相约！第一届电动车用陶瓷材料技术研讨会

【会议】电动车陶瓷

传统燃油车时代

陶瓷材料具有耐热、耐磨、耐腐蚀、低密度、强隔热性多种优点，将陶瓷材料用在制备陶瓷绝热发动机上，会很好地防止气缸内部热能的损失。陶瓷的密度虽然没有铝材那么低，但比钢材要低不少，密度更低意味着发动机可以减轻重量，结合散热系统简化所减轻的重量，陶瓷发动机的重量可以做得比金属发动机更轻巧。其中主要的陶瓷零部件有以下几种。

为了提高发动机热效率、节约能源，可利用陶瓷材料的耐热、耐磨、耐腐蚀、高弹性模量(低膨胀系数）、低密度、隔热性好等特点制作陶瓷绝热发动机心，这样既可防止汽缸内热能损失，又简化了发动机的总体构造，降低了发动机重量。

图片来源：Pexels

2、活塞环

3、陶瓷气缸套

4、陶瓷配气机构

陶瓷传感器

尾气处理—蜂窝陶瓷

蜂窝陶瓷载体是一种具有高目数、大比表面积、高抗压强度、低热膨胀系数、优异抗热冲击性能的陶瓷载体，常用堇青石和碳化硅材质，广泛应用于车用尾气净化处理的催化转化器，对汽车排放废气中的有害气体进行催化转化、固态颗粒物进行过滤拦截，满足日趋严苛的排放法规。

目前陶瓷涂层技术已在汽车及其他许多领域中成功应用，发挥越来越重要的作用，其技术的开发有着非常广阔的前景。例如热喷涂纳米结构陶瓷涂层具有十分优异的强韧性能、耐磨抗蚀性能和抗热震性能，可应用于汽车的各种机械零部件。诸如活塞、活塞环、汽缸体、阀杆、液压支柱、轴瓦、销子、凸轮、凸杆、涡轮机部件等。

除以上外，传统汽车上应用特种陶瓷材料制成的元件还有利用陶瓷绝缘性制成的陶瓷加热器、利用陶瓷高温高强度制成的转子、转化器、热交换器、发热元件接头和涡轮充电机以及燃气涡轮机上的涡轮叶轮等零部件。

新能源汽车时代

当前，汽车产业进入百年一遇的大变革时期，汽车电动化正成为新的发展潮流和趋势。电动化浪潮下汽车的各大系统设计均发生了翻天覆地的变化，不仅发动机变速箱等这些大总成正经历一场变革，其零部件材料及设计的新旧更替也在迅速刷新着整条产业链。

目前来看，先进陶瓷材料凭借特殊性能优势正在加速“上车”。从轴承、刹车片、基板、电容器、继电器等零部件，到汽车零部件的高效切削加工，先进陶瓷材料的优势在新能源汽车产业中发挥得淋漓尽致。

在电动汽车中，大功率封装器件在调控汽车速度和储存-转换交流和直流上发挥着决定性作用。而高频率的热循环对电子封装的散热提出了严格的要求，同时工作环境的复杂性和多元性需要封装材料具有较好的抗热震性和高强度来起到支撑作用。

氮化硅基板，图片来源：正天新材

近年来已经大规模生产、应用较为广泛的陶瓷基板主要有：Al₂O₃、BeO、SiC、Si₃N₄、AlN等。其中氮化硅是国内外公认兼具高导热、高可靠性等综合性能最好的陶瓷基板材料。同时，Si₃N₄陶瓷基板的热膨胀系数与第3代半导体衬底SiC晶体接近，使其能够与SiC晶体材料匹配性更稳定。这使Si₃N₄成为第3代SiC半导体功率器件高导热基板材料的首选。

图片来源：养贞轴承

其次是低噪音。低噪音振动是电动汽车用户体验良好的关键，然而电机的高转速趋势给整机的NVH带来了不小的挑战，而轴承是NVH控制的关键因素之一。

再者，电腐蚀问题也在电机发展的过程中如影随形。在传统400V电驱系统内，钢球轴承电腐蚀已经非常普遍；而在800V高压系统中，随着SiC基材逆变器被大规模使用，高压和高开关频率会进一步加剧电腐蚀的发生。

