التطبيق والقيمة الفنية للسيراميك المتقدم في سياق ترقية كهربة مركبات الطاقة الجديدة

إن تحويل مركبات الطاقة الجديدة من طاقة الوقود التقليدية إلى القيادة الكهربائية والتحكم الذكي والأنظمة الكهربائية ذات الجهد العالي- لم يغير هيكل طاقة السيارة فحسب، بل عزز أيضًا ترقية المواد للمكونات الرئيسية مثل مرحلات الجهد العالي- وأشباه موصلات الطاقة ومحامل المحركات وأنظمة التحكم الإلكترونية. ومع التطوير المستمر للمنصات ذات الجهد العالي 800 فولت والجهد العالي، وأنظمة القيادة الكهربائية ذات كثافة الطاقة العالية-وتقنيات الشحن والتفريغ السريع، تواجه المكونات أيضًا متطلبات الجهد العالي والتيار ودرجة الحرارة والتردد والموثوقية.

 

في هذه العملية، توسع السيراميك المتقدم تدريجيًا من المواد الإنشائية التقليدية إلى -الأنظمة الكهربائية وإلكترونيات الطاقة وأنظمة القيادة ذات الجهد العالي لمركبات الطاقة الجديدة بفضل قوتها العازلة العالية ومقاومتها لدرجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل والقوة الميكانيكية العالية واستقرار الأبعاد الجيد. يركز تطبيقه على أجهزة تحويل التيار المستمر ذات الجهد العالي-، وتغليف أشباه موصلات الطاقة، وموصلات الجهد العالي- الخزفية، والمحامل المعزولة للمحرك.

 

 

 

يتطلب النظام الكهربائي عالي الجهد- لمركبات الطاقة الجديدة عادةً مرحلات أو موصلات لتحقيق الاتصال والفصل والعزل الآمن بين مجموعة البطارية ودوائر الجهد العالي- مثل العاكسات والمحركات وأنظمة الشحن. بالمقارنة مع الأنظمة الكهربائية للسيارات ذات الجهد المنخفض-، يعد التبديل في بيئات التيار المستمر ذات الجهد العالي- أكثر تعقيدًا. خاصة عند فصل الدوائر في ظل ظروف التيار العالي، من المحتمل أن تحدث أقواس بين جهات الاتصال، مما يضع متطلبات أعلى على هيكل العزل وقدرات إطفاء القوس-.

 

تتمتع المواد الخزفية بخصائص عزل كهربائي ممتازة ومقاومة لدرجات الحرارة العالية، ويمكن استخدامها في الأغلفة العازلة والأكمام العازلة وهياكل الإغلاق داخل مرحلات وموصلات التيار المستمر ذات الجهد العالي-. من خلال الختم الموثوق للمواد السيراميكية والمعدنية، يمكن تشكيل مساحة عمل داخلية مغلقة نسبيًا للحفاظ على عزل مستقر بين المكونات الموصلة ذات الجهد العالي- والهيكل الخارجي، مع توفير ظروف الختم اللازمة لوسيط إطفاء القوس.

 

في أجهزة التبديل ذات الجهد العالي-، يعد سيراميك الألومينا أحد أكثر المواد العازلة شيوعًا. يمكن اختيار أنظمة الألومينا ذات مستويات النقاء والأداء المختلفة بناءً على مستويات الجهد المختلفة والقوة الميكانيكية والخصائص الحرارية ومتطلبات الحجم. بالنسبة للأجزاء التي تحتاج إلى تلبية متطلبات العزل والدعم الميكانيكي وختم المعادن في نفس الوقت، يمكن لسيراميك الألومينا المعدني تحقيق اتصالات موثوقة بين السيراميك والمعادن من خلال تعدين سطح السيراميك وعمليات اللحام بالنحاس.

 

لا تقتصر قيمة المواد الخزفية في مثل هذه المنتجات على العزل. سيتم توليد حرارة عابرة وإجهاد ميكانيكي أثناء تشغيل موصلات الجهد العالي-، لذلك يحتاج الغلاف الخزفي أيضًا إلى ثبات حراري جيد، وثبات الأبعاد، ومقاومة الصدمات الحرارية. يجب تصميم اختيار المواد والتصميم الهيكلي وعملية المعدنة بشكل شامل بناءً على جهد التشغيل الفعلي والتيار ودرجة الحرارة ومتطلبات الحياة.

