作為近年來(lái)最受關(guān)注的心材料領(lǐng)域之一，先進(jìn)陶瓷是憑借著多項(xiàng)優(yōu)異特性在社會(huì)中發(fā)揮著重要的作用。其中，氮化硅（Si₃N₄）因具有高抗彎強(qiáng)度、高斷裂韌性、良好的蠕變性、高硬度和高耐磨性等優(yōu)異特性，被譽(yù)為是結(jié)構(gòu)陶瓷家族中綜合性能最為優(yōu)良的一類(lèi)。

氮化硅陶瓷球（來(lái)源：國(guó)瓷金盛）

目前新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)作為一個(gè)體量快速增長(zhǎng)、技術(shù)持續(xù)革新的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，對(duì)汽車(chē)陶瓷零部件的需求在快速上升，氮化硅在其中也飾演著多個(gè)重要角色。今天要介紹的，就是它的兩個(gè)重點(diǎn)應(yīng)用方向——軸承用氮化硅陶瓷球以及高導(dǎo)熱氮化硅基板。

一、氮化硅陶瓷球

軸承是一切旋轉(zhuǎn)機(jī)械的靈魂，被稱(chēng)為機(jī)械工業(yè)的“芯片”。其主要功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低其運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)，并保證其回轉(zhuǎn)精度。

氮化硅材料的密度大約為軸承鋼的42%，彈性模量高達(dá)320GPa，抗拉強(qiáng)度1600MPa，抗壓強(qiáng)度高達(dá)3600MPa，900℃以下力學(xué)性質(zhì)幾乎不變，因此是滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體的理想材料之一。目前，以氮化硅球作為滾動(dòng)體的軸承已是世界上研究最熱門(mén)、性能最優(yōu)異、應(yīng)用最廣泛的高端陶瓷軸承。

軸承示意圖

新能源汽車(chē)中之所以需要使用氮化硅軸承，有以下幾個(gè)原因：

①電機(jī)軸承相比傳統(tǒng)軸承轉(zhuǎn)速高，需要密度更低、相對(duì)更耐磨的材料；

②由于電機(jī)的交變電流引起周?chē)姶艌?chǎng)變化，需要更好的絕緣性減小軸承放電產(chǎn)生的電腐蝕；

③要求軸承球表面更光滑，較少磨損。陶瓷球具有低密度、高硬度、耐摩擦等特點(diǎn)，適宜高速旋轉(zhuǎn)工況，在高溫強(qiáng)磁高真空等領(lǐng)域，陶瓷球具有不可替代性。

目前在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，陶瓷軸承取代鋼球軸承已經(jīng)是一種趨勢(shì)——如特斯拉采用的電機(jī)中輸出軸是采用陶瓷軸承，采用NSK設(shè)計(jì)的混合陶瓷軸承，軸承滾珠采用50個(gè)氮化硅球組成；奧迪ATA250電機(jī)位于內(nèi)部的2個(gè)轉(zhuǎn)子軸承采用陶瓷材質(zhì)制成。

奧迪ATA250電機(jī)剖面圖

制備要點(diǎn)

制備超精密氮化硅陶瓷球，是制造超精密高端氮化硅球軸承的前提。高端陶瓷球一般需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，高精度、長(zhǎng)疲勞壽命、好的表面質(zhì)量。

得益于“熱等靜壓”高溫高壓燒結(jié)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，目前長(zhǎng)疲勞壽命陶瓷球毛坯的氮化硅毛坯球的制備技術(shù)已取得突破。但為保證氮化硅球的超精密大規(guī)模生產(chǎn)，還需注意以下幾點(diǎn)：

①氮化硅球表面實(shí)現(xiàn)等概率磨削加工，亦即保證球面上每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都有相同的研磨概率；

②磨削效率具有自動(dòng)尺寸選擇性，亦即大球或者長(zhǎng)軸方向自動(dòng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先磨削；

