Aplicação de cerâmicas avançadas em veículos de novas energias
Na indústria de veículos de novas energias, a aplicação de diversos materiais avançados é a base que sustenta todo o setor. Neste artigo, exploraremos o papel cada vez mais importante da cerâmica no processo de inteligência artificial dos veículos de novas energias.
No núcleo do acionamento do motor de veículos de novas energias, o uso de dispositivos MOSFET de SiC proporciona um aumento de 5% a 10% na autonomia em comparação com os IGBTs de Si tradicionais, e espera-se que os substituam gradualmente no futuro. No entanto, os chips MOSFET de SiC possuem área reduzida e exigem alta dissipação de calor. O laminado cerâmico revestido de cobre é um material compósito com estrutura sanduíche de cobre-cerâmica-cobre. Ele apresenta características como boa dissipação de calor, alto isolamento, alta resistência mecânica, compatibilidade de expansão térmica com os chips, além de alta capacidade de condução de corrente, bom desempenho de soldagem e adesão e alta condutividade térmica do cobre livre de oxigênio. Tornou-se praticamente uma escolha obrigatória para MOSFETs de SiC no campo de veículos de novas energias. Os substratos cerâmicos de nitreto de silício possuem excelente capacidade de dissipação de calor e alta confiabilidade, tornando-os um dos principais materiais de encapsulamento para módulos MOSFET de SiC.
Substrato de nitreto de silício
Relés de cerâmica
A tecnologia de controle eletrônico é um importante indicador do nível de desenvolvimento de novos veículos elétricos com baixo consumo de energia, e os relés cerâmicos de corrente contínua de alta tensão são componentes essenciais dos sistemas de controle eletrônico. Em um relé a vácuo de corrente contínua de alta tensão, o isolador cerâmico desliza entre o conjunto de contato móvel e a haste de acionamento em uma câmara de vácuo selada por metal e cerâmica, garantindo um bom isolamento elétrico entre os contatos móveis e fixos em qualquer estado de condução ou desconexão, mantendo um sistema de circuito magnético com as placas do núcleo magnético e os núcleos de ferro do relé, etc., e garantindo a capacidade de extinção de arco do relé ao chavear cargas de corrente contínua de alta tensão. A formação de arco elétrico é uma das principais causas de incêndio em veículos. Somente relés que realizam conexão e desconexão sem arco elétrico podem resolver fundamentalmente o problema de incêndio.
Carcaça de cerâmica do relé
Fusíveis de cerâmica
Os fusíveis são dispositivos usados para proteger circuitos contra sobrecorrente. Em operação, o fusível é conectado em série no circuito, e a corrente de carga flui através dele. Quando ocorre um curto-circuito ou sobrecarga no circuito, o efeito térmico da sobrecorrente derrete e vaporiza o elemento fusível, criando uma lacuna que produz um arco elétrico. O fusível interrompe o circuito defeituoso extinguindo o arco, protegendo assim o circuito.
Os fusíveis automotivos são divididos em partes de baixa e alta tensão, sendo a proteção de alta tensão aplicável principalmente a veículos de nova energia. A tensão aplicada geralmente varia de 60 VCC a 1500 VCC, sendo utilizada principalmente para proteger os circuitos principais e auxiliares dos fusíveis de potência (fusíveis de alta tensão para veículos de nova energia). À medida que o mercado de veículos de nova energia entra na era pós-subsídios e a demanda por consumo individual impulsiona a plataforma de alta tensão desses veículos, os requisitos de segurança em áreas de alta tensão, como carregamento rápido, motores, dispositivos de potência, etc., tornam-se imprescindíveis. A estabilidade e a capacidade de interrupção rápida dos fusíveis continuarão a apresentar um crescimento acelerado com o rápido desenvolvimento dos veículos de nova energia.
Fusíveis de cerâmica
Capacitores Cerâmicos Multicamadas (MLCC)
Os capacitores cerâmicos multicamadas (MLCCs) são conhecidos como os "reais" da indústria eletrônica e estão entre os componentes eletrônicos passivos mais utilizados globalmente. Quase todos os eletrônicos de consumo requerem o uso de componentes MLCC. Comparado aos veículos tradicionais, o nível de eletrificação dos veículos elétricos aumentou consideravelmente. Desde os novos sistemas eletrônicos de controle e gerenciamento de baterias até os sistemas de áudio e entretenimento, sistemas ADAS e sistemas de direção totalmente autônoma, o aumento da eletrificação veicular impulsionou significativamente o crescimento do mercado de MLCCs automotivos.
