تعمل صناعة الطاقة الجديدة على تسريع عملية الارتقاء بها، وتستمر القيمة التطبيقية لأجزاء السيراميك في الكهرباء والمجالات الكهربائية ذات الجهد العالي{0}} في التزايد.

مع التطور السريع لمركبات الطاقة الجديدة، وتخزين الطاقة، والخلايا الكهروضوئية، والطاقة الهيدروجينية، وتكنولوجيا إلكترونيات الطاقة العالية-، وضعت معدات الطاقة الجديدة متطلبات أعلى لمقاومة درجات الحرارة العالية-، والعزل، ومقاومة التآكل، والقوة الميكانيكية، واستقرار الأبعاد للمواد. بفضل العزل الكهربائي الممتاز، ومقاومتها لدرجات الحرارة العالية، ومقاومة التآكل، وفقدان العزل الكهربائي المنخفض، واستقرار الأبعاد الجيد، تدخل المواد الخزفية بشكل أكبر في سيناريوهات التطبيقات مثل بطاريات الطاقة، وأنظمة التشغيل الكهربائي، والكهرباء ذات الجهد العالي-، ومحولات تخزين الطاقة، وإلكترونيات الطاقة الجديدة من المجالات الصناعية التقليدية.

 

بالمقارنة مع المواد المعدنية، فإن السيراميك الهندسي عادةً ما يكون قادرًا على الحفاظ على أداء مستقر نسبيًا في ظل درجات الحرارة العالية والجهد العالي والتردد العالي والبيئات الكيميائية المعقدة. ولذلك، فإنها تلعب وظائف رئيسية مثل العزل والعزل والدعم الهيكلي والإدارة الحرارية والحماية الكهربائية في بعض معدات الطاقة الجديدة. مع استمرار زيادة كثافة الطاقة لأنظمة الطاقة الجديدة، يمتد نطاق تطبيق الأجزاء الخزفية أيضًا من المكونات العازلة الفردية إلى الأجزاء الهيكلية الدقيقة والمكونات الوظيفية.

 

 

 

تعد بطارية الطاقة أحد أهم الأنظمة الأساسية لمركبات الطاقة الجديدة. تتضمن بيئة العمل جهدًا عاليًا، وتيارًا كبيرًا، وتغيرات في درجات الحرارة، واهتزازًا ميكانيكيًا على المدى الطويل-، لذا فهي تفرض متطلبات صارمة على العزل الكهربائي والسلامة الحرارية. داخل البطارية، يمكن للمواد السيراميكية أن تشارك في حماية السلامة بأشكال مختلفة مثل الطلاءات والفواصل والأجزاء الهيكلية العازلة وأجزاء الختم.

 

تعتبر الأغشية المطلية بالسيراميك-أحد التطبيقات الأكثر تمثيلاً. من خلال إدخال جزيئات السيراميك غير العضوية مثل الألومينا والبوهميت على سطح طبقة البولي أوليفين الأساسية، يمكن تحسين استقرار الأبعاد ومقاومة الحرارة للفاصل في ظل ظروف درجات الحرارة العالية. عندما تكون البطارية في درجة حرارة عالية أو في ظروف تشغيل غير طبيعية، يمكن لطلاء السيراميك أن يقلل من خطر الانكماش الكبير للفاصل، وبالتالي توفير ظروف عزل أكثر استقرارًا بين الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية.

 

في أنظمة البطاريات ذات الجهد العالي-، يمكن أيضًا استخدام العوازل الخزفية للعزل الكهربائي بين الأقطاب الكهربائية وأطراف التوصيل والهياكل الموصلة الأخرى. على سبيل المثال، يحتاج الجسم الخزفي لـ EV Fuse إلى تلبية أداء العزل والقوة الميكانيكية وبعض الاستقرار الحراري في نفس الوقت. ستؤثر خصائص المواد بشكل مباشر على موثوقية عمل مكونات الحماية من الجهد العالي-في ظل الظروف الحالية غير الطبيعية.