③研磨技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化低成本生產(chǎn)。

二、高導(dǎo)熱氮化硅基板

氮化硅陶瓷基板是由氮化硅粉體添加少量氧化物和稀土燒結(jié)而成的氮化硅陶瓷片，其綜合性能優(yōu)異可靠，主要采用活性金屬釬焊覆銅AMB工藝，在高導(dǎo)熱性、高機(jī)械強(qiáng)度、低膨脹系數(shù)、抗氧化性能、熱腐蝕性能、低介電損耗、低摩擦系數(shù)等方面具有優(yōu)異的性能。

氮化硅陶瓷基板

由于氮化硅陶瓷的理論熱導(dǎo)率高達(dá)400W/(m.k)，熱膨脹系數(shù)約為3.0x10^-6℃，與Si、SiC、GaAs等材料都有良好的匹配性，因此氮化硅基板的高強(qiáng)度和高導(dǎo)熱性能完全滿(mǎn)足高溫、大功率、高散熱、高可靠性的汽車(chē)電子功率器件模塊封裝要求。也有人認(rèn)為，氮化硅陶瓷覆銅基板就是氧化鋁陶瓷基板和氮化鋁陶瓷基板升級(jí)產(chǎn)品。

應(yīng)用上，目前氮化硅基板主要用于Si IGBT和SiC MOSFET的封裝，具體如下：

①Si IGBT：車(chē)用IGBT的散熱效率要求比工業(yè)級(jí)要高得多，逆變器內(nèi)溫度極高，同時(shí)還要考慮強(qiáng)振動(dòng)條件，車(chē)規(guī)級(jí)的IGBT性能要求遠(yuǎn)在工業(yè)級(jí)之上。因?yàn)榈杌逵糜谲?chē)用IGBT封裝是再適合不過(guò)，可以適應(yīng)高溫高壓的工作環(huán)境，及時(shí)散去電源系統(tǒng)中的高熱量，保護(hù)芯片正常工作。延長(zhǎng)電子設(shè)備的使用周期。

②SiC MOSFET：在新能源汽車(chē)的核心電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，采用SiC MOSFET器件比傳統(tǒng)Si IGBT帶來(lái)5%～10%續(xù)航提升，未來(lái)將會(huì)逐步取代Si IGBT。但SiC MOSFET芯片面積小，對(duì)散熱要求高，氮化硅陶瓷基板具備優(yōu)異的散熱能力和高可靠性，幾乎成為SiC MOSFET在新能源汽車(chē)領(lǐng)域主驅(qū)應(yīng)用的必選項(xiàng)。目前已經(jīng)量產(chǎn)的Tesla model 3中，就有大批量使用氮化硅陶瓷基板應(yīng)對(duì)SiC MOSFET器件散熱。

TOSHIBA高導(dǎo)熱氮化硅基板

制備要點(diǎn)

但目前，業(yè)界在同時(shí)滿(mǎn)足力學(xué)性能和導(dǎo)熱要求的氮化硅基板的生產(chǎn)上，依然存在技術(shù)難題。受限于陶瓷原料粉體的純度，燒結(jié)助劑，殘留氣孔，燒結(jié)工藝控制控制等元素，當(dāng)前商業(yè)上可獲得的氮化硅陶瓷基板的熱導(dǎo)率都遠(yuǎn)不如理論值。為了盡可能提高氮化硅基板熱導(dǎo)率并維持相應(yīng)的力學(xué)強(qiáng)度，業(yè)界一般通過(guò)以下方法改善陶瓷基板性能。

①通過(guò)控制氮化硅晶粒中的氧含量和雜質(zhì)含量；

②控制氮化硅原料粉體顆粒分布；在氮化硅粉末中添加β-Si3N4晶種；

③優(yōu)化燒結(jié)助劑成分；

④使陶瓷晶界相再結(jié)晶等方法來(lái)提高氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率。

其中優(yōu)化燒結(jié)助劑一方面可以減少β-Si₃N₄晶粒中諸如空位、間隙原子、位錯(cuò)、取代原子等晶格缺陷，減少聲子傳播障礙；另一方面可以使晶界相結(jié)晶化或者減小晶界厚度，從而減小晶界熱阻，被證明是提高氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率的簡(jiǎn)單易行的方法。

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