中國粉體網(wǎng)訊 全球碳減排行動深入，交通領(lǐng)域電氣化驅(qū)動新能源汽車數(shù)量高增，與此同時新型材料的出現(xiàn)為新能源汽車的推廣帶來了優(yōu)勢條件。金剛石作為具有獨特物理化學(xué)特性的新型材料，也將在新能源汽車領(lǐng)域上廣泛應(yīng)用與助力。
IGBT功率模塊下一代散熱材料——金剛石熱沉片
新能源車的電機(jī)驅(qū)動部分，最核心的元件就是IGBT。電動汽車用IGBT模塊的功率導(dǎo)電端子需要承載數(shù)百安培的大電流，對電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率有較高的要求，為大幅提高IGBT功率密度、散熱性能與長期可靠性，高效的散熱方案尤其重要。
金剛石相較于其他常見半導(dǎo)體材料的特性優(yōu)勢
金剛石材料的熱導(dǎo)率和電學(xué)特性優(yōu)勢十分顯著，沒有任何明顯短板，其熱導(dǎo)率可達(dá)2000W/m.k，是銅、銀的5倍，又是良好的絕緣體，這也使得金剛石器件擁有更高的功率處理能力，也意味著采用金剛石微波功率器件的電子系統(tǒng)有望擺脫龐大笨重的散熱模塊而實現(xiàn)輕量化、小型化。此外，在熱導(dǎo)率要求1000~2000W/（m.k）之間，金剛石是首選以及唯一可選熱沉材料，對于IGBT功率模塊的散熱問題，金剛石熱沉片的超高熱導(dǎo)率可以實現(xiàn)高效散熱。
金剛石熱沉片，來源：化合積電
金剛石刀具在汽車行業(yè)中的應(yīng)用增加
近年來，隨著汽車制造業(yè)大量應(yīng)用輕型材料，如鋁合金、復(fù)合材料等，而金剛石刀具（PCD）在上述材料加工中有明顯的優(yōu)勢。PCD刀具由聚晶金剛石刀尖和硬質(zhì)合金基體經(jīng)高溫高壓燒結(jié)而成。既能發(fā)揮金剛石高硬度、高導(dǎo)熱系數(shù)、低摩擦系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)、與金屬和非金屬親和力小、彈性模量高、無解理面、各向同性等眾多優(yōu)勢，又兼顧了硬質(zhì)合金的高強(qiáng)度。
PCD在各行業(yè)的應(yīng)用
在變速箱殼體的某些工序加工中，將原來采用的硬質(zhì)合金鏜刀改為金剛石刀具，刀具壽命甚至可提高到數(shù)萬件，其經(jīng)濟(jì)效益是非常明顯的。目前，新能源汽車中電機(jī)殼、軸類零件、電池盒、差速器等部件均需要金剛石工具加工。
金剛石量子傳感器可將電動汽車駕駛范圍擴(kuò)大10%
電動汽車的剩余行駛里程很難準(zhǔn)確預(yù)測，目前的電池電流傳感器無法準(zhǔn)確預(yù)測電量。因為電動汽車的電池電流最高可達(dá)數(shù)百安培，而平均電流僅為10安左右，而普通傳感器在保持?jǐn)?shù)百安培的動態(tài)范圍時，沒有幾十毫安的精度，所以充電狀態(tài)必須以大約10%的模糊估計，這使得電池使用效率低下。
東京工業(yè)大學(xué)研究人員提出了一個解決電動汽車低效的方案。在《科學(xué)報告》（Scientific Reports）上發(fā)表的研究中，該團(tuán)隊報告了一種基于金剛石量子傳感器的檢測技術(shù)，該技術(shù)可以在測量電動汽車大電流時，以1%的精確度估計電池電量。
利用金剛石制成的金剛石量子傳感器應(yīng)用于新能源汽車，電流測量范圍為±1,000 A，精度為10 mA，可以有效降低電動汽車的車載電池容量，并通過減輕重量等來改善功耗，將大大減少交通領(lǐng)域的CO2的排放量，助力全球節(jié)能減排綠色發(fā)展。
金剛石涂層
金剛石涂層是指金屬工具與金剛石薄膜的結(jié)合，隨著科技的發(fā)展，金剛石涂層技術(shù)不斷創(chuàng)新與完善，在汽車、航天、金屬零部件以及切削工具方面都得到有效的應(yīng)用。在汽車涂料中引入納米金剛石進(jìn)行增韌增強(qiáng)的改性，可明顯提高涂膜的抗沖擊性能。
金剛石為電動汽車提供動力
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）的科學(xué)家在《應(yīng)用物理快報》上發(fā)表了一項研究，提出利用鉆石作為超寬帶隙半導(dǎo)體來更有效地為電網(wǎng)、機(jī)車甚至電動汽車供電。
鉆石制成的電導(dǎo)開關(guān)（圖片來源：勞倫斯利佛莫爾國家實驗室）
該項研究也表明，此類鉆石開關(guān)可用于能源輸送系統(tǒng)，該團(tuán)隊展示了其能夠?qū)崿F(xiàn)兆瓦級的射頻發(fā)電裝置，只是需要優(yōu)化鉆石的高頻率響應(yīng)能力。
總之，金剛石在新能源汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用前景廣闊，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，其潛力將得到進(jìn)一步的釋放。那么，金剛石作為具有獨特物理化學(xué)特性的新型材料，在新能源汽車領(lǐng)域究竟有何助力？其發(fā)展前景到底如何？2023年9月12日，中國粉體網(wǎng)在合肥舉辦“第一屆電動車用陶瓷材料技術(shù)研討會”。 天鑒碳材料有限公司張洪濤董事長將帶來題為《金剛石在電動汽車領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用》的報告，屆時，張洪濤董事長將為大家一一解答，歡迎報名參會。
參考來源：
何云等：聚晶金剛石刀具的制造及應(yīng)用
付裕：氫終端和硅終端金剛石MOSFET研究
IEEE電氣電子工程師：逃不過的續(xù)航焦慮，如何解決電動汽車的“心病”?
蓋世汽車新能源
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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