صنعت انرژی های جدید در حال تسریع ارتقاء خود است و ارزش کاربرد قطعات سرامیکی در برق رسانی و میدان های الکتریکی ولتاژ بالا{0}} همچنان در حال افزایش است.

با توسعه سریع وسایل نقلیه جدید انرژی، ذخیره انرژی، فتوولتائیک، انرژی هیدروژن، و{0}}فناوری الکترونیک با قدرت بالا، تجهیزات انرژی جدید نیازمندی های بالاتری را برای مقاومت در برابر حرارت، عایق، مقاومت در برابر خوردگی، استحکام مکانیکی و پایداری ابعادی مواد مطرح کرده است. مواد سرامیکی با عایق الکتریکی عالی، مقاومت در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی، تلفات دی الکتریک کم و پایداری ابعادی خوب، بیشتر وارد سناریوهای کاربردی مانند باتری‌های برق، سیستم‌های محرک الکتریکی، اینورترهای ولتاژ بالا، اینورترهای ذخیره انرژی و الکترونیک قدرت انرژی جدید از زمینه‌های صنعتی سنتی می‌شوند.

 

در مقایسه با مواد فلزی، سرامیک های مهندسی معمولاً قادر به حفظ عملکرد نسبتاً پایدار در دمای بالا، ولتاژ بالا، فرکانس بالا و محیط های شیمیایی پیچیده هستند. بنابراین، آنها عملکردهای کلیدی مانند عایق، ایزوله، پشتیبانی ساختاری، مدیریت حرارتی و حفاظت الکتریکی را در برخی تجهیزات انرژی جدید ایفا می کنند. همانطور که چگالی توان سیستم های انرژی جدید همچنان در حال افزایش است، دامنه کاربرد قطعات سرامیکی نیز از اجزای عایق منفرد به قطعات ساختاری دقیق و اجزای عملکردی گسترش می یابد.

 

 

 

باتری برق یکی از مهم ترین سیستم های هسته ای وسایل نقلیه جدید انرژی است. محیط کاری آن شامل ولتاژ بالا، جریان زیاد، تغییرات دما و ارتعاشات مکانیکی درازمدت-است، بنابراین الزامات سختگیرانه ای را برای عایق الکتریکی و ایمنی حرارتی اعمال می کند. در داخل باتری، مواد سرامیکی می توانند در حفاظت ایمنی به اشکال مختلف مانند پوشش، جداکننده، قطعات ساختاری عایق و قطعات آب بندی شرکت کنند.

 

دیافراگم‌های{0}}روکش‌شده سرامیکی یکی از معرف‌ترین کاربردها هستند. با وارد کردن ذرات سرامیکی معدنی مانند آلومینا و بوهمیت بر روی سطح فیلم پایه پلی الفین، می توان پایداری ابعادی و مقاومت حرارتی جداکننده در شرایط دمای بالا را بهبود بخشید. هنگامی که باتری در دمای بالا یا در شرایط عملکرد غیرعادی قرار دارد، پوشش سرامیکی می تواند خطر انقباض قابل توجه جداکننده را کاهش دهد و در نتیجه شرایط ایزولاسیون پایدارتری بین الکترودهای مثبت و منفی ایجاد کند.

 

در سیستم‌های باتری با ولتاژ بالا، عایق‌های سرامیکی همچنین می‌توانند برای جداسازی الکتریکی بین الکترودها، پایانه‌ها و سایر ساختارهای رسانا استفاده شوند. به عنوان مثال، بدنه سرامیکی فیوز EV باید عملکرد عایق، استحکام مکانیکی و پایداری حرارتی خاصی را به طور همزمان برآورده کند. خواص مواد آن به طور مستقیم بر قابلیت اطمینان کار اجزای حفاظتی ولتاژ بالا تحت شرایط جریان غیرعادی تأثیر می‌گذارد.