 

نظرًا لأن منصة الجهد الكهربي لمركبات الطاقة الجديدة تتطور تدريجيًا إلى 800 فولت وأعلى، فإن ضغط الجهد الذي تتحمله مكونات الحماية الكهربائية ذات الجهد العالي-يستمر في الزيادة. تحتاج الأجزاء الهيكلية الخزفية مثل الجسم الخزفي لـ EV Fuse إلى تحقيق عزل موثوق به في مساحة محدودة مع تحمل الصدمة الحرارية والضغط الميكانيكي الناتج أثناء عملية الصهر. لذلك، أصبحت صياغة المواد، عملية التلبيد، ودقة الأبعاد عوامل مهمة في تصميم المنتج.

 

 

عادةً ما تحتاج أنظمة حماية الجهد العالي- في مركبات الطاقة الجديدة ومعدات تخزين الطاقة إلى قطع التيار بسرعة في ظل ظروف غير طبيعية مثل الدوائر القصيرة والأحمال الزائدة. باعتبارها مكونًا مهمًا للحماية من التيار الزائد، فإن المكونات الخزفية الداخلية للصمامات لا تلعب دورًا عازلًا فحسب، بل تحتاج أيضًا إلى مطابقتها مع مواد الذوبان والملء لإكمال إطفاء القوس والعزل الحراري والدعم الهيكلي.

 

في المعدات الكهربائية الصناعية التقليدية ذات الجهد المنخفض-، تتمتع الأنابيب الخزفية والبطانات الخزفية والأغلفة الخزفية بأساس تطبيق ناضج نسبيًا. ومع تطوير أنظمة الجهد العالي-لمركبات الطاقة الجديدة، تمت ترقية المواد الخزفية بشكل أكبر إلى الجهد العالي والضغط والموثوقية العالية. على سبيل المثال، يحتاج أنبوب سيراميك الألومينا لمصهر EV عالي الجهد إلى أن يأخذ في الاعتبار قوة العزل الكهربائية العالية، والقوة الميكانيكية، ومقاومة الحرارة للتكيف مع بيئة العمل المعقدة في دائرة الجهد العالي- لمركبات الطاقة الجديدة.

 

يعد سيراميك الألومينا أحد المواد الخزفية الهندسية الشائعة في صمامات الجهد العالي-. إنه يتمتع بقوة عزل عالية، ومقاومة للحرارة، وثبات كيميائي، ويمكن تحويله إلى هياكل أنبوبية، أو على شكل غلاف -، أو على شكل خاص- من خلال عملية التلبيد. يمكن استخدام أنبوب سيراميك الألومينا Al2O3 لمصهر الجهد العالي- كمكون عازل ودعم هيكلي في أجهزة حماية الجهد العالي- لتوفير عزل مستقر للمناطق الموصلة المختلفة داخل المصهر.

 

بالنسبة للدوائر المساعدة للسيارات وأنظمة الملحقات ذات الجهد العالي-، تحتاج الأغطية الخزفية أيضًا إلى التكيف مع مساحة التركيب الأكثر تعقيدًا ومتطلبات التوصيل الميكانيكي. يعد الجسم الخزفي للصمام المساعد للسيارة الكهربائية أحد هذه التطبيقات. ولا يحتاج تصميمه إلى الاهتمام بمسافة العزل فحسب، بل يحتاج أيضًا إلى مراعاة تفاوتات الأبعاد، وطرق التجميع، وارتفاع درجة الحرارة، والموثوقية-على المدى الطويل.

 

 

 

تتطور أنظمة القيادة الكهربائية لمركبات الطاقة الجديدة نحو السرعة العالية وكثافة الطاقة العالية والكفاءة العالية. لقد تعرضت المحركات والعاكسات ووحدات الطاقة ذات الصلة إلى-تبديل عالي التردد وتغيرات في درجات الحرارة لفترة طويلة، وقد تصبح المواد التقليدية محدودة تدريجيًا من حيث العزل ومقاومة الحرارة ومقاومة التآكل.

