氮化硅陶瓷在新能源汽车领域的应用

氮化硅具有高抗弯强度、高断裂韧性、良好的抗蠕变性，高硬度和高耐磨性。它被认为是结构陶瓷家族中性能最好的材料。作为技术创新不断快速增长的战略性新兴产业，新能源汽车领域对陶瓷部件的需求不断增加，氮化硅扮演着多重重要角色。

首先，氮化硅轴承是被称为机械工业“芯片”的关键部件。它们主要用于支撑旋转机械并降低摩擦系数，确保精确的旋转性能。氮化硅的密度约为轴承钢的42%，高弹性模量为320 GPa，抗拉强度为1600 MPa，抗压强度高达3600 MPa。此外，其机械性能在900°C以下几乎保持不变，使其成为滚动轴承滚动体的理想材料。目前，使用氮化硅球作为滚动体的轴承已成为全球最受欢迎、高性能、应用最广泛的先进陶瓷轴承。在新能源汽车领域，氮化硅轴承的采用主要有以下几个原因：

1.电动机轴承需要密度低，耐磨性较高的材料，以适应更高的速度。

2.电机产生的交流电引起周围电磁场的变化，要求良好的绝缘性能，以减少轴承放电引起的腐蚀。

3.轴承球需要具有光滑的表面和最小的磨损。陶瓷球由于其低密度、高硬度和出色的耐磨性，非常适合高速旋转条件。它们在高温、强磁性和高真空环境中尤其不可替代。在新能源汽车领域，陶瓷轴承已逐渐取代钢球轴承。

其次，氮化硅陶瓷基板是将氮化硅粉末与少量氧化物和稀土材料烧结而成的陶瓷板。这些基材表现出优异的综合性能和可靠性，包括高导热性、高机械强度、低热膨胀系数、抗氧化性、耐热腐蚀性、低介电损耗和低摩擦系数。氮化硅陶瓷具有极高的理论导热系数（约400 W/（m·K））和低热膨胀系数（约3.0x10-6°C），使其与Si，SiC和GaAs等材料兼容。因此，氮化硅衬底的高强度和高导热性满足了汽车电子功率器件模块封装的高温、大功率、高散热和高可靠性的要求。有人认为，氮化硅陶瓷基板是与氧化铝陶瓷基板和氮化铝陶瓷基板相比的升级产品。目前，氮化硅衬底主要用于Si IGBT和SiC MOSFET的封装，具体应用如下：

1.对于汽车级IGBT，散热效率远高于工业级。逆变器的内部温度极高，还需要考虑强烈的振动条件。汽车级IGBT的性能要求远远超过工业级。氮化硅衬底非常适合汽车级IGBT封装，能够适应高温高压工作环境，有效散热电源系统中产生的高热量，保护芯片的正常运行，延长电子设备的使用寿命。

2. 对于碳化硅MOSFET，在新能源汽车的核心电机驱动中采用碳化硅MOSFET器件，与传统的Si IGBT相比，续航里程可提高5%至10%。碳化硅MOSFET芯片面积小，散热要求高。氮化硅陶瓷衬底具有优异的散热能力和高可靠性，几乎是碳化硅MOSFET在新能源汽车领域主要应用的必选。例如，特斯拉Model 3广泛使用氮化硅陶瓷基板来解决SiC MOSFET器件的散热问题。

综上所述，氮化硅陶瓷在新能源汽车领域的两个主要应用方向是氮化硅轴承和高导热氮化硅衬底。氮化硅轴承表现出优异的机械性能和耐磨性，使其适用于高速旋转和恶劣的工况，已广泛应用于新能源汽车的电机系统。氮化硅陶瓷衬底具有高导热性和机械强度，满足汽车电子功率器件模块高温、大功率、高散热、高可靠性的要求，广泛应用于Si IGBT和SiC MOSFET的封装。这些应用有助于新能源汽车的发展，提高其性能和可靠性。