Application des céramiques avancées aux véhicules à énergies nouvelles
Dans le secteur des véhicules à énergies nouvelles, l'utilisation de matériaux de pointe est essentielle. Cet article explore le rôle croissant des céramiques dans l'intelligence embarquée de ces véhicules.
Dans les moteurs de base des véhicules à énergies nouvelles, l'utilisation de transistors MOSFET en carbure de silicium (SiC) offre un gain de 5 à 10 % par rapport aux IGBT en silicium traditionnels et devrait progressivement les remplacer. Cependant, les puces MOSFET en SiC présentent une surface réduite et des exigences élevées en matière de dissipation thermique. Le stratifié céramique-cuivre est un matériau composite à structure sandwich cuivre-céramique-cuivre. Il se caractérise par une bonne dissipation thermique, une isolation élevée, une résistance mécanique élevée, une dilatation thermique compatible avec celle des puces, ainsi qu'une forte capacité de transport de courant, une bonne soudabilité et une conductivité thermique élevée grâce au cuivre sans oxygène. Il est devenu un choix quasi incontournable pour les MOSFET en SiC dans le domaine des véhicules à énergies nouvelles. Les substrats en céramique de nitrure de silicium offrent une excellente dissipation thermique et une grande fiabilité, ce qui en fait un matériau d'encapsulation clé pour les modules MOSFET en SiC.
Substrat en nitrure de silicium
Relais céramiques
La technologie de commande électronique est un indicateur important du niveau de développement des nouveaux véhicules électriques à faible consommation d'énergie, et les relais céramiques haute tension à courant continu sont des composants essentiels des systèmes de commande électronique. Dans un relais à vide haute tension à courant continu, l'isolant en céramique glisse entre l'ensemble de contacts mobiles et la tige d'entraînement dans une chambre à vide scellée par du métal et de la céramique, assurant une bonne isolation électrique entre les contacts mobiles et fixes, quel que soit leur état (conducteur ou déconnecté). Ce relais maintient un circuit magnétique grâce aux plaques magnétiques du culasse et aux noyaux de fer, etc., et garantit sa capacité d'extinction d'arc lors de la commutation de charges haute tension à courant continu. L'arc électrique est une cause majeure d'incendie dans les véhicules. Seuls les relais permettant une connexion et une déconnexion sans arc électrique peuvent fondamentalement résoudre le problème de l'incendie.
Boîtier en céramique du relais
Fusibles en céramique
Les fusibles sont des dispositifs utilisés pour protéger les circuits contre les surintensités. En fonctionnement, le fusible est inséré en série dans le circuit et le courant de charge le traverse. En cas de court-circuit ou de surcharge, l'effet thermique de la surintensité provoque la fusion et la vaporisation de l'élément fusible, créant un intervalle qui produit un arc électrique. Le fusible coupe le circuit défectueux en éteignant cet arc, protégeant ainsi le circuit.
Les fusibles automobiles se divisent en deux catégories : basse tension et haute tension. La protection haute tension est principalement destinée aux véhicules à énergies nouvelles. La tension appliquée est généralement de 60 V CC à 1 500 V CC, et sert principalement à protéger les circuits principaux et auxiliaires des fusibles de puissance (fusibles haute tension pour véhicules à énergies nouvelles). Avec la fin des subventions sur le marché des véhicules à énergies nouvelles et la demande croissante des particuliers qui stimule le développement de la haute tension, les exigences de sécurité dans les zones à haute tension, telles que la recharge rapide, les moteurs et les dispositifs de puissance, sont devenues incontournables. La stabilité et la rapidité de coupure des fusibles continueront de progresser rapidement avec l’essor du marché des véhicules à énergies nouvelles.
Fusibles en céramique
Condensateurs céramiques multicouches (MLCC)
Les condensateurs céramiques multicouches (MLCC) sont considérés comme les incontournables de l'industrie électronique et figurent parmi les composants électroniques passifs les plus utilisés au monde. Presque tous les appareils électroniques grand public nécessitent l'utilisation de MLCC. Comparé aux véhicules traditionnels, le niveau d'électrification des véhicules électriques a considérablement augmenté. De l'ajout de systèmes électroniques de contrôle et de gestion de la batterie aux systèmes audio et de divertissement, en passant par les systèmes ADAS et les systèmes de conduite entièrement autonome, l'électrification croissante des véhicules a fortement stimulé la croissance du marché des MLCC automobiles.