 

همانطور که پلت فرم ولتاژ وسایل نقلیه انرژی جدید به تدریج به 800 ولت و بالاتر می رسد، تنش ولتاژ متحمل شده توسط اجزای حفاظت الکتریکی ولتاژ بالا همچنان افزایش می یابد. قطعات ساختاری سرامیکی مانند بدنه سرامیکی برای فیوز EV نیاز به دستیابی به عایق قابل اعتماد در یک فضای محدود و در عین حال مقاومت در برابر شوک حرارتی و استرس مکانیکی ایجاد شده در طول فرآیند ذوب دارند. بنابراین، فرمولاسیون مواد، فرآیند تف جوشی و دقت ابعادی به عوامل مهمی در طراحی محصول تبدیل شده اند.

 

 

سیستم‌های حفاظت از ولتاژ بالا در وسایل نقلیه با انرژی جدید و تجهیزات ذخیره‌سازی انرژی معمولاً در شرایط غیرعادی مانند اتصال کوتاه و اضافه بار نیاز به قطع سریع جریان دارند. به عنوان یک جزء مهم حفاظت از جریان اضافه، اجزای سرامیکی داخلی فیوزها نه تنها نقش عایق ایفا می کنند، بلکه باید با مواد مذاب و پرکننده همسان شوند تا خاموش کردن قوس کامل، عایق حرارتی و پشتیبانی ساختاری شوند.

 

در تجهیزات الکتریکی سنتی{0}ولتاژ پایین و صنعتی، لوله‌های سرامیکی، بوش‌های سرامیکی، و روکش‌های سرامیکی در حال حاضر اساس کاربرد نسبتاً بالغی دارند. با توسعه سیستم‌های ولتاژ بالا برای وسایل نقلیه با انرژی جدید، مواد سرامیکی بیشتر به ولتاژ بالا، فشردگی و قابلیت اطمینان بالا ارتقا می‌یابند. برای مثال، لوله سرامیکی آلومینا برای فیوز برق الکتریکی ولتاژ بالا باید استحکام دی الکتریک بالا، استحکام مکانیکی و مقاومت حرارتی را برای انطباق با محیط کاری پیچیده در مدار ولتاژ بالا- وسایل نقلیه با انرژی جدید در نظر بگیرد.

 

سرامیک آلومینا یکی از مواد سرامیکی مهندسی رایج در فیوزهای ولتاژ بالا-است. استحکام عایق، مقاومت در برابر حرارت و پایداری شیمیایی بالایی دارد و می‌تواند از طریق فرآیند تف جوشی به ساختارهای لوله‌ای،{2}}شکل آستین یا خاص- تبدیل شود. لوله سرامیکی آلومینا Al2O3 برای فیوز ولتاژ بالا می‌تواند به‌عنوان یک مؤلفه عایق و پشتیبانی ساختاری در دستگاه‌های حفاظتی ولتاژ بالا برای ایجاد ایزوله‌ای پایدار برای مناطق مختلف رسانا در داخل فیوز استفاده شود.

 

برای مدارهای کمکی خودرو و سیستم‌های لوازم جانبی ولتاژ بالا، محفظه‌های سرامیکی نیز باید با فضای نصب پیچیده‌تر و الزامات اتصال مکانیکی سازگار شوند. بدنه سرامیکی برای فیوز کمکی خودروی الکتریکی یکی از این کاربردها است. طراحی آن نه تنها نیاز به توجه به فاصله عایق دارد، بلکه باید تحمل ابعادی، روش های مونتاژ، افزایش دما و قابلیت اطمینان طولانی مدت را نیز در نظر بگیرد.

 

 

 

سیستم های محرک الکتریکی خودروهای انرژی جدید به سمت سرعت بالا، چگالی توان بالا و راندمان بالا در حال توسعه هستند. موتورها، اینورترها و ماژول‌های قدرت مرتبط برای مدت طولانی در معرض سوئیچینگ فرکانس بالا و تغییرات دما قرار گرفته‌اند و ممکن است مواد سنتی به تدریج از نظر عایق، مقاومت در برابر حرارت و مقاومت در برابر سایش محدود شوند.

