中國粉體網(wǎng)訊 作為一種應用極為廣泛的無機材料，氧化鋁在汽車上的應用相當普遍，一些新的應用場景正在被挖掘出來，同時，隨著一些新材料的出現(xiàn)，氧化鋁在某些應用場景已正在被淘汰出局。
IGBT封裝基板
絕緣柵雙極晶體管（IGBT）以輸入阻抗高、開關速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等特點，成為當今功率半導體器件發(fā)展主流，被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”。
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。
由于 IGBT 輸出功率高，發(fā)熱量大，散熱不良將損壞 IGBT 芯片，因此對 IGBT 封裝而言，散熱是關鍵，須盡可能的選用陶瓷基板強化散熱。
陶瓷覆銅板是銅-陶瓷-銅“三明治”結構的復合材料，它具有陶瓷的散熱性好、絕緣性高、機械強度高、熱膨脹與芯片匹配的特性，又兼有無氧銅電流承載能力強、焊接和鍵合性能好、熱導率高的特性，是IGBT模塊的關鍵封裝材料之一。
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硅陶瓷覆銅板，而氧化鋁陶瓷早已不是該應用場景中基片材料最佳選擇，因為性能對比下氮化硅覆銅基板更為優(yōu)秀，其最大特點是具有其他陶瓷基板所無可比擬的可靠性，即具有高強度、高導熱的特性，結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。
因此，氮化硅覆銅基板已經(jīng)成為 IGBT 模塊封裝的新寵，特別是在可靠性和小型化要求更高的電動汽車領域正逐步替代氧化鋁。
LED車燈藍寶石襯底
隨著汽車技術的發(fā)展，汽車燈具由最原始白熾燈逐漸發(fā)展到鹵素燈、氙氣燈和LED燈。近幾年來，LED技術在汽車照明系統(tǒng)中占有越來越重要的地位，從最初的汽車室內(nèi)照明如儀表燈、背光照明、閱讀燈等最基本的照明應用，逐漸發(fā)展到外部照明如遠近燈、日間行車燈、轉(zhuǎn)向燈、高位制動燈及組合尾燈等。2022年，受下游市場消費需求萎縮的影響，傳統(tǒng)LED照明市場表現(xiàn)低迷，整體營收出現(xiàn)下滑，盈利能力減弱，但是車用LED市場因新能源汽車拉動逆勢上揚。
圖片來源：pexels
LED的原理是將電能轉(zhuǎn)換成光能，當電流經(jīng)過半導體時，空穴與電子相結合，多余的能量就以光能釋放出來，最后產(chǎn)生發(fā)光照明的效果。LED芯片技術是以外延片為基礎的，通過一層一層的氣態(tài)材料沉淀到基底上面，基底材料主要包括硅襯底、碳化硅襯底和藍寶石襯底三種，其中，藍寶石襯底相比于其它兩種襯底方式上具有很明顯的優(yōu)勢，藍寶石襯底的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在器件穩(wěn)定、制備技術成熟、不吸收可見光、透光率較好、價格適中等方面，有資料顯示全球80%的LED企業(yè)釆用藍寶石作為襯底材料。
藍寶石生長過程中氧化鋁的形態(tài)演變過程
用于制備藍寶石需要用到高純的氧化鋁，且原料中的水分含量要求非常低，在超過2000℃高溫熔化時，水的存在可導致鉬坩堝氧化。隨著汽車LED的發(fā)展，單晶藍寶石的需求也日益增加，高純氧化鋁在該領域的市場前景較好。
導熱材料——球形氧化鋁
在新能源汽車市場爆發(fā)增長的同時，其關乎人身安全的熱管理也受到了重視，在眾多導熱粉體材料中，綜合其性能、技術成熟度、生產(chǎn)成本等，球形氧化鋁憑借較高的導熱性能、高填充系數(shù)、較好的流動性、成熟的工藝、豐富的規(guī)格以及相對合理的價格，成為導熱粉體行業(yè)中高端導熱領域最主流的導熱粉體類別。
在新能源汽車中，電池、電控、電機以及動力電池模組散熱均采用導熱材料及導熱膠等熱界面材料，這給球形氧化鋁導熱材料帶來了大量需求，據(jù)壹石通公告資料顯示，單輛新能源汽車大概需要使用不低于10kg的球形氧化鋁。
電池材料
涂覆隔膜