Capacitores cerâmicos multicamadas
A aplicação de rolamentos de cerâmica em veículos de novas energias tornou-se uma tendência. Esses veículos impõem maiores exigências aos rolamentos automotivos. Primeiramente, em comparação com os rolamentos tradicionais, os rolamentos de motores operam em velocidades de rotação mais elevadas e requerem materiais com menor densidade e melhor resistência ao desgaste. Em segundo lugar, devido à variação do campo eletromagnético causada pelas correntes alternadas no motor, é necessário um melhor isolamento para reduzir a corrosão dos rolamentos causada por descargas elétricas. Em terceiro lugar, a superfície das esferas do rolamento precisa ser mais lisa, com menor desgaste. As esferas de cerâmica possuem características como baixa densidade, alta dureza e excelente resistência ao desgaste, tornando-as adequadas para rotação em alta velocidade em ambientes de alta temperatura, forte campo magnético e alto vácuo. Elas são insubstituíveis nesses campos.
Os motores da Tesla utilizam rolamentos de cerâmica nos seus eixos de saída, especificamente rolamentos híbridos de cerâmica projetados pela NSK, com 50 esferas de nitreto de silício. O motor ATA250 da Audi também utiliza rolamentos de cerâmica nos seus dois rolamentos internos do rotor.
Rolamentos de cerâmica
Discos de freio de carbono-cerâmica
O material compósito carbono-cerâmica (C/C-SiC) é um novo tipo de material para pastilhas de freio desenvolvido com base em materiais compósitos de carbono/carbono. Ele utiliza um feltro tridimensional de fibra de carbono agulhada como esqueleto de reforço e é composto pela deposição de carbono, SiC e silício residual. Este material combina as propriedades físicas da fibra de carbono e do carbeto de silício policristalino, apresentando características como alta estabilidade térmica, alta condutividade térmica e alto calor específico. Além disso, os freios de carbono-cerâmica têm as vantagens de serem leves e resistentes ao desgaste. Eles não apenas prolongam a vida útil dos discos de freio, como também evitam problemas causados pela sobrecarga. De acordo com pesquisas, um par de discos de freio de carbono-cerâmica pode reduzir o peso do sistema de suspensão do veículo em 20 kg em comparação com discos de freio de ferro fundido do mesmo tamanho, o que pode aumentar a autonomia de veículos elétricos em aproximadamente 50 km. No contexto da eletrificação, da inteligência artificial e das tendências de desenvolvimento de alta tecnologia na indústria de veículos de nova energia, os sistemas de freio de carbono-cerâmica podem melhorar significativamente a velocidade de resposta do veículo, reduzir a distância de frenagem e espera-se que se tornem os melhores atuadores para frenagem com controle de trajetória. Podem ser considerados componentes leves essenciais para os futuros veículos elétricos.
Discos de freio de cerâmica
Conectores de vedação de bateria de cerâmica
Os conectores de vedação de baterias de cerâmica são um componente importante dos veículos elétricos de nova energia. Eles são usados para formar conexões seladas e condutoras entre a placa de cobertura da bateria e a coluna de eletrodos nesses veículos.
Os materiais cerâmicos possuem isolamento elétrico e resistência mecânica superiores, o que os torna cada vez mais comuns na indústria eletrônica como componentes de vedação. Nos últimos anos, as principais empresas de baterias têm substituído gradualmente as vedações plásticas comuns por vedações cerâmicas, melhorando significativamente a segurança.
Conectores de vedação de bateria
Separadores de bateria de cerâmica
As membranas de poliolefina são atualmente as membranas mais utilizadas, mas sua estabilidade térmica é relativamente baixa. Os pontos de fusão do polipropileno (PP) e do polietileno (PE) são de 165 °C e 135 °C, respectivamente, o que pode causar potenciais problemas de segurança, pois a membrana encolhe ou derrete em altas temperaturas, levando a curtos-circuitos internos, incêndios ou até mesmo explosões. Em resposta a essa situação, vários métodos têm sido adotados para melhorar a estabilidade térmica das membranas, sendo o revestimento com uma camada de partículas cerâmicas inorgânicas em membranas de PP ou PE considerado o método mais eficaz e econômico. Os materiais cerâmicos proporcionam alta resistência ao calor, enquanto os adesivos garantem a adesão, mantendo a integridade estrutural do revestimento e de toda a membrana composta. Por um lado, essa membrana revestida com cerâmica melhora efetivamente a segurança das baterias de íon-lítio, prevenindo curtos-circuitos em altas temperaturas devido à melhoria da estabilidade térmica. Por outro lado, a membrana revestida com cerâmica apresenta boa molhabilidade e capacidade de retenção de líquidos com eletrólitos e materiais de eletrodos positivos/negativos, aumentando consideravelmente o desempenho e a vida útil da bateria. Os materiais cerâmicos mais utilizados incluem alfa-alumina, boehmita, SiO2, CeO2, MgAl2O4, ZrO e TiO2.
Cerâmica revestimento camada
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