I veicoli a nuova energia (NEVs) indicano automobili che utilizzano carburanti non tradizionali, combinati con tecnologie avanzate nei sistemi di controllo della potenza e di guida. Questi veicoli presentano principi tecnici all'avanguardia, tecnologie innovative e strutture nuove, e inevitabilmente portano a aggiornamenti e modifiche ai loro componenti. Di conseguenza, componenti strutturali in ceramiche avanzate stanno sempre più trovando applicazione nel settore dei NEVs.
1. Cuscinetti ceramici per motori
Rispetto ai cuscinetti tradizionali, i cuscinetti per motori elettrici operano a velocità di rotazione più elevate, richiedendo materiali con minore densità e una superiore resistenza all'usura. Inoltre, la corrente alternata nei motori elettrici genera campi elettromagnetici fluttuanti, che richiedono un'isolazione migliorata per ridurre la corrosione elettrica causata dalla scarica dei cuscinetti. Per di più, le sfere dei cuscinetti devono presentare superfici ultra lisce per minimizzare l'usura.
I cuscinetti ceramici per motori sono cuscinetti che utilizzano materiali ceramici come componenti principali, offrendo significativi vantaggi in condizioni operative caratterizzate da alte temperature, alte velocità e carichi elevati. Di seguito è fornita un'introduzione dettagliata:
Materiali Principali
Nitruro di Silicio (Si₃N₄): È un materiale comunemente utilizzato per cuscinetti ceramici per motori. Possiede un'elevata resistenza, un'ottima resistenza all'usura e un'eccellente resistenza al calore, e può operare stabilmente a temperature fino a 1200℃. Allo stesso tempo, presenta una densità relativamente bassa, utile per ridurre il peso del cuscinetto.
Carburo di silicio (SiC): Il carburo di silicio presenta anche un'alta durezza, resistenza alle alte temperature e una buona conducibilità termica. Può mantenere buone proprietà meccaniche e resistenza all'usura in ambienti di lavoro difficili ed è spesso utilizzato in occasioni in cui vengono richieste prestazioni più elevate per i cuscinetti.
2. Substrato ceramico rivestito in rame
Elevata conducibilità termica, basso coefficiente di espansione termica, eccellente saldabilità, resistenza alle alte temperature, superiore isolamento elettrico ed eccezionale resistenza agli sbalzi termici.
① Substrati ceramici in nitruro di alluminio (AlN) rivestiti in rame per i fari dei veicoli elettrici.
② Substrati in nitruro di silicio (Si₃N₄) per moduli IGBT.
③ Substrati ceramici in allumina (Al₂O₃) per sensori automobilistici e ammortizzatori.
3. Pastiglie freno ceramiche per sistemi frenanti
I freni in ceramica e carbonio presentano bassa densità, elevata resistenza, stabilità delle prestazioni di attrito, usura minima, alto rapporto di frenata, eccezionale resistenza al calore e lunga durata.
Il materiale è un composito ceramico rinforzato sintetizzato da fibra di carbonio e carburo di silicio (SiC) a 1700°C. Questa composizione avanzata non solo garantisce un'elevata resistenza alle alte temperature, ma riduce anche il peso di oltre il 50% rispetto ai dischi freno tradizionali di dimensioni equivalenti.
Vantaggi
Eccellente prestazione frenante: Grazie a un coefficiente di attrito elevato e stabile, anche quando la temperatura del disco freno raggiunge i 650°C, il coefficiente di attrito delle pastiglie freno in ceramica può rimanere intorno a 0,45 - 0,55, assicurando una buona efficienza frenante e riducendo la distanza di frenata.
Lunga durata: La vita utile delle pastiglie freno ordinarie è inferiore a 60.000 chilometri, mentre quella delle pastiglie freno in ceramica può superare i 100.000 chilometri. Inoltre, le pastiglie freno in ceramica non lasciano graffi sul disco freno, permettendo di estendere la durata del disco originale del 20%.
Basso rumore e comfort: Poiché non contengono componenti metallici, evitano il rumore anomalo generato dall'attrito tra le tradizionali pastiglie dei freni in metallo e le parti accoppiate, offrendo un ambiente di guida silenzioso.
Minore produzione di polvere: Le pastiglie ceramiche producono meno polvere rispetto alle tradizionali pastiglie semi-metalliche, contribuendo a mantenere le ruote pulite e riducendo i tempi e i costi di manutenzione.
