibridi hanno un certo valore applicativo nei motori ad alta-velocità e nei sistemi di alimentazione elettrificati. La combinazione di elementi volventi in ceramica e ghiere metalliche può ridurre la qualità degli elementi volventi mantenendo la resistenza strutturale del cuscinetto e migliorare le proprietà di attrito e isolamento elettrico in condizioni operative ad alta-velocità.

 

I requisiti per i cuscinetti nei motori dei veicoli a nuova energia hanno inoltre promosso lo sviluppo di componenti ceramici ad alte-prestazioni come i componenti in ceramica metallizzata ad alta-resistenza. Sebbene la ceramica metallizzata e i cuscinetti per motori appartengano a diversi tipi di applicazioni, incarnano la stessa tendenza di sviluppo dei materiali, ovvero risolvere i limiti prestazionali dei materiali metallici tradizionali in condizioni di lavoro specifiche attraverso le proprietà di isolamento, elevata resistenza e resistenza alle alte temperature dei materiali ceramici.

 

 

Man mano che la piattaforma di tensione dei veicoli a nuova energia continua a migliorare, l'ambito di applicazione della ceramica avanzata si sta gradualmente espandendo dai singoli componenti isolanti agli interruttori ad alta-tensione, moduli di potenza, sensori, strutture di connessione e componenti correlati alla gestione-termica.

 

Nei componenti elettrici ad alta-tensione, la ceramica di allumina metallizzata per componenti elettrici può ottenere l'integrazione di funzioni di isolamento, conduttività e connessione meccanica attraverso la combinazione di una matrice isolante ceramica e strati conduttivi metallizzati. Questa struttura è particolarmente adatta per componenti elettrici con spazio limitato ed elevati requisiti di isolamento.

 

Per i dispositivi ad alta-tensione che richiedono una maggiore precisione dimensionale, i componenti ceramici di allumina metallizzata di precisione possono combinare processi di stampaggio, sinterizzazione, metallizzazione e lavorazione di precisione per soddisfare strutture complesse e requisiti di assemblaggio di alta-precisione. Le nuove parti di automobili energetiche continuano a svilupparsi verso la miniaturizzazione, la leggerezza e l'elevata densità di potenza, il che rende più importanti anche il controllo dimensionale e la coerenza della lavorazione delle parti in ceramica.

 

D'altra parte, con l'aumento della tensione operativa e della frequenza di commutazione dei semiconduttori di potenza, anche i materiali isolanti ceramici devono affrontare una maggiore intensità del campo elettrico e velocità di variazione della tensione più rapide. Strutture come tubi isolanti in ceramica metallizzata e parti in ceramica metallizzata possono essere utilizzate per componenti elettrici speciali che richiedono funzioni di isolamento, connessione conduttiva e incapsulamento, fornendo soluzioni strutturali più compatte per sistemi elettrici ad alta-tensione.

 

 

 

L’applicazione della ceramica avanzata nei veicoli a nuova energia non è una semplice sostituzione di materiale, ma un progetto sistematico che coinvolge materiali, strutture, processi e verifica dell’affidabilità.

 

Innanzitutto, è necessario selezionare i materiali ceramici appropriati in base alla tensione operativa, alla temperatura, alla corrente, al carico meccanico e alle condizioni ambientali. In secondo luogo, i processi di stampaggio, sinterizzazione, lavorazione di precisione e metallizzazione superficiale devono essere determinati in base alla struttura del componente. Per i dispositivi di tenuta ad alta-pressione, è necessario considerare ulteriormente l'adattamento dell'espansione termica tra materiali ceramici e metallici e lo stress residuo di tenuta.

 

Per l'elettronica di potenza, i substrati ceramici richiedono attenzione anche alla durata del ciclo termico e all'affidabilità dell'interfaccia. Man mano che i nuovi veicoli energetici si sviluppano gradualmente dagli IGBT tradizionali ai semiconduttori di potenza ad alte-prestazioni-con ampio gap di banda, la velocità di commutazione e la densità di potenza dei moduli di potenza continuano ad aumentare e anche i requisiti di materiali isolanti e strutture di imballaggio aumenteranno ulteriormente.

 

Le parti di metallizzazione ceramica avanzata di precisione in allumina ad elevata purezza sono adatte per componenti elettronici speciali che richiedono elevata purezza, prestazioni di isolamento, precisione dimensionale e affidabilità della metallizzazione. Tali prodotti richiedono solitamente il controllo completo del processo, dalla polvere ceramica, stampaggio, sinterizzazione, lavorazione di precisione e metallizzazione.

 

 

Dal punto di vista della direzione complessiva dello sviluppo tecnologico dei veicoli a nuova energia, l’applicazione della ceramica avanzata presenta principalmente tre tendenze.

 

Innanzitutto, l’alta tensione aumenta la domanda di ceramiche isolanti. Con la graduale applicazione delle piattaforme a tensione pari o superiore a 800 V, i requisiti per i materiali isolanti nei contattori, relè, moduli di alimentazione e sistemi di ricarica ad alta tensione- continuano ad aumentare. I materiali ceramici hanno elevata rigidità dielettrica e resistenza al calore, quindi hanno una buona base applicativa nei componenti elettrici ad alta-tensione.

 

In secondo luogo, l’elevata densità di potenza guida l’aggiornamento dei materiali di imballaggio in ceramica. I sistemi di azionamento elettrico dei veicoli di nuova energia devono raggiungere una maggiore potenza in uno spazio più piccolo e la densità del flusso di calore dei semiconduttori di potenza continua ad aumentare. Pertanto, i substrati ceramici e i materiali di imballaggio con buona conduttività termica e affidabilità meccanica riceveranno maggiore attenzione.

 

In terzo luogo, la produzione di precisione promuove lo sviluppo di parti ceramiche in strutture complesse. I componenti automobilistici basati sulla nuova energia hanno requisiti sempre più elevati in termini di peso, spazio e affidabilità. I componenti ceramici non svolgeranno solo le tradizionali funzioni di isolamento, ma potranno anche integrare ulteriormente funzioni come supporto, dissipazione del calore, imballaggio e connessione elettrica.

 

Nel complesso, la ceramica avanzata è diventata un importante sistema di materiali nei settori elettrico ad alta-tensione e dell'elettronica di potenza dei veicoli a nuova energia. Dall'involucro isolante dei relè ad alta-tensione, ai substrati rivestiti in rame-ceramico nei moduli semiconduttori di potenza, ai contattori ad alta-tensione, ai cuscinetti isolanti e alle parti di collegamento in ceramica metallizzata, la ceramica sta assumendo sempre più funzioni chiave nell'architettura di elettrificazione dei veicoli a nuova energia.

 

In futuro, man mano che i nuovi veicoli energetici si svilupperanno verso tensioni più elevate, densità di potenza più elevata, maggiore affidabilità e dimensioni più piccole, il valore diComponenti in ceramica di allumina metallizzata di precisionei materiali si trasformeranno ulteriormente da semplici materiali isolanti a materiali strutturali e funzionali ad alte-prestazioni. Il continuo progresso di tecnologie quali la formulazione dei materiali, lo stampaggio di precisione, la metallizzazione, la sigillatura da ceramica-a-metallo e i test di affidabilità diventeranno una base importante affinché la ceramica avanzata possa entrare ulteriormente nella catena di fornitura delle parti principali dei veicoli a nuova energia.