中國粉體網(wǎng)訊  結(jié)構(gòu)陶瓷材料，具有金屬和高分子材料所不具備的高模量,、高硬度,、耐磨損、耐高溫,、耐腐蝕,、抗侵蝕、生物相容性以及優(yōu)異的電絕緣和透光透波等特性,，在航空航天,、信息電子、核電與新能源等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,。

▲先進結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)品與應(yīng)用領(lǐng)域及代表性企業(yè)

結(jié)構(gòu)陶瓷主要有：切削工具,、模具、耐磨零件,、泵和閥部件,、發(fā)動機部件,、熱交換器和裝甲等,。主要材料有氮化硅(Si₃N₄)、碳化硅(SiC),、二氧化鋯(ZrO₂),、碳化硼(B₄C)、二硼化鈦(TiB₂),、氧化鋁(Al₂O₃)和賽隆(Sialon)等,。

近年來，國際上尤為重視先進結(jié)構(gòu)陶瓷的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化,，特別在日本,、美國,、德國等國家，制定了一系列先進陶瓷材料的研發(fā)計劃,。下面,，我們來盤點一下出現(xiàn)在新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈中的先進結(jié)構(gòu)陶瓷。

陶瓷刀具

陶瓷刀具材料分為3大類：氧化鋁系陶瓷,、氮化硅系陶瓷,、復(fù)合氮化硅-氧化鋁系陶瓷。

來源：NGK

陶瓷切削刀具應(yīng)用于汽車零件和高溫合金的高速切削,，近十年得到很大發(fā)展,。像日本京瓷公司(Kyocera)、日本NGK公司,、美國肯納,、瑞典Sandvik、德國 CeramTec公司都有先進的陶瓷刀具生產(chǎn)線,，生產(chǎn)Al₂O₃ 基,、Si₃N₄基，以及晶須增韌Al₂O₃陶瓷刀具,。目前發(fā)達國家陶瓷刀具的構(gòu)成比例約為5%~10%左右,，由于它能大幅度提高加工效率，已經(jīng)為機械加工過程帶來巨大的經(jīng)濟效益,。

陶瓷軸承

人們常見的陶瓷軸承的套圈及滾動體采用全陶瓷材料,，有氧化鋯（ZrO₂），氮化硅（Si₃N₄）,，碳化硅（SiC）三種,。其中，氮化硅（Si₃N₄）被認為是制造陶瓷軸承的最佳材料,，對于電動汽車來講,，Si₃N₄陶瓷軸承最大的一個優(yōu)點是：具有極佳的抗電性。

來源：國瓷金盛

Si₃N₄作為天然的電絕緣體,，在高頻交流電環(huán)境下,，陶瓷滾動體在軸承的內(nèi)外圈之間起阻斷作用。由于陶瓷軸承的電容非常低,，相比起很小的滾道接觸點,，滾動體的直徑較大。另外,，Si₃N₄陶瓷的相對介電常數(shù)低,，其電阻值很大，則此時陶瓷軸承仍是阻隔軸電流的有效工具。

其次,，Si₃N₄陶瓷軸承不僅重量上比鋼制軸承更輕,，而且硬度更高，其硬度是鋼制軸承的兩倍,，而且不容易受外界環(huán)境的干擾而出現(xiàn)變形的現(xiàn)象,。從軸承壽命和軸承效率的角度而言，Si₃N₄陶瓷軸承是個很好的選擇,。

陶瓷基板

電子控制系統(tǒng)是電動汽車的關(guān)鍵部件,，其主要組成部分包括系統(tǒng)集成與軟件、芯片與特殊器件,、IGBT模塊,、車用單片機、車用傳感器,、電子控制模塊,、連接器等如。其中,，IGBT模塊是整個電子控制系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”,，是驅(qū)動系統(tǒng)的核心，占控制器總成本的 40%～50%,。

