中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近年來(lái)，新能源汽車產(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)汽車陶瓷零部件的需求也在快速上升。氮化硅陶瓷憑借自身耐高溫、耐腐蝕、耐磨性能和獨(dú)特的電性能在新能源汽車零部件領(lǐng)域中很“吃香”！國(guó)內(nèi)外企業(yè)紛紛下場(chǎng)布局：
▶力星股份：陶瓷球下半年將逐步進(jìn)入批量化生產(chǎn)階段；
▶國(guó)瓷金盛新廠開業(yè)，專注陶瓷軸承球生產(chǎn)研發(fā)；
▶SKF和中材高新氮化物深度合作，加速混合陶瓷球軸承的大規(guī)模應(yīng)用;
▶金冠電氣：開展陶瓷基板研發(fā) 進(jìn)軍新能源領(lǐng)域（大功率 IGBT用的高端氮化鋁和氮化硅陶瓷基板(DBC、AMB）；
▶總投資8億元！高端陶瓷材料制品項(xiàng)目開工建設(shè)（氮化硅陶瓷制品）；
▶為滿足電動(dòng)汽車需求，日本UBE計(jì)劃將氮化硅產(chǎn)能提高約1.5倍；
▶東芝材料：再投70億日元！擴(kuò)產(chǎn)氮化硅球；
投資建設(shè)、擴(kuò)大產(chǎn)能.....可見，氮化硅“上車”來(lái)勢(shì)洶洶。
氮化硅陶瓷：電動(dòng)汽車的兩大應(yīng)用方向
氮化硅陶瓷軸承
軸承，機(jī)械裝備中重要的核心基礎(chǔ)件，常被譽(yù)為機(jī)械裝備中的“心臟”零部件。面對(duì)一般軸承要面對(duì)的“三大殺手”：異物、銹蝕、振動(dòng)。氮化硅（Si3N4）陶瓷材料無(wú)疑是最佳選擇。
氮化硅陶瓷球，來(lái)源：中材高新
新能源汽車的電機(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，氮化硅陶瓷軸承中的球在軸承組件內(nèi)產(chǎn)生更少的摩擦、更少的熱量；由于電機(jī)的交變電流引起周圍電磁場(chǎng)變化，需要更好的絕緣性減少軸承放電產(chǎn)生的電腐蝕，Si3N4作為天然的電絕緣體，在高頻交流電環(huán)境下，陶瓷滾動(dòng)體在軸承的內(nèi)外圈之間起阻斷作用。另外，Si3N4陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)低，其電阻值很大，則此時(shí)陶瓷軸承仍是阻隔軸電流的有效工具。
電驅(qū)時(shí)代下，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。
在制備方面，制備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。
目前高端陶瓷軸承產(chǎn)品生產(chǎn)仍以日本、歐美企業(yè)為主導(dǎo)，國(guó)際市場(chǎng)占有率、發(fā)展方向的引領(lǐng)力仍然被國(guó)外知名企業(yè)所控制。而我國(guó)在2015年中材高新氮化物陶瓷有限公司突破了熱等靜壓氮化硅陶瓷球批量化制造技術(shù)，成為繼美國(guó)庫(kù)斯泰克、日本東芝之后第三家，也是國(guó)內(nèi)首家形成批量化生產(chǎn)熱等靜壓氮化硅陶瓷材料的企業(yè)，產(chǎn)品出口到瑞典斯凱孚、美國(guó)鐵姆肯、德國(guó)GMN、西班牙福賽等地。
根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，近年來(lái)，受益于新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展速度加快，氮化硅陶瓷軸承球市場(chǎng)空間不斷擴(kuò)大。2022年全球氮化硅陶瓷軸承球市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到6.6億美元，同比增長(zhǎng)8.9%。
高導(dǎo)熱氮化硅基板
氮化硅陶瓷基板綜合性能優(yōu)異可靠，主要采用活性金屬釬焊覆銅AMB工藝，氮化硅陶瓷基板在導(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、摩擦系數(shù)等方面具有優(yōu)異的性能。它的理論熱導(dǎo)率高達(dá)400W/（m.k），熱膨脹系數(shù)約為3.0x10-6℃，與Si、SiC、GaAs等材料具有良好的匹配性，使氮化硅陶瓷基板成為非常有吸引力的高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性能，完全滿足高溫、大功率、高散熱、高可靠性的第三代大功率半導(dǎo)體電子器件基板材料封裝要求。
電動(dòng)汽車中的功率控制模塊
來(lái)源：李少鵬《新一代 IGBT 模塊用高可靠氮化硅陶瓷覆銅基板研究進(jìn)展》
在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，氮化硅陶瓷基板主要用于Si IGBT和SiC MOSFET的封裝：
（1）Si IGBT
車用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)榈杌逵糜谲囉肐GBT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。
（2）SiC MOSFET
在新能源汽車的核心電機(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。
但目前，業(yè)界在同時(shí)滿足力學(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)：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。
2021年全球氮化硅陶瓷基板市場(chǎng)規(guī)模在4億美元左右，在新能源汽車等終端市場(chǎng)需求推動(dòng)下，中國(guó)已經(jīng)成為全球重要的氮化硅陶瓷基板消費(fèi)國(guó)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模從2017年的0.27億美元增長(zhǎng)至2021年的1.20億美元，GAGR為45.2%。隨著IGBT和碳化硅MOS在新能源車領(lǐng)域的滲透率越來(lái)越高，市場(chǎng)空間有望進(jìn)一步提升。
2017-2021年全球及中國(guó)氮化硅陶瓷基板市場(chǎng)規(guī)模(單位：億美元)
在電動(dòng)化浪潮的席卷下，氮化硅陶瓷材料已成為電動(dòng)汽車軸承和散熱基板的最優(yōu)之選。在此背景下，中國(guó)粉體網(wǎng)將于2023年9月12日在合肥舉辦“第一屆電動(dòng)車用陶瓷材料技術(shù)研討會(huì)”。屆時(shí)，來(lái)自中材高新材料股份有限公司董事長(zhǎng)張偉儒將帶來(lái)題為《高端氮化硅陶瓷材料在電動(dòng)車上應(yīng)用進(jìn)展》的報(bào)告，歡迎報(bào)名參會(huì)。
參考來(lái)源：
李少鵬：新一代 IGBT 模塊用高可靠氮化硅陶瓷覆銅基板研究進(jìn)展
新思界網(wǎng)：洞察]氮化硅陶瓷軸承球性能優(yōu)異 我國(guó)高端產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程加快
中國(guó)粉體網(wǎng)：氮化硅，請(qǐng)“上車”!
中國(guó)粉體網(wǎng)：陶瓷基板的市場(chǎng)到底有多大？十億？百億？
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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