Elevata resistenza al calore e dissipazione termica: Hanno un'eccellente resistenza al calore e stabilità termica e sono in grado di dissipare rapidamente il calore generato durante la frenata, garantendo la stabilità delle prestazioni frenanti e migliorando la sicurezza del veicolo.
4. Rivestimento Ceramico
① Rivestimento Ceramic per la Carrozzeria dell'Auto
Proprietà e Benefici Principali:
Protezione Eccezionale: Agisce come barriera sacrificabile contro i contaminanti ambientali:
Radiazione UV: Riduce significativamente l'ossidazione e lo scolorimento della vernice.
Macchie Chimiche: Resiste ai danni causati da escrementi di uccelli acidi, schizzi di insetti, resina degli alberi e sali stradali.
Graffi Minori e Vortici: Offre una durezza migliorata (9H+) rispetto alla vernice trasparente o alla cera, garantendo una maggiore resistenza alle leggere abrasioni (sebbene non sia a prova di graffio).
Macchie d'Acqua: Riduce il rischio che depositi minerali incidano la vernice.
Idrofobicità Superiore ed Effetto Autopulente:
Crea una superficie estremamente repellente all'acqua. L'acqua forma perle compatte e scorre via facilmente, portando con sé polvere e sporco allentato.
Rende il veicolo significativamente più facile da pulire e riduce la frequenza dei lavaggi necessari.
Brillantezza Potenziata e Profondità:
Crea una lucentezza riflettente e profonda unica, superiore a quella delle cere tradizionali o dei sigillanti.
Il rivestimento migliora la chiarezza e la profondità del colore della vernice sottostante.
DURATA A LUNGO TERMINE:
A differenza delle cere tradizionali (che durano settimane) o dei sigillanti sintetici (che durano mesi), i rivestimenti ceramici offrono una protezione che generalmente dura da 1 a 5 anni (o più), a seconda della qualità del prodotto, dell'applicazione, della manutenzione e dell'esposizione ambientale.
② Rivestimento Ceramico per Sistema di Scarico
③ Rivestimento Ceramico per Isolamento Termico
5. Relè Ceramico ad Alta Tensione
① Nei veicoli tradizionali con motore a combustione interna, i relè sono ampiamente utilizzati nei sistemi di controllo, nell'avviamento, nel condizionamento dell'aria, nell'illuminazione, nei tergicristalli, nei sistemi di iniezione del carburante, nelle pompe dell'olio, nei finestrini elettrici, nei sedili elettrici, nel cruscotto elettronico e nei sistemi diagnostici. Questi relè automobilistici convenzionali sono prodotti a bassa tensione, solitamente operano in un intervallo di 12-48V.
② Nei veicoli a nuova energia (NEVs), i relè vengono utilizzati principalmente in ambienti CC ad alta tensione, controllando circuiti CC ad alta corrente. Presentano specifiche diverse, con piccole serie di produzione, spesso richiedono tecniche di produzione flessibili.
6. Condensatore Ceramico
Nei veicoli a nuova energia, i condensatori ceramici a basse perdite vengono utilizzati principalmente nei sistemi di elettronica di potenza, come nei sistemi di trazione elettrica, nelle colonnine di ricarica e nei sistemi di gestione della batteria (BMS). Le applicazioni principali includono:
① Convertitori DC-DC e Inverter
Funzione: Agire come condensatori di filtro per ridurre le perdite di potenza nei circuiti e migliorare l'efficienza di conversione dell'energia.
② Stazioni di ricarica
Funzione: Agire come condensatori soppressori di rumore per ridurre l'interferenza della corrente e migliorare l'efficienza di ricarica.
③ Sistema di gestione della batteria (BMS)
Funzione: Stabilizzare la tensione di uscita della batteria, prolungando la durata del ciclo della batteria e garantendone la sicurezza.