隔膜是鋰電池的關鍵材料，用于分隔正、負極，防止電池內(nèi)部短路，允許電解質(zhì)離子自由通過，以完成電化學充放電過程。隔膜是鋰離子電池材料中技術壁壘最高的部分，其成本占比僅次于正極材料，約為10%~14%，在一些高端電池中隔膜成本占比甚至達到20%。其性能決定了電池的界面結構、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)性能以及安全性能等，性能優(yōu)異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。
鋰電池隔膜，來源：恩捷股份
鋰電池隔膜主要原材料聚乙烯和聚丙烯熔點相對低，熱穩(wěn)定性較差，其在一定溫度下會發(fā)生明顯的收縮甚至破裂，從而導致電池發(fā)生短路。隔膜表面單面或者雙面進行涂覆可以顯著提高高溫穩(wěn)定性，緩解隔膜熱收縮造成的電池正負極接觸、燃燒、爆炸的安全問題，經(jīng)涂覆后隔膜厚度增加，隔膜的穩(wěn)定性和壽命都有顯著改善。在涂覆技術路線方面，涂覆材料主要包括無機物涂覆、有機物涂覆和功能性多層涂覆。無機涂覆材料中，目前勃姆石和氧化鋁占據(jù)主要的市場，隨著制備工藝日益成熟以及市場對勃姆石的日益認可，勃姆石在無機涂覆材料應用中的占比逐漸提升，氧化鋁的市場空間正在被逐漸壓縮。
電極添加材料
圖片來源：寶宏科技
目前，雖然鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）、三元材料（Li-Ni-Co-Mn-O）是4種已經(jīng)商業(yè)化的鋰離子電池正極材料，但是它們在安全性、循環(huán)性能、容量保持等方面存在一定的缺陷。
為了提高正極材料的穩(wěn)定性，研究學者采用不同的改性方法，如摻雜（Mo、Mg）、表面包覆[金屬氧化物(Al2O3、ZnO）、氟化物(AlF3)]以及兩種方式共用（Cr摻雜和Li3PO4包覆、Al摻雜和LiAlO2包覆）等。其中表面包覆對正極材料的改性被認為是最為有效的方法。
在眾多包覆材料中，Al2O3因其來源廣和價格低廉，并且能有效提升正極材料的電化學性能而被廣泛使用。
尾氣凈化用氧化鋁載體
在使用燃油車時，會產(chǎn)生大量的尾氣污染物，CO2、CO、NO、NO2、Pb、SO2、未燃碳氫化合物HC及顆粒物(包括鉛化合物、碳黑顆粒和油霧等)。即便是新能源汽車也并不是都能實現(xiàn)零排放，如混合動力汽車和增程式電動車，它們在使用過程中也會排放尾氣，部分車輛在出廠時都會被強制要求安裝三元催化器，通過內(nèi)置的凈化劑來發(fā)生反應，生成無害氣體。
圖片來源：Pixabay
活性氧化鋁（主晶相為γ－Al2O3）具有豐富的孔道，并相互連通，具有較大的孔容積和比表面積，其微孔表面具備催化作用所要求的特性，如吸附性能、干燥性能、表面活性及良好的耐磨損、耐高溫和抗氧化等，且其可塑性好，可以制成圓筒形、球形、蜂窩形等，所以在國內(nèi)外被廣泛用作石油煉制催化劑、汽車尾氣凈化催化劑、加氫及加氫脫硫催化劑等的載體。
小結
除以上應用外，氧化鋁憑借出色的高溫和介電性能，還可以用來制作內(nèi)燃機火花塞，良好的耐磨性還可保證制作的活塞能夠加工到相當高的精度和粗糙度，可以說氧化鋁在汽車中的應用極其廣泛。同時我們也應該看到，隨著一些新材料的出現(xiàn)，它們在某些應用上正在逐漸取代氧化鋁，如氮化硅陶瓷基板在IGBT模塊封裝中將成為主流，勃姆石在鋰電涂覆隔膜方面的風頭已經(jīng)完全蓋過了氧化鋁。盡管如此，氧化鋁作為種用途最廣的陶瓷材料之一在汽車工業(yè)中至今仍發(fā)揮著重要作用。
參考來源：
[1]楊培善等.汽車 LED 燈具發(fā)展及關鍵技術分析
[2]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
[3]中國粉體網(wǎng)、粉體大數(shù)據(jù)研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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