还有一点是电机轻量化带来的挑战。在新的设计中，轴承的使用数量越来越少、设计越来越紧凑，这对轴承的轻量化及耐久性提出了更高要求。

陶瓷材料尤其是氮化硅陶瓷轴承因其材料具有轻量化、高硬度、高强度、低摩擦、高耐热性、电绝缘性优良以及寿命长等优势，被认为是制造汽车轴承的最佳材料。

片式多层陶瓷电容（MLCC）被称为“电子工业大米”，是全球用量最大的被动电子元件之一，几乎所有消费电子都要用到MLCC元器件。

不同车型对MLCC的需求量

碳陶刹车片

碳陶复合刹车材料是20世纪90年代发展起来的一种以高强度C纤维为增强体，以热解C、SiC等为基体的多相复合刹车材料，是在C/C复合刹车材料的基础上，引入具有优异抗氧化性能的SiC陶瓷硬质材料作为基体的一种刹车材料，其既保持了C/C复合刹车材料密度低、耐高温的优点，又克服了C/C刹车材料静摩擦系数低、湿态衰减大、摩擦寿命不足及环境适应性差等缺点，成为新一代刹车材料。

继电器陶瓷壳体（来源：安地亚斯）

在高温下，传统隔膜会收缩或熔化，从而引起内部短路，导致火灾甚至爆炸。针对这种情况，人们已经采取了多种方法来提高隔膜的热稳定性，在PP或者PE隔膜上涂覆一层无机陶瓷颗粒被认为是最有效、最经济的方法。目前常用的陶瓷材料包括α-氧化铝、勃姆石。

陶瓷密封圈

陶瓷继电器

熔断器是对电路进行过电流保护的器件。工作时，熔断器串接在电路中，负载电流流经熔断器。当电路发生短路或过载，过电流的热效应使熔体熔化、气化产生断口，断口产生电弧，熔断器通过熄灭电弧切断故障电路，起到电路保护的作用。

陶瓷管新能源熔断器（来源：旭程电子）

汽车用熔断器分为低压和高压两部分，高压保护主要适用于新能源汽车，应用电压一般为 60VDC-1500VDC，主要是电力熔断器（新能源汽车高压熔断器）对主回路和辅助回路进行保护。随着新能源车市进入后补贴时代，个人消费需求推动新能源车的高压平台化，快充、电机、功率器件等高压领域对于安全的要求不可忽视，熔断器在稳定性以及过流反应中的快速分断能力将在新能源车快速增长下保持需求的高速提升。

2022年，受下游市场消费需求萎缩的影响，传统 LED 照明市场表现低迷，而车用 LED 市场因新能源汽车拉动逆势上扬。

蓝宝石生长过程中氧化铝的形态演变过程

LED 衬底是蓝宝石材料，蓝宝石衬底的优势主要表现在器件稳定、制备技术成熟、不吸收可见光、透光率较好、价格适中等方面，有资料显示全球80%的LED企业釆用蓝宝石作为衬底材料。制备蓝宝石衬底的原料是高纯氧化铝，这种氧化铝需要具备较高的纯度，且原料中的水分含量要求非常低。

在动力电池组装中，胶粘剂广泛应用于PACK密封、结构粘接、结构导热、电池灌封等方面，提供安全防护、轻量化设计、热管理等功能，为动力电池实现持久、稳定、高效、安全的运行起到了关键性作用。电控方面，IGBT模组与冷面之间的刚性界面需涂抹导热硅脂，减少热阻隔；在驱动电机内，定子用于产生旋转磁性，通常采用高导热胶对定子进行整体灌封。球形氧化铝作为一种热界面材料在以上三个方面均有重要应用。

小结

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2023第一届电动车用陶瓷材料技术研讨会