④ Principali vantaggi dei condensatori ceramici a basse perdite
Resistenza ad alte temperature
Elevata resistenza alla tensione
Prestazioni ad alta frequenza
Ruolo fondamentale nei sistemi di controllo elettronico dei veicoli elettrici non inquinanti (NEV)
7. Fusibile ceramico
① Funzione di protezione del circuito
② Capacità portante e resistenza agli impulsi
③ Funzione di sicurezza
Un fusibile ceramico è un tipo di fusibile che utilizza un materiale ceramico come contenitore e ha la funzione di proteggere i circuiti elettrici. Di seguito una descrizione dettagliata:
Struttura e Principio
Struttura di base: È principalmente composto da un tubo ceramico, cappucci metallici, un elemento fusibile e sabbia di quarzo. Il tubo ceramico offre resistenza alle alte temperature e isolamento elettrico. I cappucci metallici vengono utilizzati per il collegamento elettrico. L'elemento fusibile è la parte centrale che si fonde in caso di sovracorrente. La sabbia di quarzo all'interno del tubo è in grado di assorbire l'energia dell'arco e spegnere l'arco stesso.
Principio di funzionamento: Quando il circuito presenta un guasto di sovracorrente o cortocircuito, l'elemento fusibile genera calore a causa dell'aumento della corrente e si fonde. In questo momento, la sabbia di quarzo all'interno del tubo assorbe rapidamente l'energia dell'arco, estingue l'arco e avvolge la scoria metallica per prevenire schizzi, realizzando così un'interruzione sicura del circuito e proteggendo la sicurezza di apparecchiature e circuiti.
8. Connettore Ermetico in Ceramica
L'anello di tenuta si trova appena sotto il coperchio della batteria ed è utilizzato per creare una connessione sigillata e conduttiva tra il coperchio della batteria e il polo. Garantisce alla batteria un'ottima tenuta, prevenendo la fuoriuscita dell'elettrolita e fornendo un ambiente ermetico ideale per le reazioni interne alla batteria. Allo stesso tempo, può anche svolgere una funzione di decompressione e ammortizzazione quando il coperchio della batteria viene premuto, assicurando il corretto funzionamento dei componenti interni della batteria e garantendone la durata e la sicurezza.
Un connettore ceramico sigillato è un tipo di connettore che utilizza materiali ceramici come corpo principale per realizzare una connessione sigillata; questo garantisce l'isolamento elettrico e impedisce l'ingresso di sostanze esterne. Di seguito è riportata un'introduzione dettagliata:
Struttura e Principio
Struttura di base: È generalmente composta da un corpo ceramico, elettrodi metallici e componenti di tenuta. Il corpo ceramico garantisce resistenza al calore, isolamento e resistenza meccanica. Gli elettrodi metallici vengono utilizzati per il collegamento elettrico e sono saldamente collegati al corpo ceramico attraverso processi come metallizzazione e brasatura. I componenti di tenuta, come guarnizioni o sigillanti, vengono utilizzati per migliorare ulteriormente le prestazioni di tenuta, assicurando che il connettore possa mantenere un'adeguata tenuta in diversi ambienti.
Principio di funzionamento: Le caratteristiche proprie delle ceramiche, ad alta densità e bassa porosità, possono efficacemente bloccare il passaggio di gas e liquidi. Allo stesso tempo, grazie a un'accurata progettazione e lavorazione dell'interfaccia tra il corpo ceramico e gli elettrodi metallici, nonché all'utilizzo di materiali di sigillatura appropriati, si forma una guarnizione affidabile che impedisce l'ingresso di umidità, polvere e altre sostanze esterne all'interno del connettore, garantendo così il corretto funzionamento della connessione elettrica e la sicurezza e stabilità del circuito elettrico.
Caratteristiche
Resistenza al calore e isolamento: Le ceramiche presentano un'elevata resistenza al calore e possono operare stabilmente in ambienti ad alta temperatura. Allo stesso tempo, offrono ottime proprietà di isolamento ad alta tensione, prevenendo efficacemente il breakdown elettrico.
Elevata capacità di tenuta: Garantisce un'elevata qualità di sigillatura, prevenendo efficacemente l'ingresso di gas, liquidi e polvere, ed è adatto per ambienti difficili come quelli a vuoto, ad alta pressione e corrosivi.
Elevata resistenza meccanica: La ceramica possiede un'elevata durezza e resistenza meccanica, in grado di sopportare sollecitazioni e vibrazioni meccaniche, assicurando l'affidabilità del connettore durante l'utilizzo.
9. Riscaldatore Ceramico PTC
I riscaldatori PTC presentano i vantaggi di una bassa resistenza termica e di un'elevata efficienza di scambio termico; sono riscaldatori elettrici automatici, a temperatura costante e risparmio energetico. Una delle loro caratteristiche più evidenti riguarda la sicurezza: in qualsiasi situazione applicativa, non producono il fenomeno dell'arrossamento superficiale tipico dei riscaldatori a tubo elettrico, che può causare potenziali pericoli come scottature ed incendi.
