中国粉体网讯 结构陶瓷材料，具有金属和高分子材料所不具备的高模量、高硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗侵蚀、生物相容性以及优异的电绝缘和透光透波等特性，在航空航天、信息电子、核电与新能源等领域广泛应用。
▲先进结构陶瓷产品与应用领域及代表性企业
结构陶瓷主要有：切削工具、模具、耐磨零件、泵和阀部件、发动机部件、热交换器和装甲等。主要材料有氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、二氧化锆(ZrO2)、碳化硼(B4C)、二硼化钛(TiB2)、氧化铝(Al2O3)和赛隆(Sialon)等。
近年来，国际上尤为重视先进结构陶瓷的研发与产业化，特别在日本、美国、德国等国家，制定了一系列先进陶瓷材料的研发计划。下面，我们来盘点一下出现在新能源汽车产业链中的先进结构陶瓷。
陶瓷刀具
陶瓷刀具材料分为3大类：氧化铝系陶瓷、氮化硅系陶瓷、复合氮化硅-氧化铝系陶瓷。
来源：NGK
陶瓷切削刀具应用于汽车零件和高温合金的高速切削，近十年得到很大发展。像日本京瓷公司(Kyocera)、日本NGK公司、美国肯纳、瑞典Sandvik、德国 CeramTec公司都有先进的陶瓷刀具生产线，生产Al2O3 基、Si3N4基，以及晶须增韧Al2O3陶瓷刀具。目前发达国家陶瓷刀具的构成比例约为5%~10%左右，由于它能大幅度提高加工效率，已经为机械加工过程带来巨大的经济效益。
陶瓷轴承
人们常见的陶瓷轴承的套圈及滚动体采用全陶瓷材料，有氧化锆（ZrO2），氮化硅（Si3N4），碳化硅（SiC）三种。其中，氮化硅（Si3N4）被认为是制造陶瓷轴承的最佳材料，对于电动汽车来讲，Si3N4陶瓷轴承最大的一个优点是：具有极佳的抗电性。
来源：国瓷金盛
Si3N4作为天然的电绝缘体，在高频交流电环境下，陶瓷滚动体在轴承的内外圈之间起阻断作用。由于陶瓷轴承的电容非常低，相比起很小的滚道接触点，滚动体的直径较大。另外，Si3N4陶瓷的相对介电常数低，其电阻值很大，则此时陶瓷轴承仍是阻隔轴电流的有效工具。
其次，Si3N4陶瓷轴承不仅重量上比钢制轴承更轻，而且硬度更高，其硬度是钢制轴承的两倍，而且不容易受外界环境的干扰而出现变形的现象。从轴承寿命和轴承效率的角度而言，Si3N4陶瓷轴承是个很好的选择。
陶瓷基板
电子控制系统是电动汽车的关键部件，其主要组成部分包括系统集成与软件、芯片与特殊器件、IGBT模块、车用单片机、车用传感器、电子控制模块、连接器等如。其中，IGBT模块是整个电子控制系统的“中枢神经系统”，是驱动系统的核心，占控制器总成本的 40%～50%。
IGBT模块封装中所产生的热量主要是经陶瓷覆铜板传到散热板最终传导出去，陶瓷覆铜基板是影响模块长期使用的关键部分之一。
氮化硅陶瓷基板，来源：中材高新
目前，陶瓷覆铜基板根据陶瓷材料的不同分为氧化铝陶瓷覆铜板和氮化铝陶瓷覆铜板以及氮化硅陶瓷覆铜板。其中，氮化硅覆铜基板已经成为IGBT模块封装的新宠，其最大特点是具有与其它陶瓷覆铜板所无可比拟的可靠性，即具有氮化硅陶瓷高强度、高导热的特性，结合活性金属焊接工艺后又具有高可靠性，使其成为高压大功率IGBT模块封装中最具有发展前景的材料。
结构窑具
陶瓷辊棒作为一种耐火窑具，在辊道烧成窑和辊道干燥窑中起支承、传送陶瓷坯体和产品的作用，是辊道窑的核心部件。陶瓷辊棒按材质可分为堇青石-莫来石辊棒、熔融石英质辊棒、刚玉-莫来石辊棒、碳化硅辊棒。其中，碳化硅辊棒是锂离子电池材料反应烧结装备中的重要组成部分，目前，随着电池材料生产进入规模化、连续化作业，烧结辊道窑已取代其他的窑炉。
陶瓷辊棒，来源：山田新材料
反应烧结碳化硅辊棒含有10-16wt% Si，高温下与挥发出的腐蚀性气体发生化学反应，会降低辊棒的使用寿命，增加窑炉的维修成本。而无压烧结碳化硅辊棒不含金属Si，在同一种工况下的使用寿命是反应烧结碳化硅的近5倍，故现在多使用无压烧结碳化硅辊棒来延长辊棒的使用寿命，节省成本。
烧结器皿：匣钵/坩埚
盛放粉体（锂电池正极材料、磁性粉体、高纯陶瓷粉）后在辊道窑、推板窑、隧道窑进行热处理的匣钵，一般采用挤出，机压、浇注以及等静压工艺成型，根据制品的组成和结构选择合适的成型工艺。应用最为广泛的材质有堇青石-莫来石质、刚玉莫来石质、碳化硅质及石墨质，其中以锂离子正极材料的合成领域应用最为普遍。
堇青石-莫来石匣钵因其具有优异的抗热震性以及经济性，广泛应用于锂电池正极材料领域。
小结
除了以上应用，先进结构在传统燃油汽车中，也有不少应用，如蜂窝陶瓷载体、活塞环、气缸套、发动机、内燃机火花塞等。
针对新能源汽车时代，先进结构陶瓷的应用提高了传统工业的产业水平，从而也提高了生产效率和产品质量。同时随着陶瓷材料制备技术的进步，将推进先进结构陶瓷材料的各种力学性能、热学性能等性能的提高，使结构陶瓷呈现出更加广阔的产业化应用前景。
参考来源：
谢志鹏等：国际先进结构陶瓷研发及产业化应用发展状况
张文毓：先进陶瓷材料的研究与应用
李少鹏：新一代 IGBT 模块用高可靠氮化硅陶瓷覆铜基板研究进展
中国粉体网
（中国粉体网编辑整理/空青）
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