 

تعتبر المحامل الخزفية تطبيقًا تمثيليًا في أنظمة القيادة الكهربائية. يتميز السيراميك الإنشائي مثل نيتريد السيليكون بخصائص الكثافة المنخفضة والصلابة العالية ومقاومة التآكل الجيدة وخصائص العزل الكهربائي الممتازة. يمكنها تقليل الاحتكاك الميكانيكي في بيئات المحركات عالية السرعة- وتقليل خطر التآكل الكهربائي الناتج عن تيارات العمود.

 

بالنسبة لأنظمة القيادة الكهربائية التي تستخدم أشباه موصلات الطاقة من كربيد السيليكون، تمت زيادة تردد تبديل الطاقة وسرعة التبديل بشكل أكبر، مما يجعل النظام يضع متطلبات أكثر صرامة للمواد العازلة وهياكل التغليف. يمكن أن توفر الركائز الخزفية عزلًا كهربائيًا موثوقًا به بين الهياكل الموصلة وهياكل تبديد الحرارة أثناء القيام بمهام التوصيل الحراري، مما يجعلها مادة أساسية مهمة لوحدات الطاقة الإلكترونية ذات الكثافة العالية-الطاقة-.

 

بالإضافة إلى الركيزة الخزفية الموجودة داخل نظام التشغيل الكهربائي،-تحتاج مكونات حماية الصمامات ذات الجهد العالي أيضًا إلى بنية عزل مستقرة. على سبيل المثال، يحتاج الجسم الخزفي لصمام الحماية من الحمل الزائد والدائرة القصيرة إلى الحفاظ على عزل جيد في ظل ظروف التشغيل العادية وتحمل الضغط الحراري العابر الكبير أثناء الحمل الزائد أو حماية الدائرة القصيرة.

 

 

تولد أجهزة أشباه موصلات الطاقة في مركبات الطاقة الجديدة ومحولات تخزين الطاقة والعاكسات الكهروضوئية كمية كبيرة من الحرارة أثناء التشغيل. مع زيادة كثافة طاقة النظام، أصبح تبديد الحرارة أحد العوامل المهمة التي تحد من أداء أجهزة الطاقة.

 

يمكن أن توفر الركائز الخزفية وظائف العزل الكهربائي والتوصيل الحراري، لذلك يتم استخدامها على نطاق واسع في تغليف وحدات الطاقة.

 

تتمتع المواد مثل أكسيد الألومنيوم ونيتريد الألومنيوم بخصائص توصيل حراري مختلفة وخصائص تكلفة، ويمكن اختيارها بناءً على جهد التشغيل ومستوى الطاقة ومتطلبات المقاومة الحرارية وتكلفة التصنيع.

 

من بينها، يتميز نيتريد الألومنيوم بموصلية حرارية عالية ومعامل تمدد حراري منخفض، كما أن له قيمة تطبيقية عالية في مجال-التعبئة الإلكترونية عالية الطاقة. عندما يتم دمج المواد الخزفية مع موصلات معدنية مثل النحاس، فإنها يمكن أن تشكل هيكلًا مركبًا بوظائف التوصيل وتبديد الحرارة والعزل، مما يوفر أساس تعبئة مستقرًا لأجهزة أشباه الموصلات ذات فجوة نطاق واسعة- مثل SiC.

 

في مجال الحماية الكهربائية للطاقة الجديدة، يمكن للمواد الخزفية لصمامات السيارات DC الاستفادة من خصائص مقاومة الحرارة والعزل للمواد الخزفية لتوفير دعم هيكلي مستقر لصمامات السيارات DC. مع استمرار زيادة قوة دوائر الجهد العالي-التيار المستمر لمركبات الطاقة الجديدة، تحتاج الأجزاء الخزفية ذات الصلة إلى تحسين مقاومتها للصدمات الحرارية، والقوة الميكانيكية، واستقرار الأبعاد.

