2021年以來，?隨著特斯拉率先在model 3的主驅(qū)上采用全碳化硅模塊而吃了第一口螃蟹，碳化硅在汽車界掀起一股“上車熱”，比亞迪等越來越多車企開始在電驅(qū)系統(tǒng)中導(dǎo)入碳化硅（SiC）技術(shù)。
相對(duì)于碳化硅的高調(diào)，另一種陶瓷材料——氮化硅也在悄悄“上車”。目前氮化硅“上車”呼聲最高的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面，即軸承與基板。 ?

氮化硅陶瓷軸承——電驅(qū)時(shí)代軸承材料最優(yōu)解

電動(dòng)化浪潮下，對(duì)軸承材料提出了更高的要求 ? 電動(dòng)化浪潮下汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)生了翻天覆地的變化，這個(gè)變化不僅僅影響了發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱這些大總成，軸承作為一個(gè)小零部件其設(shè)計(jì)和供應(yīng)鏈也在持續(xù)變革。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為電動(dòng)汽車發(fā)展對(duì)軸承行業(yè)的挑戰(zhàn)主要呈現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： ? 首先是高轉(zhuǎn)速。現(xiàn)今，新能源汽車對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速提出越來越高的要求，目前比較常見的是20,000-25,000rpm，這對(duì)軸承來說是比較苛刻的挑戰(zhàn)，這個(gè)挑戰(zhàn)來自耐久性能和極高轉(zhuǎn)速的限制。與此同時(shí)，扁線電機(jī)逐步成為技術(shù)趨勢(shì)，這在功率密度提升的同時(shí)，也對(duì)軸承的潤(rùn)滑和發(fā)熱都帶來了新的考驗(yàn)。 ?

其次是低噪音。低噪音振動(dòng)是電動(dòng)汽車用戶體驗(yàn)良好的關(guān)鍵，然而電機(jī)的高轉(zhuǎn)速趨勢(shì)給整機(jī)的NVH帶來了不小的挑戰(zhàn)，而軸承是NVH控制的關(guān)鍵因素之一。 ? 再者，電腐蝕問題也在電機(jī)發(fā)展的過程中如影隨形。在傳統(tǒng)400V電驅(qū)系統(tǒng)內(nèi)，鋼球軸承電腐蝕已經(jīng)非常普遍；而在800V高壓系統(tǒng)中，隨著SiC基材逆變器被大規(guī)模使用，高壓和高開關(guān)頻率會(huì)進(jìn)一步加劇電腐蝕的發(fā)生。 ? 還有一點(diǎn)是電機(jī)輕量化帶來的挑戰(zhàn)。在新的設(shè)計(jì)中，軸承的使用數(shù)量越來越少、設(shè)計(jì)越來越緊湊，這對(duì)軸承的輕量化及耐久性提出了更高要求。 ? 面對(duì)這些挑戰(zhàn)，軸承行業(yè)急需一種新材料前來救場(chǎng)。 ? 氮化硅陶瓷軸承將成為一種應(yīng)用趨勢(shì) ? 首先我們先來了解一下陶瓷軸承。滾動(dòng)軸承由套圈、滾動(dòng)體、保持器、潤(rùn)滑脂、密封件組成，當(dāng)滾動(dòng)體采用陶瓷材料后，此滾動(dòng)軸承就定義為陶瓷軸承。 ?

陶瓷軸承主要為兩類：混合式陶瓷軸承及全陶瓷軸承。混合式陶瓷軸承一般滾動(dòng)體用陶瓷材料制造，套圈用軸承鋼制造；全陶瓷軸承則滾動(dòng)體及套圈均用陶瓷材料制造；按照陶瓷軸承的結(jié)構(gòu)不同，分為陶瓷球軸承和陶瓷滾子軸承。混合陶瓷球軸承一般用于高速、絕緣、貧油潤(rùn)滑等場(chǎng)合。全陶瓷球軸承一般用于高溫、腐蝕、抗磁、絕緣等場(chǎng)合。 ?