Un riscaldatore ceramico PTC è un riscaldatore elettrico che utilizza un elemento riscaldante ceramico a coefficiente di temperatura positivo e genera calore attraverso il principio del riscaldamento resistivo. Ecco una descrizione dettagliata:
Principio di funzionamento
I riscaldatori ceramici PTC sono realizzati con materiali ceramici speciali. Quando viene applicata una tensione, la loro resistenza aumenta all’aumentare della temperatura. Quando la temperatura è inferiore al punto di Curie, la resistività è molto bassa e la velocità di riscaldamento è molto elevata. Una volta superata la temperatura del punto di Curie, la resistività aumenta improvvisamente, causando una riduzione della corrente fino a un valore stabile, raggiungendo così l’obiettivo di controllare automaticamente la temperatura e mantenerla costante.
10. Alloggiamento in Ceramica
Il nuovo alloggiamento ceramico per il confezionamento IGBT può realizzare la connessione e l’estrazione di tutte le unità dei chip IGBT.
"Ceramic Package Housing" si riferisce a un contenitore realizzato con materiali ad alte prestazioni utilizzato per il confezionamento di dispositivi elettronici. Ecco la descrizione pertinente:
Caratteristiche
Eccellenti proprietà fisiche: Possiede elevata resistenza, ottima resistenza al calore, resistenza alla corrosione, isolamento e conducibilità termica.
Superiore prestazione elettrica: Presenta una costante dielettrica elevata, bassa perdita dielettrica e alta resistenza dielettrica, che contribuiscono a migliorare la qualità della trasmissione del segnale e le prestazioni dei prodotti.
Efficiente gestione termica: La sua eccellente conducibilità termica e capacità di diffusione del calore permette di trasferire efficacemente il calore dal chip verso l'ambiente esterno, mantenendo la stabilità del chip.
Maggiore affidabilità: Mostra una migliore tolleranza in ambienti soggetti a vibrazioni e urti, garantendo che i prodotti confezionati possano rimanere stabili anche in condizioni ambientali difficili.
Materiali comuni
Ceramica all’ossido di alluminio: Il materiale ceramico più comunemente utilizzato, con una certa resistenza meccanica e proprietà isolanti, ma con una conducibilità termica relativamente bassa.
Ceramica a base di nitrato di alluminio: presenta un'elevata conducibilità termica, ottime proprietà dielettriche, un'elevata resistenza di isolamento elettrico, proprietà chimiche stabili e il suo coefficiente di espansione termica è ben compatibile con quello del silicio, rendendola un materiale ideale per il substrato nell'incapsulamento dei semiconduttori.
Ceramica a base di ossido di berillio: presenta un'elevatissima conducibilità termica, ma è tossica e ha costi di produzione elevati; è utilizzata principalmente in dispositivi elettronici militari e aerospaziali.
11. Sensore di pressione ceramico
Ha ottime caratteristiche come resistenza alla corrosione, resistenza agli urti e alta elasticità e può entrare in contatto diretto con la maggior parte dei mezzi. Allo stesso tempo, l'elevatissima stabilità termica della ceramica le permette di operare in un intervallo di temperatura compreso tra -40 °C e 150 °C, consentendole di essere ampiamente utilizzata in settori come l'automotive e il controllo dei processi industriali.
Un sensore di pressione ceramico è un dispositivo che utilizza le proprietà fisiche della ceramica per misurare la pressione. Di seguito è riportata un'introduzione dettagliata:
Principio di funzionamento
Funziona in base all'effetto piezoresistivo. La pressione viene applicata direttamente sulla superficie frontale della membrana ceramica, causando una minima deformazione. I resistori a spessore sono stampati sul retro della membrana ceramica e collegati in modo da formare un ponte di Wheatstone. A causa dell'effetto piezoresistivo dei resistori piezoresistivi, il ponte genera un segnale di tensione che è altamente lineare rispetto alla pressione ed è proporzionale alla tensione di eccitazione.