 

 

تحتاج أنظمة تخزين الطاقة عادةً إلى التشغيل لفترة طويلة وقد تكون في بيئات معقدة مثل درجات الحرارة المرتفعة ودرجات الحرارة المنخفضة والرطوبة والغبار وما إلى ذلك. إن محولات تخزين الطاقة ومعدات توزيع الطاقة التي تعمل بالتيار المستمر وأنظمة إدارة البطاريات وأنظمة حماية الجهد العالي-جميعها تشهد طلبًا كبيرًا على المواد العازلة.

 

في محولات ومحولات تخزين الطاقة، يمكن للركائز الخزفية توصيل أجهزة الطاقة وأنظمة تبديد الحرارة، مما يضمن العزل الكهربائي مع توصيل الحرارة الناتجة عن الأجهزة بسرعة. بالنسبة لأنظمة التبديل عالية التردد-، تؤثر خصائص العزل الكهربائي للمواد الخزفية أيضًا على المعلمات الطفيلية وسلامة الإشارة، لذلك يجب تقييم اختيار المواد بشكل شامل بالاشتراك مع نظام إلكترونيات الطاقة بالكامل.

 

في تطبيقات الصمامات، يمكن للهيكل العازل المصنوع من السيراميك الستيتيت الكهربائي الاستفادة من العزل الكهربائي الجيد وخصائص المقاومة للحرارة لمواد مثل الخزف الصخري لاستخدامه في العزل والدعم الهيكلي لأجهزة حماية كهربائية محددة. تتميز أنظمة السيراميك المختلفة بقوة عازلة، وخواص ميكانيكية، ومعاملات تمدد حراري، وخصائص معالجة مختلفة، لذلك يجب تحديد الاختيار الفعلي بشكل شامل بناءً على الجهد والتيار ودرجة الحرارة والحمل الميكانيكي.

 

 

 

يعد العاكس الكهروضوئي جهازًا مهمًا يربط نظام توليد الطاقة الكهروضوئية وشبكة كهرباء التيار المتردد. ويحتوي على عدد كبير من أشباه موصلات الطاقة وأجهزة التصفية والمكونات الكهربائية ذات الجهد العالي-. مع استمرار زيادة مستويات الطاقة للأنظمة الكهروضوئية، تصبح الإدارة الحرارية وتصميم العزل داخل المعدات أكثر أهمية.

 

يمكن للركيزة المغطاة بالنحاس الخزفي- تحقيق نقل التيار عبر الطبقة المعدنية واستخدام العازل الخزفي لتحقيق العزل الكهربائي، مع نقل الحرارة الناتجة عن جهاز الطاقة بسرعة إلى هيكل تبديد الحرارة. بالنسبة إلى -IGBT وSiC MOSFET والأجهزة الأخرى ذات الطاقة العالية، فإن التوصيل الحراري ومطابقة التمدد الحراري وأداء العزل لمواد التغليف سيؤثر بشكل مباشر على موثوقية الوحدة على المدى الطويل-.

 

وفي الوقت نفسه، تلعب صمامات الجهد العالي- وأجزائها الهيكلية الخزفية أيضًا دورًا في الحماية الجانبية للتيار المستمر الكهروضوئي. يمكن أن يوفر الغلاف الخزفي لـ Fuse Link غلافًا عازلًا ودعمًا ميكانيكيًا لعنصر المصهر ويتحمل الضغط الحراري والميكانيكي المقابل أثناء عملية قطع العطل-.

 

 

تتمتع سيراميك الألومينا بأساس تصنيعي صناعي ناضج. نظام المواد الخاص به مستقر، وتكلفته يمكن التحكم فيها نسبيًا، ويمكنه تصنيع هياكل معقدة من خلال عمليات القولبة والتلبيد المختلفة. لذلك، لديها مجموعة واسعة من التطبيقات في مجال الطاقة الجديدة والأجهزة الكهربائية.

