中國粉體網(wǎng)訊 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)。
目前氮化硅“上車”呼聲最高的應(yīng)用主要有兩個方面，即軸承與基板。相對于碳化硅的高調(diào)，另一種陶瓷材料——氮化硅也在悄悄“上車”。
氮化硅陶瓷軸承——電驅(qū)時代軸承材料最優(yōu)解
電動化浪潮下，對軸承材料提出了更高的要求
電動化浪潮下汽車的動力傳動系統(tǒng)設(shè)計發(fā)生了翻天覆地的變化，這個變化不僅僅影響了發(fā)動機變速箱這些大總成，軸承作為一個小零部件其設(shè)計和供應(yīng)鏈也在持續(xù)變革。
業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為電動汽車發(fā)展對軸承行業(yè)的挑戰(zhàn)主要呈現(xiàn)在以下幾個方面：
首先是高轉(zhuǎn)速�，F(xiàn)今，新能源汽車對電機轉(zhuǎn)速提出越來越高的要求，目前比較常見的是20,000-25,000rpm，這對軸承來說是比較苛刻的挑戰(zhàn)，這個挑戰(zhàn)來自耐久性能和極高轉(zhuǎn)速的限制。與此同時，扁線電機逐步成為技術(shù)趨勢，這在功率密度提升的同時，也對軸承的潤滑和發(fā)熱都帶來了新的考驗。
圖片來源：養(yǎng)貞軸承
其次是低噪音。低噪音振動是電動汽車用戶體驗良好的關(guān)鍵，然而電機的高轉(zhuǎn)速趨勢給整機的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)頻率會進一步加劇電腐蝕的發(fā)生。
還有一點是電機輕量化帶來的挑戰(zhàn)。在新的設(shè)計中，軸承的使用數(shù)量越來越少、設(shè)計越來越緊湊，這對軸承的輕量化及耐久性提出了更高要求。
面對這些挑戰(zhàn)，軸承行業(yè)急需一種新材料前來救場。
氮化硅陶瓷軸承將成為一種應(yīng)用趨勢
首先我們先來了解一下陶瓷軸承。滾動軸承由套圈、滾動體、保持器、潤滑脂、密封件組成，當(dāng)滾動體采用陶瓷材料后，此滾動軸承就定義為陶瓷軸承。
氮化硅全陶瓷球軸承（圖片來源：讓云科技）
陶瓷軸承主要為兩類：混合式陶瓷軸承及全陶瓷軸承�；旌鲜教沾奢S承一般滾動體用陶瓷材料制造，套圈用軸承鋼制造；全陶瓷軸承則滾動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�；旌咸沾汕蜉S承一般用于高速、絕緣、貧油潤滑等場合。全陶瓷球軸承一般用于高溫、腐蝕、抗磁、絕緣等場合。
不同陶瓷材料與軸承鋼的特性對比
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％ ，由于陶瓷滾動體材料密度低，離心載荷小，高速運轉(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&高強度。氮化硅(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，氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承是個很好的選擇。
低摩擦。相比鋼制軸承，氮化硅(Si3N4)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，磨損也會因此而減少，甚至不需要或極少需要潤滑劑。另外，氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承的使用使得滾道應(yīng)力更小，機械工作溫度也更低。
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800℃的高溫中穩(wěn)定保持其機械特性，不變形不收縮，具有良好的尺寸穩(wěn)定性。
耐電腐蝕。對于電動汽車來說，氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承另一個優(yōu)點，也可以說是最大的一個優(yōu)點，具有極佳的抗電性。當(dāng)電動汽車的高電壓牽引電機時，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，這樣會增加工序的復(fù)雜性。
電腐蝕現(xiàn)象
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遭到污染的風(fēng)險。如果軸承受到污染的話，也可能引發(fā)機械故障，因而鋼制軸承外涂絕緣涂層不應(yīng)該成為電動汽車軸承的最佳選擇。電動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易的工序。顯然，氮化硅材料的特性符合電動汽車對軸承的電性能要求。
壽命長。與鋼制軸承相比，陶瓷軸承使用壽命更長。陶瓷軸承可以避免頻繁的更換而帶來的成本浪費和不必要的麻煩。對電動汽車而言，陶瓷軸承可以維持并延長車輛的使用壽命，進而獲得更長的行程。
綜上所述，氮化硅陶瓷軸承因其材料具有輕量化、高硬度、高強度、低摩擦、高耐熱性、電絕緣性優(yōu)良以及壽命長等優(yōu)勢，可以大力推動電動汽車行業(yè)穩(wěn)固、長期、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，對保護環(huán)境和節(jié)約能源的呼聲高漲，使得國內(nèi)的新能源電動汽車倍受關(guān)注。大功率封裝器件在調(diào)控汽車速度和儲存-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)對電子封裝的散熱提出了嚴(yán)格的要求，同時工作環(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，同時為了應(yīng)對工作環(huán)境的復(fù)雜化也應(yīng)具有高強度和高可靠性。
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，但其抗彎強度、斷裂韌性都可達到AlN的２倍以上；同時，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。
氮化硅陶瓷基板（來源：正天新材）
Si IGBT
IGBT是新能源汽車電機控制系統(tǒng)的核心器件，約占電機驅(qū)動系統(tǒng)成本的一半，而電機驅(qū)動系統(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)級要高得多，逆變器內(nèi)溫度極高，同時還要考慮強振動條件，車規(guī)級的IGBT遠(yuǎn)在工業(yè)級之上。電動汽車用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和沖擊力，機械強度要求高。
對于車用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)載的正常運行的同時，保護芯片正常工作。延長電子設(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驅(qū)動中，采用SiC MOSFET器件比傳統(tǒng)Si IGBT帶來5%～10%續(xù)航提升，未來將會逐步取代Si IGBT。但SiC MOSFET芯片面積小，對散熱要求高，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。
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SiC MOSFET器件散熱。
比亞迪e3.0平臺推出的全新一代SiC電控，采用了自主研發(fā)的全新SiC MOSFET電機控制模塊、高性能氮化硅陶瓷以及集成NTC傳感器，使整個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99.7%。
小結(jié)
在電動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系統(tǒng)方面具有極大的潛力，而隨著電動化時代的到來，氮化硅陶瓷的“上車”勢頭將會極其兇猛。
參考來源：
[1]斯凱孚郭明春：電驅(qū)時代，汽車軸承面臨的現(xiàn)實挑戰(zhàn)和應(yīng)對之策.蓋世汽車社區(qū)
[2]氮化硅陶瓷軸承在電動汽車行業(yè)的應(yīng)用. 養(yǎng)貞軸承
[3]氮化硅陶瓷基板與新能源汽車的邂逅.中國粉體網(wǎng)
[4] 李 婷.陶瓷軸承應(yīng)用開啟藍海 產(chǎn)業(yè)競爭發(fā)展風(fēng)頭正勁
[5] 郭樺.陶瓷球軸承的發(fā)展與應(yīng)用
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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