 

 

 

أحد نوى نظام القيادة الكهربائية لمركبات الطاقة الجديدة هو وحدة التحكم الإلكترونية في الطاقة، والتي تتمثل وظيفتها الرئيسية في إكمال التحويل الفعال بين طاقة التيار المستمر لبطارية الطاقة وطاقة التيار المتردد التي يتطلبها المحرك. مع زيادة كثافة الطاقة في أنظمة القيادة الكهربائية، تحتاج أجهزة أشباه موصلات الطاقة إلى تحمل تيارات أعلى ودورات حرارية أكثر تكرارًا. لذلك، يجب ألا تتمتع مواد التعبئة والتغليف بخصائص عزل جيدة فحسب، بل يجب أيضًا أن تأخذ في الاعتبار تبديد الحرارة، والقوة الميكانيكية، ومطابقة التمدد الحراري.

 

تتكون الركائز المكسوة بالنحاس الخزفي-عادةً من طبقات النحاس، وطبقات العزل الخزفية، وطبقات النحاس. الطبقة السيراميكية مسؤولة عن وظائف العزل الكهربائي والدعم الميكانيكي، والطبقة النحاسية مسؤولة عن نقل التيار، وتوصيل الرقاقة، وتبديد الحرارة. بالمقارنة مع المواد العازلة العضوية النقية، يمكن أن تحافظ الركائز الخزفية على خواص كهربائية وميكانيكية مستقرة في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة، مما يجعلها مناسبة للوحدات الإلكترونية ذات الكثافة العالية-من الطاقة-.

 

تشمل المواد الخزفية الشائعة المستخدمة حاليًا في وحدات طاقة مركبات الطاقة الجديدة أكسيد الألومنيوم ونيتريد الألومنيوم ونيتريد السيليكون. يتميز أكسيد الألومنيوم بخصائص التكلفة المعتدلة نسبيًا، وأداء العزل الجيد، والعملية الناضجة؛ يتمتع نيتريد الألومنيوم بموصلية حرارية عالية وله مزايا في السيناريوهات ذات متطلبات تبديد الحرارة العالية؛ يتمتع نيتريد السيليكون بقوة ميكانيكية عالية، وثبات حراري، ومقاومة للدورة الحرارية، وهو أكثر ملاءمة لتطبيقات الطاقة الإلكترونية التي تتطلب موثوقية عالية-على المدى الطويل.

 

مع تطور وحدات طاقة مركبات الطاقة الجديدة نحو الجهد العالي والتيار العالي والتصغير، زاد أيضًا الطلب على المكونات المعدنية السيراميكية عالية الدقة-مثل السيراميك المعدني الدقيق. يجب أن تتمتع طبقة المعدنة الموجودة على سطح السيراميك بقوة التصاق جيدة وخصائص كهربائية مستقرة، وأن تكون قادرة على تحمل الضغط الناتج أثناء اللحام والنحاس والدورة الحرارية اللاحقة.

 

بالنسبة لتغليف أشباه موصلات الطاقة، من المهم جدًا مطابقة معامل التمدد الحراري بين مادة السيراميك وطبقة النحاس. أثناء التشغيل الفعلي، ستواجه مركبات الطاقة الجديدة عملية التشغيل والتسارع والكبح والشحن السريع وتغيرات مختلفة في درجات الحرارة البيئية، وستتعرض وحدة الطاقة للتدفئة والتبريد بشكل متكرر. إذا كان الفرق في التمدد الحراري بين المواد كبيرًا جدًا،-قد يؤدي التدوير الحراري طويل المدى إلى إجهاد الواجهة، أو الشقوق، أو التصفيح، مما يؤثر على عمر الوحدة.

 

ولذلك، فإن تصميم التغليف الخزفي لوحدات الطاقة في مركبات الطاقة الجديدة يحتاج إلى الأخذ في الاعتبار التوصيل الحراري، وقوة العزل، والقوة الميكانيكية، ومطابقة التمدد الحراري، ودقة المعالجة في نفس الوقت، ولا يمكن الاعتماد ببساطة على أداء مادة معينة كأساس للاختيار.

 

 

يتمتع السيراميك نفسه بخصائص عزل ممتازة، ولكن في الأجهزة الإلكترونية الفعلية، عادةً ما يحتاج السيراميك إلى توصيله بموصلات معدنية أو أقطاب كهربائية أو هياكل التغليف. لذلك، أصبحت تعدين سطح السيراميك عملية مهمة لتحقيق مزيج موثوق من السيراميك والمعادن.

 

الفكرة الأساسية لتمعدن السيراميك هي تشكيل طبقة معدنية بسماكة معينة وقوة التصاق على سطح السيراميك، بحيث يمكن لحامها أو لحامها أو الخضوع لمعالجة توصيل أخرى. لا تحتاج الطبقة المعدنية إلى موصلية كهربائية جيدة فحسب، بل تحتاج أيضًا إلى تكوين رابطة واجهة مستقرة مع المصفوفة الخزفية.