 

في صمامات الجهد العالي- الخاصة بمركبات الطاقة الجديدة، يمكن استخدام أنبوب عازل سيراميك الألومينا للعزل والعزل بين الأجزاء الموصلة المختلفة. بالنسبة لأنظمة حماية السيارات ذات مستويات الجهد العالي، تحتاج الأنابيب الخزفية أيضًا إلى تلبية المتطلبات الشاملة مثل مسافة الزحف، والتخليص الكهربائي، ومقاومة الصدمات الحرارية، والتجميع الميكانيكي.

 

بالنسبة لصمامات السيارات ذات الجهد العالي-، تؤثر نقاء المادة أيضًا على خصائص العزل الكهربائي والاستقرار الميكانيكي للمنتج. 95% أنبوب سيراميك الألومينا لصمامات الجهد العالي هو أحد أشكال استخدام سيراميك الألومينا الشائعة. يجب أن يكون نظام المواد المحدد مطابقًا وفقًا لجهد العمل ودرجة الحرارة والحجم الهيكلي وعملية الإنتاج.

 

مع تطور منصات السيارات ذات الجهد العالي-، أصبحت البيئة التي تواجهها أنابيب سيراميك الألومينا لصمامات السيارات ذات الجهد العالي- أكثر تعقيدًا، بما في ذلك التبديل بالتردد العالي-، وارتفاع التيار، ودورات درجة الحرارة، والاهتزازات الميكانيكية. ولذلك، فإن مجرد تحسين قوة عزل المواد الخزفية لا يكفي لتلبية المتطلبات. من الضروري أيضًا تحسين تركيبة السيراميك وكثافة التلبيد ودقة الأبعاد والتصميم الهيكلي بشكل شامل.

 

 

وقد أدى التطوير الذكي لمعدات الطاقة الجديدة أيضًا إلى دفع تطبيق أجهزة الاستشعار الخزفية والمواد الخزفية الوظيفية. يمكن لمواد مثل الزركونيا والسيراميك الكهرضغطي والفريت استخدام خواصها الكهربائية والحرارية والميكانيكية الخاصة للكشف عن معلمات مثل درجة الحرارة والضغط وتركيز الغاز والتيار.

 

في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة-، تتمتع المواد الخزفية بثبات حراري جيد ويمكن استخدامها في هياكل حماية المستشعرات والمكونات الحساسة. تتمتع بعض المواد الخزفية أيضًا بخصائص تحويل كهرضغطية أو عازلة أو كهرومغناطيسية ويمكن استخدامها في أنظمة الاستشعار في مركبات الطاقة الجديدة والتحكم الصناعي ومعدات الطاقة الذكية.

 

مع التطوير المستمر للقيادة الذاتية، وإدارة البطاريات، وأنظمة مراقبة تخزين الطاقة، تستمر متطلبات الاستقرار على المدى الطويل-، ومكافحة-التداخل البيئي، ودقة الأبعاد لأجهزة الاستشعار في الزيادة، مما يعزز أيضًا تطوير السيراميك الوظيفي في اتجاه الدقة والتكامل.

 

 

 

عادةً ما تحتاج معدات الطاقة الجديدة إلى التشغيل بشكل متواصل لسنوات عديدة، لذلك لا يمكن للأجزاء الخزفية تلبية مؤشرات الأداء الأولية فحسب، بل يجب أيضًا أن تتمتع بموثوقية جيدة-على المدى الطويل. إن اختيار المواد، وعملية التشكيل، وعملية التلبيد، والمعالجة السطحية، والتحكم في الأبعاد كلها لها تأثير على الأداء النهائي.

 

بالنسبة للسيراميك العازل -عالي الجهد، من الضروري التركيز على مؤشرات مثل قوة العزل الكهربائي، ومقاومة الحجم، ومسافة الزحف، والتفريغ الجزئي. بالنسبة للأجزاء الهيكلية الخزفية المعرضة للأحمال الميكانيكية، فمن الضروري التركيز على تقييم قوة الانثناء، وصلابة الكسر، وأداء الصدمة الحرارية، وإجهاد التجميع.