不同陶瓷材料與軸承鋼的特性對(duì)比

材料方面，常見的陶瓷軸承材料有氧化鋯，氮化硅，碳化硅三種。其中，氮化硅陶瓷被認(rèn)為是制造陶瓷軸承的最佳材料。其具體特征如下： ? 輕量化。氮化硅陶瓷的密度為3.19～3.3g/cm3，僅為軸承鋼（7.85g／cm3）的40％ ，由于陶瓷滾動(dòng)體材料密度低，離心載荷小，高速運(yùn)轉(zhuǎn)溫升低，從而可在更高轉(zhuǎn)速下工作，而且產(chǎn)生熱量較少。 ?

高硬度&高強(qiáng)度。氮化硅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，氮化硅陶瓷軸承是個(gè)很好的選擇。 ?

低摩擦。相比鋼制軸承，氮化硅陶瓷軸承中的球在軸承組件內(nèi)產(chǎn)生更少的摩擦、更少的熱量，也就是說，磨損也會(huì)因此而減少，甚至不需要或極少需要潤(rùn)滑劑。另外，氮化硅陶瓷軸承的使用使得滾道應(yīng)力更小，機(jī)械工作溫度也更低。 ?

高耐熱性。氮化硅陶瓷具有良好的溫度特性，并適用于高溫用材料，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 M50耐高溫軸承鋼使用極限溫度400℃ ，氮化硅陶瓷可在高達(dá)800℃的高溫中穩(wěn)定保持其機(jī)械特性，不變形不收縮，具有良好的尺寸穩(wěn)定性。 ?

耐電腐蝕。對(duì)于電動(dòng)汽車來說，氮化硅陶瓷軸承另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，也可以說是最大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，具有極佳的抗電性。當(dāng)電動(dòng)汽車的高電壓牽引電機(jī)時(shí)，軸承內(nèi)部的細(xì)小部件很容易受到高壓電流的影響，或者說由于電流的外泄而產(chǎn)生“電蝕”現(xiàn)象。鋼制材料的軸承如果想避免出現(xiàn)這種故障的話，通常采取的措施是，在鋼的表層涂上一層非導(dǎo)電材料。然而，這樣會(huì)增加工序的復(fù)雜性。 ?

另外，考慮到所涂材料的純度及潔凈度等方面的影響，需要避免軸承可能會(huì)遭到污染的風(fēng)險(xiǎn)。如果軸承受到污染的話，也可能引發(fā)機(jī)械故障，因而鋼制軸承外涂絕緣涂層不應(yīng)該成為電動(dòng)汽車軸承的最佳選擇。電動(dòng)汽車的重量和體積方面的要求需要更加輕便的裝備和更加簡(jiǎn)易的工序。顯然，氮化硅材料的特性符合電動(dòng)汽車對(duì)軸承的電性能要求。 ?

壽命長(zhǎng)。與鋼制軸承相比，陶瓷軸承使用壽命更長(zhǎng)。陶瓷軸承可以避免頻繁的更換而帶來的成本浪費(fèi)和不必要的麻煩。對(duì)電動(dòng)汽車而言，陶瓷軸承可以維持并延長(zhǎng)車輛的使用壽命，進(jìn)而獲得更長(zhǎng)的行程。 ? 綜上所述，氮化硅陶瓷軸承因其材料具有輕量化、高硬度、高強(qiáng)度、低摩擦、高耐熱性、電絕緣性優(yōu)良以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，可以大力推動(dòng)電動(dòng)汽車行業(yè)穩(wěn)固、長(zhǎng)期、健康發(fā)展。

氮化硅陶瓷基板——綜合性能最好的陶瓷基板材料

目前，對(duì)保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源的呼聲高漲，使得國(guó)內(nèi)的新能源電動(dòng)汽車倍受關(guān)注。大功率封裝器件在調(diào)控汽車速度和儲(chǔ)存-轉(zhuǎn)換交流和直流上發(fā)揮著決定性作用。而高頻率的熱循環(huán)對(duì)電子封裝的散熱提出了嚴(yán)格的要求，同時(shí)工作環(huán)境的復(fù)雜性和多元性需要封裝材料具有較好的抗熱震性和高強(qiáng)度來起到支撐作用。電子封裝系統(tǒng)中的陶瓷基板材料是高效散熱的關(guān)鍵，同時(shí)為了應(yīng)對(duì)工作環(huán)境的復(fù)雜化也應(yīng)具有高強(qiáng)度和高可靠性。 ?