 

بالنسبة للأجهزة ذات الجهد العالي-لمركبات الطاقة الجديدة، تؤثر موثوقية طبقة المعدن بشكل مباشر على ضيق الهواء، وأداء العزل، والاستقرار الميكانيكي لهيكل التغليف. على سبيل المثال، يحتاج العازل الخزفي الموجود داخل مرحل الجهد العالي- إلى تكوين اتصال موثوق به مع الغلاف المعدني؛ تحتاج الركيزة الخزفية في وحدة أشباه موصلات الطاقة إلى تكوين رابطة مستقرة مع الطبقة النحاسية.

 

من بين المكونات الإلكترونية عالية الدقة-، يمكن للتصنيع الدقيق لأجزاء سيراميك الألومينا أن يلبي متطلبات الحجم المعقد والتسامح وموقع الثقب ودقة الوجه النهائي. بالنسبة للأجهزة ذات الجهد العالي-لمركبات الطاقة الجديدة، غالبًا ما تحتاج الأجزاء الخزفية إلى تلبية متطلبات التصغير والبنية المعقدة والموثوقية العالية في نفس الوقت. ولذلك، يجب التحكم في إعداد المواد والمعالجة الدقيقة بشكل تعاوني.

 

 

 

يعد الموصل ذو الجهد العالي- أحد مكونات التحويل المهمة في النظام الكهربائي ذو الجهد العالي- لمركبات الطاقة الجديدة. وتتمثل وظيفته الرئيسية في التحكم في تبديل دوائر الجهد العالي-أثناء بدء تشغيل السيارة وإيقافها وشحنها والحماية من الأخطاء. نظرًا لأن بطاريات طاقة مركبات الطاقة الجديدة تستخدم عادةً جهدًا مستمرًا يبلغ مئات الفولتات أو حتى أعلى، فيجب أن تحافظ موصلات الجهد العالي- على التشغيل الموثوق به تحت الضغط الكهربائي العالي.

 

عادةً ما تؤدي العبوات الخزفية ذات موصل HVDC وظائف متعددة مثل العزل الداخلي والدعم الهيكلي والختم. تحتاج الأغطية الخزفية إلى الحفاظ على عزل مستقر في البيئات ذات الجهد العالي-مع تحمل التغيرات في درجات الحرارة الداخلية والضغوط الميكانيكية.

 

تستخدم موصلات الجهد العالي-عادةً هياكل مانعة للتسرب من السيراميك والمعدن. تعد منطقة الاتصال بين السيراميك والمعدن أحد مفاتيح موثوقية الجهاز بأكمله. إذا كانت هناك عيوب في واجهة الغلق، فقد تحدث تشققات وتسربات ومشاكل أخرى تحت تأثير الدورات الحرارية طويلة الأمد-، أو الاهتزاز الميكانيكي، أو تغيرات الضغط الداخلي.

 

ولذلك، يتطلب تصنيع موصلات الجهد العالي-السيراميكية عادةً التركيز على التحكم في نقاء المواد الخزفية، وجودة التلبيد، ودقة الأبعاد، وجودة طبقة المعدنة، وقوة الختم المعدنية الخزفية-. بالنسبة إلى المنتجات-عالية الموثوقية، يلزم أيضًا التحقق من ضيق الهواء والعزل الكهربائي ومقاومة الجهد الكهربي والدورة الحرارية.

 

من منظور هندسة المواد، فإن التوصيل الخزفي-إلى-المعدن ليس عبارة عن تركيبة ميكانيكية بسيطة، ولكنه يتضمن عوامل متعددة مثل معامل التمدد الحراري للمادة، وقابلية بلل الواجهة، واختيار اللحام، ودرجة حرارة الختم، والتحكم في الضغط المتبقي. فقط من خلال تحقيق مزيج مستقر من الواجهات الخزفية والمعدنية، يمكن ضمان موثوقية الختم والعزل للأجهزة ذات الجهد العالي-في التشغيل على المدى الطويل-.

 

 

عادةً ما تتمتع محركات تشغيل مركبات الطاقة الجديدة بسرعات دوران عالية، كما توجد بيئة كهرومغناطيسية معقدة داخل المحرك. بالمقارنة مع الأنظمة الميكانيكية التقليدية، بالإضافة إلى تحمل الأحمال الشعاعية والمحورية، تحتاج محامل محركات مركبات الطاقة الجديدة أيضًا إلى مواجهة مشكلات مثل -سرعة الدوران العالية وارتفاع درجة الحرارة والتيار والتآكل الكهربائي.