 

بلبرینگ های سرامیکی یک کاربرد معرف در سیستم های محرک الکتریکی هستند. سرامیک های ساختاری مانند نیترید سیلیکون دارای ویژگی های چگالی کم، سختی بالا، مقاومت در برابر سایش خوب و خواص عایق الکتریکی عالی هستند. آنها می‌توانند اصطکاک مکانیکی را در محیط‌های{2}}موتور با سرعت بالا کاهش دهند و خطر خوردگی الکتریکی ناشی از جریان‌های محور را کاهش دهند.

 

برای سیستم های محرک الکتریکی که از نیمه هادی های قدرت کاربید سیلیکون استفاده می کنند، فرکانس سوئیچینگ قدرت و سرعت سوئیچینگ بیشتر افزایش یافته است و باعث می شود سیستم الزامات سخت گیرانه تری را برای مواد عایق و ساختارهای بسته بندی مطرح کند. زیرلایه‌های سرامیکی می‌توانند در حین انجام وظایف هدایت گرما، عایق الکتریکی قابل اعتمادی را بین ساختارهای رسانا و سازه‌های اتلاف گرما ایجاد کنند، و آنها را به یک ماده اساسی مهم برای ماژول‌های الکترونیکی با توان-قدرت-بالا تبدیل می‌کند.

 

علاوه بر بستر سرامیکی داخل سیستم محرک الکتریکی، اجزای حفاظت فیوز ولتاژ بالا نیز باید ساختار عایق پایداری داشته باشند. به عنوان مثال، بدنه سرامیکی فیوز حفاظت از اضافه بار و اتصال کوتاه باید عایق خوبی را در شرایط عملیاتی معمولی حفظ کند و در هنگام حفاظت از اضافه بار یا اتصال کوتاه، در برابر استرس حرارتی گذرا مقاومت کند.

 

 

دستگاه های نیمه هادی قدرت در وسایل نقلیه انرژی جدید، مبدل های ذخیره انرژی و اینورترهای فتوولتائیک مقدار زیادی گرما را در حین کار تولید می کنند. با افزایش چگالی توان سیستم، اتلاف گرما به یکی از عوامل مهم محدود کننده عملکرد دستگاه های قدرت تبدیل شده است.

 

زیرلایه های سرامیکی می توانند هم عملکرد عایق الکتریکی و هم عملکرد هدایت حرارتی را ارائه دهند، بنابراین به طور گسترده در بسته بندی ماژول های قدرت استفاده می شوند.

 

موادی مانند اکسید آلومینیوم و نیترید آلومینیوم دارای خواص هدایت حرارتی و ویژگی های هزینه متفاوتی هستند و می توان آنها را بر اساس ولتاژ عملیاتی، سطح توان، الزامات مقاومت حرارتی و هزینه ساخت انتخاب کرد.

 

در میان آنها، نیترید آلومینیوم دارای رسانایی حرارتی بالا و ضریب انبساط حرارتی پایین است و دارای ارزش کاربردی بالایی در زمینه بسته‌بندی الکترونیکی با قدرت بالا-است. هنگامی که مواد سرامیکی با هادی های فلزی مانند مس ترکیب می شوند، می توانند ساختاری مرکب با عملکردهای رسانا، اتلاف گرما و عایق تشکیل دهند که مبنای بسته بندی پایداری را برای دستگاه های نیمه هادی با فاصله وسیع- مانند SiC فراهم می کند.

 

در زمینه حفاظت الکتریکی انرژی جدید، مواد سرامیکی برای فیوزهای خودرو DC می توانند از مقاومت حرارتی و ویژگی های عایق مواد سرامیکی برای ارائه پشتیبانی ساختاری پایدار برای فیوزهای DC خودرو استفاده کنند. از آنجایی که قدرت مدارهای ولتاژ بالا{1}DC وسایل نقلیه با انرژی جدید همچنان در حال افزایش است، قطعات سرامیکی مرتبط باید مقاومت در برابر شوک حرارتی، استحکام مکانیکی و پایداری ابعادی خود را بیشتر بهبود بخشند.