不同種類陶瓷基板的性能

近年來已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)、應(yīng)用較為廣泛的陶瓷基板主要有：Al2O3、BeO、SiC、Si3N4、AlN等。其中氮化硅是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)兼具高導(dǎo)熱、高可靠性等綜合性能最好的陶瓷基板材料。盡管Si3N4陶瓷基板具有略低于AlN的導(dǎo)熱性，但其抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性都可達(dá)到AlN的２倍以上；同時(shí)，Si3N4陶瓷的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于Al2O3陶瓷；此外，Si3N4陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)與第3代半導(dǎo)體襯底SiC晶體接近，使其能夠與SiC晶體材料匹配性更穩(wěn)定。這使Si3N4成為第3代SiC半導(dǎo)體功率器件高導(dǎo)熱基板材料的首選。 ?

Si IGBT

IGBT是新能源汽車電機(jī)控制系統(tǒng)的核心器件，約占電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本的一半，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)占整車成本的15-20%，也就是說IGBT占整車成本的7-10%，是除電池之外成本第二高的元件，IGBT的質(zhì)量很大一部分也決定了整車的能源效率。 ? IGBT投入市場(chǎng)這么多年以來，其自身的潛力已經(jīng)挖掘的差不多了，大家都把精力轉(zhuǎn)移到IGBT的封裝上，也就是散熱。車用IGBT的散熱效率要求比工業(yè)級(jí)要高得多，逆變器內(nèi)溫度極高，同時(shí)還要考慮強(qiáng)振動(dòng)條件，車規(guī)級(jí)的IGBT遠(yuǎn)在工業(yè)級(jí)之上。電動(dòng)汽車用IGBT模塊的功率導(dǎo)電端子需要承載數(shù)百安培的大電流，對(duì)電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率有較高的要求，車載環(huán)境中還要承受一定的振動(dòng)和沖擊力，機(jī)械強(qiáng)度要求高。 ? 對(duì)于車用IGBT，氮化硅是再適合不過的。氮化硅陶瓷電路板可以適應(yīng)高溫高壓的工作環(huán)境。能及時(shí)散去電源系統(tǒng)中的高熱量，能適應(yīng)汽車內(nèi)部惡劣的環(huán)境，各大功率負(fù)載的正常運(yùn)行的同時(shí)，保護(hù)芯片正常工作。延長(zhǎng)電子設(shè)備的使用周期。節(jié)約更多空間，為新能源汽車提供更多可能性。 ?

SiC MOSFET

在新能源汽車的核心電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，采用SiC MOSFET器件比傳統(tǒng)Si IGBT帶來5%～10%續(xù)航提升，未來將會(huì)逐步取代Si IGBT。但SiC MOSFET芯片面積小，對(duì)散熱要求高，氮化硅陶瓷基板具備優(yōu)異的散熱能力和高可靠性，幾乎成為SiC MOSFET在新能源汽車領(lǐng)域主驅(qū)應(yīng)用的必選項(xiàng)。 ? 目前已經(jīng)量產(chǎn)的Tesla model 3已經(jīng)大批量使用氮化硅陶瓷基板，應(yīng)對(duì)SiC MOSFET器件散熱。 ? 比亞迪e3.0平臺(tái)推出的全新一代SiC電控，采用了自主研發(fā)的全新SiC MOSFET電機(jī)控制模塊、高性能氮化硅陶瓷以及集成NTC傳感器，使整個(gè)電控單元功率密度提升近30%，電流最大支持840A，電壓最大1200V，電控最高效率達(dá)99.7%。 ?

小結(jié)

在電動(dòng)汽車逐漸代替燃油車過程中，很多陶瓷材料受到了汽車制造商的關(guān)注，例如MLCC、陶瓷剎車盤、陶瓷隔膜等，均在汽車各個(gè)系統(tǒng)中擔(dān)任重要角色。氮化硅陶瓷憑借最優(yōu)的綜合性能在大功率器件封裝以及傳動(dòng)系統(tǒng)方面具有極大的潛力，而隨著電動(dòng)化時(shí)代的到來，氮化硅陶瓷的“上車”勢(shì)頭將會(huì)極其兇猛。

編輯：黃飛

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