 

قد تولد المحامل المعدنية التقليدية تيارات عمود في ظل ظروف تشغيل معينة للمحرك. عندما يمر التيار عبر الجزء الداخلي من المحمل، قد يتشكل تفريغ القوس في منطقة الاتصال بين العنصر المتداول ومجرى السباق، مما يتسبب في تآكل الحفر والتآكل وتلف السطح، مما يؤثر في النهاية على عمر المحمل.

 

تتميز عناصر الدرفلة الخزفية بخصائص الكثافة المنخفضة والصلابة العالية ومقاومة التآكل الجيدة وخصائص العزل الكهربائي الممتازة. ولذلك، فإن المحامل الخزفية الهجينة لها قيمة تطبيقية معينة في المحركات عالية السرعة وأنظمة الطاقة المكهربة-. يمكن أن يؤدي الجمع بين عناصر التدحرج الخزفية والحلقات المعدنية إلى تقليل جودة العناصر التدحرجية مع الحفاظ على القوة الهيكلية للمحمل، وتحسين خصائص الاحتكاك والعزل الكهربائي في ظل-ظروف التشغيل عالية السرعة.

 

ساهمت متطلبات المحامل في محركات مركبات الطاقة الجديدة أيضًا في تعزيز تطوير مكونات السيراميك عالية الأداء-مثل مكونات السيراميك المعدنية عالية القوة-. على الرغم من أن السيراميك المعدني ومحامل المحركات تنتمي إلى أنواع مختلفة من التطبيقات، إلا أنها تجسد نفس اتجاه تطوير المواد، وهو حل قيود أداء المواد المعدنية التقليدية في ظل ظروف عمل محددة من خلال خصائص العزل والقوة العالية ومقاومة درجات الحرارة العالية للمواد الخزفية.

 

 

مع استمرار تحسين منصة الجهد الكهربي لمركبات الطاقة الجديدة، يتوسع نطاق تطبيق السيراميك المتقدم تدريجيًا من مكونات العزل الفردية إلى-مفاتيح الجهد العالي، ووحدات الطاقة، وأجهزة الاستشعار، وهياكل التوصيل، والمكونات ذات الصلة بالإدارة الحرارية-.

 

في المكونات الكهربائية ذات الجهد العالي-، يمكن لسيراميك الألومينا المعدني للمكونات الكهربائية أن يحقق تكامل وظائف العزل، والتوصيل، والاتصال الميكانيكي من خلال الجمع بين مصفوفة عازلة من السيراميك وطبقات موصلة معدنية. هذا الهيكل مناسب بشكل خاص للمكونات الكهربائية ذات المساحة المحدودة ومتطلبات العزل العالية.

 

بالنسبة للأجهزة ذات الجهد العالي- التي تتطلب دقة أبعاد أعلى، يمكن لمكونات سيراميك الألومينا المعدنية الدقيقة أن تجمع بين عمليات القولبة الدقيقة والتلبيد والمعدنة والتصنيع الآلي لتلبية الهياكل المعقدة ومتطلبات التجميع -عالية الدقة. تستمر أجزاء السيارات ذات الطاقة الجديدة في التطور نحو التصغير والوزن الخفيف وكثافة الطاقة العالية، مما يجعل أيضًا التحكم في الأبعاد واتساق المعالجة لأجزاء السيراميك أكثر أهمية.

 

من ناحية أخرى، مع زيادة جهد التشغيل وتردد التبديل لأشباه موصلات الطاقة، تحتاج المواد العازلة الخزفية أيضًا إلى مواجهة كثافة مجال كهربائي أعلى ومعدلات تغيير جهد أسرع. يمكن استخدام الهياكل مثل الأنابيب العازلة الخزفية المعدنية وأجزاء السيراميك المعدنية للمكونات الكهربائية الخاصة التي تتطلب وظائف العزل والتوصيل والتوصيل والتغليف، مما يوفر حلولًا هيكلية أكثر إحكاما للأنظمة الكهربائية ذات الجهد العالي-.

 

 

 

إن تطبيق السيراميك المتقدم في مركبات الطاقة الجديدة لا يعد بديلاً بسيطًا للمواد، ولكنه مشروع منهجي يتضمن المواد والهياكل والعمليات والتحقق من الموثوقية.