 

 

سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی معمولاً باید برای مدت طولانی کار کنند و ممکن است در محیط‌های پیچیده مانند دمای بالا، دمای پایین، رطوبت، گرد و غبار و غیره باشند. اینورترهای ذخیره‌سازی انرژی، تجهیزات توزیع برق DC، سیستم‌های مدیریت باتری و سیستم‌های{1}حفاظت با ولتاژ بالا همگی تقاضای بالایی برای مواد عایق دارند.

 

در مبدل‌ها و اینورترهای ذخیره‌سازی انرژی، بسترهای سرامیکی می‌توانند دستگاه‌های برق و سیستم‌های اتلاف گرما را به هم متصل کنند و از عایق الکتریکی اطمینان حاصل کنند و در عین حال گرمای تولید شده توسط دستگاه‌ها را به سرعت هدایت کنند. برای سیستم های سوئیچینگ فرکانس بالا، خواص دی الکتریک مواد سرامیکی نیز بر پارامترهای انگلی و یکپارچگی سیگنال تأثیر می گذارد، بنابراین انتخاب مواد باید به طور جامع در ارتباط با کل سیستم الکترونیک قدرت ارزیابی شود.

 

در کاربردهای فیوز، بدنه ذوب شده سرامیکی استاتیت الکتریکی عایق می تواند از خواص عایق الکتریکی خوب و مقاومت حرارتی موادی مانند چینی استاتیت برای عایق کاری و پشتیبانی ساختاری وسایل حفاظت الکتریکی خاص استفاده کند. سیستم های سرامیکی مختلف دارای استحکام دی الکتریک، خواص مکانیکی، ضرایب انبساط حرارتی و ویژگی های پردازش متفاوتی هستند، بنابراین انتخاب واقعی باید به طور جامع بر اساس ولتاژ، جریان، دما و بار مکانیکی تعیین شود.

 

 

 

اینورتر فتوولتائیک دستگاه مهمی است که سیستم تولید برق فتوولتائیک و شبکه برق AC را به هم متصل می کند. این شامل تعداد زیادی نیمه هادی های قدرت، دستگاه های فیلتر، و{1}}قطعات الکتریکی ولتاژ بالا است. با افزایش سطح توان سیستم های فتوولتائیک، مدیریت حرارتی و طراحی عایق در تجهیزات اهمیت بیشتری پیدا می کند.

 

زیرلایه روکش مسی{0}}سرامیکی می تواند انتقال جریان را از طریق لایه فلزی انجام دهد و از دی الکتریک سرامیکی برای دستیابی به عایق الکتریکی استفاده کند، در حالی که گرمای تولید شده توسط دستگاه نیرو را به سرعت به ساختار اتلاف حرارت منتقل می کند. برای دستگاه‌های IGBT، SiC MOSFET با قدرت بالا، هدایت حرارتی، تطبیق انبساط حرارتی و عملکرد عایق مواد بسته‌بندی مستقیماً بر قابلیت اطمینان بلندمدت ماژول تأثیر می‌گذارد.

 

در عین حال، فیوزهای ولتاژ بالا-و قطعات ساختاری سرامیکی آنها نیز در حفاظت جانبی DC فتوولتائیک نقش دارند. پوشش سرامیکی فیوز لینک می‌تواند یک محفظه عایق و پشتیبانی مکانیکی برای عنصر فیوز فراهم کند و در طول فرآیند قطع خطا، تنش‌های حرارتی و مکانیکی مربوطه را تحمل کند.

 

 

سرامیک های آلومینا یک پایه تولید صنعتی بالغ دارند. سیستم مواد آن پایدار است، هزینه آن نسبتاً قابل کنترل است و می تواند ساختارهای پیچیده را از طریق فرآیندهای قالب گیری و تف جوشی مختلف تولید کند. از این رو کاربردهای گسترده ای در زمینه انرژی های نو و لوازم الکتریکی دارد.