IGBT模塊封裝中所產(chǎn)生的熱量主要是經(jīng)陶瓷覆銅板傳到散熱板最終傳導出去,，陶瓷覆銅基板是影響模塊長期使用的關(guān)鍵部分之一。

氮化硅陶瓷基板,，來源：中材高新

目前,，陶瓷覆銅基板根據(jù)陶瓷材料的不同分為氧化鋁陶瓷覆銅板和氮化鋁陶瓷覆銅板以及氮化硅陶瓷覆銅板。其中,，氮化硅覆銅基板已經(jīng)成為IGBT模塊封裝的新寵,，其最大特點是具有與其它陶瓷覆銅板所無可比擬的可靠性，即具有氮化硅陶瓷高強度,、高導熱的特性,，結(jié)合活性金屬焊接工藝后又具有高可靠性，使其成為高壓大功率IGBT模塊封裝中最具有發(fā)展前景的材料,。

結(jié)構(gòu)窯具

陶瓷輥棒作為一種耐火窯具,，在輥道燒成窯和輥道干燥窯中起支承、傳送陶瓷坯體和產(chǎn)品的作用,，是輥道窯的核心部件,。陶瓷輥棒按材質(zhì)可分為堇青石-莫來石輥棒、熔融石英質(zhì)輥棒,、剛玉-莫來石輥棒、碳化硅輥棒。其中,，碳化硅輥棒是鋰離子電池材料反應(yīng)燒結(jié)裝備中的重要組成部分,，目前，隨著電池材料生產(chǎn)進入規(guī)�,；�,、連續(xù)化作業(yè)，燒結(jié)輥道窯已取代其他的窯爐,。

陶瓷輥棒,，來源：山田新材料

反應(yīng)燒結(jié)碳化硅輥棒含有10-16wt% Si，高溫下與揮發(fā)出的腐蝕性氣體發(fā)生化學反應(yīng),，會降低輥棒的使用壽命,，增加窯爐的維修成本。而無壓燒結(jié)碳化硅輥棒不含金屬Si,，在同一種工況下的使用壽命是反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的近5倍,，故現(xiàn)在多使用無壓燒結(jié)碳化硅輥棒來延長輥棒的使用壽命，節(jié)省成本,。

燒結(jié)器皿：匣缽/坩堝

盛放粉體（鋰電池正極材料,、磁性粉體、高純陶瓷粉）后在輥道窯,、推板窯,、隧道窯進行熱處理的匣缽，一般采用擠出,，機壓,、澆注以及等靜壓工藝成型，根據(jù)制品的組成和結(jié)構(gòu)選擇合適的成型工藝,。應(yīng)用最為廣泛的材質(zhì)有堇青石-莫來石質(zhì),、剛玉莫來石質(zhì)、碳化硅質(zhì)及石墨質(zhì),，其中以鋰離子正極材料的合成領(lǐng)域應(yīng)用最為普遍,。

堇青石-莫來石匣缽因其具有優(yōu)異的抗熱震性以及經(jīng)濟性，廣泛應(yīng)用于鋰電池正極材料領(lǐng)域,。

小結(jié)

除了以上應(yīng)用,，先進結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)燃油汽車中，也有不少應(yīng)用,，如蜂窩陶瓷載體,、活塞環(huán)、氣缸套,、發(fā)動機,、內(nèi)燃機火花塞等,。

針對新能源汽車時代，先進結(jié)構(gòu)陶瓷的應(yīng)用提高了傳統(tǒng)工業(yè)的產(chǎn)業(yè)水平,，從而也提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,。同時隨著陶瓷材料制備技術(shù)的進步，將推進先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料的各種力學性能,、熱學性能等性能的提高,，使結(jié)構(gòu)陶瓷呈現(xiàn)出更加廣闊的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。

參考來源：

謝志鵬等：國際先進結(jié)構(gòu)陶瓷研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用發(fā)展狀況

張文毓：先進陶瓷材料的研究與應(yīng)用

李少鵬：新一代 IGBT 模塊用高可靠氮化硅陶瓷覆銅基板研究進展

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（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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