 

أولاً، يجب اختيار المواد الخزفية المناسبة بناءً على جهد التشغيل ودرجة الحرارة والتيار والحمل الميكانيكي والظروف البيئية. ثانيًا، يجب تحديد عمليات التشكيل والتلبيد والتصنيع الدقيق والتعدين السطحي وفقًا لهيكل المكون. بالنسبة لأجهزة الختم ذات الضغط العالي-، يجب أخذ التمدد الحراري المطابق بين المواد الخزفية والمعدنية وضغط الختم المتبقي بعين الاعتبار بشكل أكبر.

 

بالنسبة لإلكترونيات الطاقة، تتطلب الركائز الخزفية أيضًا التركيز على عمر الدورة الحرارية وموثوقية الواجهة. نظرًا للتطور التدريجي لمركبات الطاقة الجديدة من IGBTs التقليدية إلى أشباه موصلات الطاقة ذات فجوة النطاق-العريضة وذات الأداء العالي، تستمر سرعة التبديل وكثافة الطاقة لوحدات الطاقة في الزيادة، وستزداد أيضًا متطلبات المواد العازلة وهياكل التغليف.

 

تعد أجزاء تعدين السيراميك المتقدمة عالية النقاء من الألومينا مناسبة للمكونات الإلكترونية الخاصة التي تتطلب درجة نقاء عالية وأداء عزل ودقة الأبعاد وموثوقية المعدنة. تتطلب مثل هذه المنتجات عادةً تحكمًا كاملاً في العملية بدءًا من مسحوق السيراميك والقولبة والتلبيد وحتى التصنيع الدقيق والتعدين.

 

 

من منظور اتجاه التطور التكنولوجي الشامل لمركبات الطاقة الجديدة، فإن تطبيق السيراميك المتقدم يقدم بشكل رئيسي ثلاثة اتجاهات.

 

أولا، الجهد العالي يزيد من الطلب على السيراميك العازل. مع التطبيق التدريجي لمنصات 800 فولت ومنصات الجهد العالي، تستمر المتطلبات للمواد العازلة في الموصلات والمرحلات ووحدات الطاقة وأنظمة الشحن ذات الجهد العالي-في الزيادة. تتمتع المواد الخزفية بقوة عازلة عالية ومقاومة للحرارة، لذا فهي تتمتع بأساس تطبيق جيد في المكونات الكهربائية ذات الجهد العالي-.

 

ثانيًا، تعمل كثافة الطاقة العالية على تحسين مواد التعبئة والتغليف الخزفية. تحتاج أنظمة القيادة الكهربائية لمركبات الطاقة الجديدة إلى تحقيق إنتاج أعلى للطاقة في مساحة أصغر، وتستمر كثافة التدفق الحراري لأشباه موصلات الطاقة في الزيادة. ولذلك، فإن الركائز الخزفية ومواد التعبئة والتغليف ذات الموصلية الحرارية الجيدة والموثوقية الميكانيكية ستحظى بمزيد من الاهتمام.

 

ثالثًا، يشجع التصنيع الدقيق على تطوير أجزاء السيراميك إلى هياكل معقدة. تتطلب أجزاء سيارات الطاقة الجديدة متطلبات أعلى بشكل متزايد من حيث الوزن والمساحة والموثوقية. لن تقوم المكونات الخزفية بوظائف العزل التقليدية فحسب، بل يمكنها أيضًا دمج وظائف مثل الدعم وتبديد الحرارة والتعبئة والتوصيل الكهربائي.

 

بشكل عام، أصبح السيراميك المتقدم نظامًا ماديًا مهمًا في -مجالات الكهرباء وإلكترونيات الطاقة ذات الجهد العالي لمركبات الطاقة الجديدة. بدءًا من الغلاف العازل لمرحلات الجهد العالي-، إلى الركائز الخزفية المغطاة بالنحاس- في وحدات أشباه موصلات الطاقة، إلى موصلات الجهد العالي-، والمحامل العازلة وأجزاء التوصيل الخزفية المعدنية، يتولى السيراميك المزيد والمزيد من الوظائف الرئيسية في هندسة كهربة مركبات الطاقة الجديدة.

 

في المستقبل، مع تطور مركبات الطاقة الجديدة نحو جهد أعلى، وكثافة طاقة أعلى، وموثوقية أعلى، وحجم أصغر، فإن قيمةمكونات سيراميك الألومينا المعدنية الدقيقةستتحول المواد أيضًا من مواد عازلة بسيطة إلى مواد هيكلية ووظيفية عالية الأداء-. إن التقدم المستمر للتقنيات مثل صياغة المواد، والقولبة الدقيقة، والتعدين، وختم السيراميك - إلى -المعادن، واختبار الموثوقية سيصبح أساسًا مهمًا للسيراميك المتقدم لدخول سلسلة التوريد للأجزاء الأساسية لمركبات الطاقة الجديدة.