Struttura di Base
È principalmente composto da tre parti: un anello ceramico, una membrana ceramica e un coperchio ceramico. La membrana ceramica, come corpo elastico sensibile alla forza, è realizzata in ceramica Al₂O₃ al 95% mediante lavorazione fine. L'anello ceramico è formato mediante pressofusione a caldo e sinterizzazione ad alta temperatura. La membrana ceramica e l'anello ceramico vengono cotti insieme con pasta di vetro ad alta temperatura, attraverso tecnologia di stampa a spessore e di sinterizzazione termica, formando un corpo elastico a forma di tazza sensibile alla forza con periferia fissa. Il coperchio ceramico presenta una scanalatura circolare nella parte inferiore, creando un certo spazio con la membrana, in modo da evitare che la membrana si rompa a causa di una curvatura eccessiva durante il sovraccarico.
Caratteristiche
Alta Precisione e Stabilità: La ceramica ha un'elevata elasticità, resistenza alla corrosione, all'usura e agli urti e vibrazioni. L'intervallo di temperatura di funzionamento può variare da -40°C a 135°C, garantendo alta precisione e stabilità di misurazione. Il grado di isolamento elettrico è >2kV, il segnale di uscita è forte e la stabilità a lungo termine è buona.
Buona Resistenza alla Corrosione: La membrana ceramica può entrare direttamente in contatto con la maggior parte dei fluidi senza protezione aggiuntiva, offrendo vantaggi unici in applicazioni come refrigerazione, industria chimica e protezione ambientale.
Il sensore di pressione ceramico può essere utilizzato anche in altri settori industriali.
È ampiamente utilizzato nel controllo di processo, nel controllo ambientale, in apparecchiature idrauliche e pneumatiche, in valvole servocomandate e trasmissioni, nell'industria chimica, in strumenti medici e in molti altri campi.
12. Ceramiche Piezoelettriche per il Rilevamento della Pressione degli Pneumatici
Un collegamento elettrico viene stabilito tra le ceramiche piezoelettriche e il chip di monitoraggio della pressione degli pneumatici, in modo che le ceramiche piezoelettriche possano fornire energia al chip di monitoraggio della pressione degli pneumatici. In questo dispositivo di monitoraggio della pressione degli pneumatici, la variazione della pressione dell'aria all'interno dello pneumatico durante la guida del veicolo provoca la deformazione della membrana della pressione dell'aria, che a sua volta determina la deformazione delle ceramiche piezoelettriche. La corrente generata dalla deformazione delle ceramiche piezoelettriche viene utilizzata per alimentare il chip di monitoraggio della pressione degli pneumatici.
Le ceramiche piezoelettriche possono essere utilizzate nei sistemi di rilevamento della pressione degli pneumatici, sfruttando il loro effetto piezoelettrico unico (che converte la pressione meccanica in segnali elettrici) per monitorare la pressione degli pneumatici. Di seguito è riportata una panoramica concisa:
Principio di funzionamento
Quando uno pneumatico viene gonfiato, la pressione interna dell'aria esercita una forza meccanica sull'elemento ceramico piezoelettrico (tipicamente integrato nella valvola dello pneumatico o nel rivestimento interno).
La ceramica piezoelettrica genera una piccola carica elettrica proporzionale alla pressione applicata.
Questo segnale elettrico viene elaborato da un modulo sensore (amplificato, convertito in dati digitali) e trasmesso senza fili al sistema a bordo del veicolo, che mostra in tempo reale la pressione degli pneumatici.
13. Sensore di Accelerazione Piezoelettrico
Il sensore di accelerazione piezoelettrico funziona in base all'effetto piezoelettrico dei cristalli piezoelettrici. I sensori di accelerazione piezoelettrici vengono utilizzati anche in ambiti legati alla sicurezza, come gli airbag automobilistici, i sistemi antibloccaggio e i sistemi di controllo della trazione.
Nelle fasi di ricerca e sviluppo e di produzione dei veicoli a nuova energia, vengono sempre più utilizzati nuovi materiali e nuove tecnologie, rendendo così possibile soddisfare le esigenze delle persone in termini di leggerezza, basso costo, intelligenza, economicità e affidabilità. Per quanto riguarda l'impiego di nuovi materiali, i materiali ceramici, grazie alle loro molteplici proprietà eccellenti e uniche, quando applicati ai veicoli a nuova energia, hanno un significato positivo per ridurre il peso proprio del veicolo, migliorare l'efficienza del motore, ridurre il consumo di energia, aumentare la durata dei componenti soggetti a usura e migliorare le funzioni intelligenti dei veicoli a nuova energia.
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