 

در فیوزهای ولتاژ بالا{0}خودروهای انرژی جدید، لوله عایق سرامیکی آلومینا برای فیوز می‌تواند برای عایق‌سازی و جداسازی بین بخش‌های رسانای مختلف استفاده شود. برای سیستم‌های حفاظتی خودرو با سطوح ولتاژ بالاتر، لوله‌های سرامیکی باید الزامات جامعی مانند فاصله خزش، فاصله الکتریکی، مقاومت در برابر شوک حرارتی و مونتاژ مکانیکی را برآورده کنند.

 

برای فیوزهای خودروهای ولتاژ بالا، خلوص مواد همچنین بر خواص دی الکتریک و پایداری مکانیکی محصول تأثیر می‌گذارد. 95% لوله سرامیکی آلومینا برای فیوز ولتاژ بالا یکی از فرم‌های رایج کاربرد سرامیک آلومینا است. سیستم مواد خاص باید با توجه به ولتاژ کار، دما، اندازه ساختار و فرآیند تولید مطابقت داده شود.

 

با توسعه پلت‌فرم‌های{0} ولتاژ بالا خودرو، محیطی که لوله سرامیکی آلومینا برای فیوزهای خودرو با ولتاژ بالا-روی آن قرار می‌گیرد پیچیده‌تر شده است، از جمله سوئیچینگ فرکانس بالا، نوسانات جریان، سیکل‌های دما، و ارتعاشات مکانیکی. بنابراین، صرفاً بهبود مقاومت عایق مواد سرامیکی برای برآورده کردن الزامات کافی نیست. همچنین لازم است فرمول سرامیکی، چگالی تف جوشی، دقت ابعادی و طراحی ساختاری به طور جامع بهینه شود.

 

 

توسعه هوشمند تجهیزات انرژی جدید همچنین استفاده از حسگرهای سرامیکی و مواد سرامیکی کاربردی را هدایت کرده است. موادی مانند زیرکونیا، سرامیک های پیزوالکتریک و فریت می توانند از خواص ویژه الکتریکی، حرارتی و مکانیکی خود برای تشخیص پارامترهایی مانند دما، فشار، غلظت گاز و جریان استفاده کنند.

 

در محیط‌های با دمای{0}بالا، مواد سرامیکی پایداری حرارتی خوبی دارند و می‌توانند در ساختارهای محافظ حسگر و اجزای حساس استفاده شوند. برخی از مواد سرامیکی همچنین دارای خواص تبدیل پیزوالکتریک، دی الکتریک یا مغناطیسی هستند و می توانند در سیستم های سنجش در وسایل نقلیه انرژی جدید، کنترل صنعتی و تجهیزات هوشمند قدرت استفاده شوند.

 

با توسعه مداوم سیستم‌های نظارت بر رانندگی خودکار، مدیریت باتری و ذخیره انرژی، الزامات برای-پایداری طولانی‌مدت، ضد-تداخل محیط‌زیست، و دقت ابعادی سنسورها همچنان در حال افزایش است، که همچنین توسعه سرامیک‌های کاربردی را در جهت دقت و یکپارچگی ارتقا می‌دهد.

 

 

 

تجهیزات جدید انرژی معمولاً نیاز به کار مداوم برای چندین سال دارند، بنابراین قطعات سرامیکی تنها نمی‌توانند شاخص‌های عملکرد اولیه را برآورده کنند، بلکه باید از قابلیت اطمینان طولانی‌مدت- خوبی نیز برخوردار باشند. انتخاب مواد، فرآیند قالب‌گیری، فرآیند پخت، عملیات سطحی و کنترل ابعادی همگی بر عملکرد نهایی تأثیر دارند.

 

برای سرامیک‌های عایق{0} ولتاژ بالا، باید روی شاخص‌هایی مانند مقاومت دی الکتریک، مقاومت حجمی، فاصله خزشی و تخلیه جزئی تمرکز کرد. برای قطعات ساختاری سرامیکی که تحت بارهای مکانیکی قرار دارند، باید بر ارزیابی مقاومت خمشی، چقرمگی شکست، عملکرد شوک حرارتی و تنش مونتاژ تمرکز کرد.