 

بالإضافة إلى ذلك، فإن الفرق في معامل التمدد الحراري بين السيراميك والمعادن يعد أيضًا مسألة مهمة يجب أخذها في الاعتبار في التصميم الهندسي. عندما تخضع المعدات لدورات متكررة لدرجات الحرارة العالية والمنخفضة، يمكن أن يتطور الإجهاد الحراري بين المواد المختلفة. إذا لم يكن التصميم الهيكلي ومطابقة المواد معقولين، فقد يؤدي التدوير على المدى الطويل-إلى تشقق الواجهة، وانفصال الطبقات، وحتى فشل العزل.

 

لذلك، أثناء عملية تطوير مكونات العزل ذات الجهد العالي-مثل الأنبوب الخزفي المعزول في صمامات المركبات الكهربائية، من الضروري تنفيذ تصميم شامل من أبعاد متعددة للمواد والهيكل والتصنيع والتحقق، ولا يمكن الحكم على موثوقية المنتج بالاعتماد فقط على مؤشر أداء مادة واحدة.
 

 

في الوقت الحالي، تتغير صناعة الطاقة الجديدة من مجرد توسيع القدرة المركبة إلى تحسين كثافة الطاقة وكفاءة النظام والموثوقية التشغيلية. يتم تطوير مركبات الطاقة الجديدة نحو منصات الجهد العالي-بجهد 800 فولت، كما تتم ترقية أنظمة تخزين الطاقة لتوفير طاقة أعلى وعمر أطول، وتستمر محولات الطاقة الكهروضوئية في تحسين كفاءة التحويل وكثافة الطاقة. لقد طرحت هذه التغييرات متطلبات فنية جديدة للمواد الخزفية.

 

في المستقبل، تطويرأجزاء سيراميك الطاقة الجديدةسوف نولي المزيد من الاهتمام للتحسين التعاوني لأداء المواد والتصميم الهيكلي. من ناحية، من الضروري تطوير مواد خزفية ذات موصلية حرارية أعلى، وقوة عازلة أعلى، وأداء أفضل لمطابقة التمدد الحراري؛ من ناحية أخرى، من الضروري أيضًا تحسين اتساق أبعاد المنتج واستقرار الدفعة من خلال القولبة الدقيقة والتلبيد المتقدم والفحص الآلي.

 

وفي الوقت نفسه، سيتوسع استخدام الأجزاء الخزفية تدريجيًا من الأكمام العازلة التقليدية والأغلفة والركائز إلى توصيلات الجهد العالي-وتغليف وحدة الطاقة وأجهزة الاستشعار والصمامات والأجزاء الهيكلية الدقيقة لمعدات الطاقة الجديدة. بالنسبة لصمامات الجهد العالي-، ستظل المواد الخزفية نظامًا مهمًا للمواد في مركبات الطاقة الجديدة وأنظمة حماية تخزين الطاقة نظرًا لمزاياها الشاملة في العزل ومقاومة الحرارة والدعم الهيكلي.

 

بشكل عام، على الرغم من أن الأجزاء الخزفية عادة لا تشارك بشكل مباشر في تحويل الطاقة، إلا أنها تؤدي وظائف رئيسية مثل العزل وتبديد الحرارة والحماية والدعم والاتصال الموثوق. مع التطوير المستمر لمركبات الطاقة الجديدة وتخزين الطاقة والخلايا الكهروضوئية وتقنيات إلكترونيات الطاقة ذات الجهد العالي-، تتحول المواد الخزفية من مواد مساعدة تقليدية إلى مواد أساسية مهمة تؤثر على سلامة وكفاءة وعمر معدات الطاقة الجديدة.

 

في المستقبل، سيؤدي ابتكار تكنولوجيا السيراميك الذي يركز على الموثوقية العالية، والتوصيل الحراري العالي، والعزل العالي، والوزن الخفيف، والتصنيع الدقيق إلى تعزيز تطوير معدات الطاقة الجديدة نحو كثافة طاقة عالية، وكفاءة عالية، -وتشغيل موثوق به على المدى الطويل.