Condensateurs céramiques multicouches
L'utilisation de roulements en céramique dans les véhicules à énergies nouvelles est devenue une tendance majeure. Ces véhicules imposent des exigences accrues aux roulements automobiles. Premièrement, comparés aux roulements traditionnels, les roulements de moteur fonctionnent à des vitesses de rotation plus élevées et nécessitent des matériaux moins denses et présentant une meilleure résistance à l'usure. Deuxièmement, en raison des variations du champ électromagnétique induites par le courant alternatif dans le moteur, une meilleure isolation est indispensable pour limiter la corrosion des roulements due aux décharges électriques. Troisièmement, la surface des billes doit être plus lisse et présenter une usure minimale. Les billes en céramique possèdent des caractéristiques telles qu'une faible densité, une dureté élevée et une excellente résistance à l'usure, ce qui les rend parfaitement adaptées à la rotation à grande vitesse dans des environnements à haute température, à fort champ magnétique et sous vide poussé. Elles sont irremplaçables dans ces domaines.
Les moteurs Tesla utilisent des paliers en céramique pour leurs arbres de sortie, plus précisément des paliers hybrides en céramique conçus par NSK, comportant 50 billes en nitrure de silicium. Le moteur ATA250 d'Audi utilise également des paliers en céramique pour ses deux paliers de rotor internes.
Roulements en céramique
Disques de frein en carbone-céramique
Le matériau composite carbone-céramique (C/C-SiC) est un nouveau type de matériau pour plaquettes de frein, développé à partir de composites carbone/carbone. Il utilise un feutre aiguilleté en fibres de carbone tridimensionnelles comme structure de renforcement et est obtenu par dépôt de carbone, de SiC et de silicium résiduel. Ce matériau combine les propriétés physiques de la fibre de carbone et du carbure de silicium polycristallin et présente des caractéristiques telles qu'une grande stabilité thermique, une conductivité thermique élevée et une chaleur spécifique élevée. De plus, les freins en carbone-céramique sont légers et résistants à l'usure. Ils prolongent la durée de vie des disques de frein et éliminent les problèmes liés à la charge. Selon les recherches, une paire de disques de frein en carbone-céramique permet de réduire le poids du système de suspension d'un véhicule de 20 kg par rapport à des disques de frein en fonte de même dimension, ce qui peut augmenter l'autonomie des véhicules électriques d'environ 50 km. Dans le contexte de l'électrification, de l'intelligence artificielle et du développement de technologies haut de gamme dans le secteur des véhicules à énergies nouvelles, les systèmes de freinage en carbone-céramique peuvent améliorer significativement la réactivité du véhicule, réduire la distance de freinage et devraient devenir la solution optimale pour le freinage en ligne droite. Ils peuvent être considérés comme des composants légers clés pour les futurs véhicules électriques.
Disques de frein en céramique
Connecteurs d'étanchéité de batterie en céramique
Les connecteurs d'étanchéité en céramique pour batteries sont un composant essentiel des véhicules électriques à énergie nouvelle. Ils servent à assurer l'étanchéité et la conductivité des connexions entre le couvercle de la batterie et les électrodes.
Les céramiques possèdent une isolation électrique et une résistance mécanique supérieures, ce qui explique leur utilisation de plus en plus fréquente dans l'industrie électronique comme composants d'étanchéité. Ces dernières années, les principaux fabricants de batteries ont progressivement remplacé les joints en plastique classiques par des joints en céramique, améliorant ainsi considérablement la sécurité.
Connecteurs d'étanchéité de batterie
Séparateurs de batterie en céramique
Les membranes en polyoléfine sont actuellement les plus utilisées, mais leur stabilité thermique est relativement faible. Les points de fusion du polypropylène (PP) et du polyéthylène (PE) sont respectivement de 165 °C et 135 °C, ce qui peut engendrer des problèmes de sécurité potentiels. En effet, à haute température, la membrane peut se rétracter ou fondre, provoquant des courts-circuits internes, des incendies, voire des explosions. Pour pallier ce problème, diverses méthodes ont été mises en œuvre afin d'améliorer la stabilité thermique des membranes. Le dépôt d'une couche de particules céramiques inorganiques sur les membranes en PP ou en PE est considéré comme la méthode la plus efficace et la plus économique. Les matériaux céramiques offrent une résistance élevée à la chaleur, tandis que les adhésifs assurent l'adhérence nécessaire au maintien de l'intégrité structurelle du revêtement et de l'ensemble de la membrane composite. D'une part, cette membrane revêtue de céramique améliore efficacement la sécurité des batteries lithium-ion en prévenant les courts-circuits à haute température grâce à une meilleure stabilité thermique. D'autre part, elle présente de bonnes propriétés de mouillage et de rétention des électrolytes et des matériaux d'électrodes positives/négatives, ce qui améliore considérablement les performances et la durée de vie de la batterie. Les matériaux céramiques couramment utilisés comprennent l'alumine alpha, la boehmite, le SiO2, le CeO2, le MgAl2O4, le ZrO et le TiO2.
Céramique revêtement couche
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