 

علاوه بر این، تفاوت ضریب انبساط حرارتی بین سرامیک و فلزات نیز موضوع مهمی است که باید در طراحی مهندسی مورد توجه قرار گیرد. هنگامی که تجهیزات مرتباً تحت سیکل های دمای بالا و پایین قرار می گیرند، تنش حرارتی می تواند بین مواد مختلف ایجاد شود. اگر طراحی ساختاری و تطبیق مواد معقول نباشد، دوچرخه‌سواری طولانی‌مدت ممکن است منجر به ترک خوردگی رابط، لایه لایه شدن و حتی خرابی عایق شود.

 

بنابراین، در طول فرآیند توسعه مولفه‌های عایق ولتاژ بالا مانند لوله سرامیکی عایق در فیوزهای EV، لازم است طراحی جامع از ابعاد مختلف مواد، ساختار، ساخت و تأیید انجام شود و قابلیت اطمینان محصول را نمی‌توان تنها با تکیه بر یک شاخص عملکرد ماده مورد قضاوت قرار داد.
 

 

در حال حاضر، صنعت انرژی جدید از گسترش صرف ظرفیت نصب شده به بهبود چگالی توان، راندمان سیستم و قابلیت اطمینان عملیاتی در حال تغییر است. وسایل نقلیه جدید انرژی به سمت پلتفرم‌های ولتاژ بالا 800 ولت توسعه می‌یابند، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی به سمت قدرت بالاتر و عمر طولانی‌تر ارتقا می‌یابند، و اینورترهای فتوولتائیک به بهبود راندمان تبدیل و چگالی توان ادامه می‌دهند. این تغییرات الزامات فنی جدیدی را برای مواد سرامیکی مطرح کرده است.

 

در آینده، توسعهقطعات سرامیکی انرژی نوتوجه بیشتری به بهینه سازی مشارکتی عملکرد مواد و طراحی سازه خواهد داشت. از یک طرف، توسعه مواد سرامیکی با هدایت حرارتی بالاتر، استحکام دی الکتریک بالاتر و عملکرد تطبیق انبساط حرارتی بهتر ضروری است. از سوی دیگر، بهبود ثبات ابعادی محصول و پایداری دسته ای از طریق قالب گیری دقیق، پخت پیشرفته و بازرسی خودکار نیز ضروری است.

 

در عین حال، کاربرد قطعات سرامیکی به تدریج از غلاف‌ها، پوشش‌ها و بسترهای عایق سنتی به اتصالات ولتاژ بالا، بسته‌بندی ماژول‌های قدرت، حسگرها، فیوزها و قطعات ساختاری دقیق تجهیزات انرژی جدید گسترش می‌یابد. برای فیوزهای ولتاژ بالا، مواد سرامیکی به دلیل مزایای جامع در عایق، مقاومت در برابر حرارت و پشتیبانی ساختاری، یک سیستم مواد مهم در وسایل نقلیه انرژی جدید و سیستم‌های حفاظت ذخیره انرژی باقی خواهند ماند.

 

به طور کلی، اگرچه قطعات سرامیکی معمولاً مستقیماً در تبدیل انرژی شرکت نمی کنند، اما عملکردهای کلیدی مانند عایق، اتلاف گرما، حفاظت، پشتیبانی و اتصال قابل اعتماد را انجام می دهند. با توسعه مداوم وسایل نقلیه انرژی جدید، ذخیره انرژی، فتوولتائیک و فن‌آوری‌های{1}}الکترونیکی با ولتاژ بالا، مواد سرامیکی از مواد کمکی سنتی به مواد اولیه مهمی تبدیل می‌شوند که بر ایمنی، کارایی و طول عمر تجهیزات انرژی جدید تأثیر می‌گذارند.

 

در آینده، نوآوری در فناوری سرامیک با تمرکز بر قابلیت اطمینان بالا، رسانایی حرارتی بالا، عایق بالا، سبک وزن و ساخت دقیق، توسعه تجهیزات انرژی جدید را به سمت چگالی توان بالا، راندمان بالا، و عملکرد قابل اعتماد طولانی مدت بیشتر خواهد کرد.