中国粉体网讯 近年来，新能源汽车产业作为一个体量快速增长、技术持续革新的战略新兴产业，对汽车陶瓷零部件的需求也在快速上升。氮化硅陶瓷凭借自身耐高温、耐腐蚀、耐磨性能和独特的电性能在新能源汽车零部件领域中很“吃香”！国内外企业纷纷下场布局：
▶力星股份：陶瓷球下半年将逐步进入批量化生产阶段；
▶国瓷金盛新厂开业，专注陶瓷轴承球生产研发；
▶SKF和中材高新氮化物深度合作，加速混合陶瓷球轴承的大规模应用;
▶金冠电气：开展陶瓷基板研发 进军新能源领域（大功率 IGBT用的高端氮化铝和氮化硅陶瓷基板(DBC、AMB）；
▶总投资8亿元！高端陶瓷材料制品项目开工建设（氮化硅陶瓷制品）；
▶为满足电动汽车需求，日本UBE计划将氮化硅产能提高约1.5倍；
▶东芝材料：再投70亿日元！扩产氮化硅球；
投资建设、扩大产能.....可见，氮化硅“上车”来势汹汹。
氮化硅陶瓷：电动汽车的两大应用方向
氮化硅陶瓷轴承
轴承，机械装备中重要的核心基础件，常被誉为机械装备中的“心脏”零部件。面对一般轴承要面对的“三大杀手”：异物、锈蚀、振动。氮化硅（Si3N4）陶瓷材料无疑是最佳选择。
氮化硅陶瓷球，来源：中材高新
新能源汽车的电机轴承相比传统轴承转速高，需要密度更低、相对更耐磨的材料，氮化硅陶瓷轴承中的球在轴承组件内产生更少的摩擦、更少的热量；由于电机的交变电流引起周围电磁场变化，需要更好的绝缘性减少轴承放电产生的电腐蚀，Si3N4作为天然的电绝缘体，在高频交流电环境下，陶瓷滚动体在轴承的内外圈之间起阻断作用。另外，Si3N4陶瓷的相对介电常数低，其电阻值很大，则此时陶瓷轴承仍是阻隔轴电流的有效工具。
电驱时代下，陶瓷轴承取代钢球轴承已经是一种趋势，如特斯拉采用的电机中输出轴是采用陶瓷轴承，采用NSK设计的混合陶瓷轴承，轴承滚珠采用50个氮化硅球组成；奥迪ATA250电机位于内部的2个转子轴承采用陶瓷材质制成。
在制备方面，制备高端陶瓷球一般需要同时实现三个关键技术指标，高精度、长疲劳寿命、好的表面质量。得益于“热等静压”高温高压烧结技术的不断发展和成熟，目前长疲劳寿命陶瓷球毛坯的氮化硅毛坯球的制备技术已取得突破。
目前高端陶瓷轴承产品生产仍以日本、欧美企业为主导，国际市场占有率、发展方向的引领力仍然被国外知名企业所控制。而我国在2015年中材高新氮化物陶瓷有限公司突破了热等静压氮化硅陶瓷球批量化制造技术，成为继美国库斯泰克、日本东芝之后第三家，也是国内首家形成批量化生产热等静压氮化硅陶瓷材料的企业，产品出口到瑞典斯凯孚、美国铁姆肯、德国GMN、西班牙福赛等地。
根据相关数据显示，近年来，受益于新能源汽车、风力发电行业发展速度加快，氮化硅陶瓷轴承球市场空间不断扩大。2022年全球氮化硅陶瓷轴承球市场规模达到6.6亿美元，同比增长8.9%。
高导热氮化硅基板
氮化硅陶瓷基板综合性能优异可靠，主要采用活性金属钎焊覆铜AMB工艺，氮化硅陶瓷基板在导热性、高机械强度、低膨胀系数、抗氧化性能、热腐蚀性能、摩擦系数等方面具有优异的性能。它的理论热导率高达400W/（m.k），热膨胀系数约为3.0x10-6℃，与Si、SiC、GaAs等材料具有良好的匹配性，使氮化硅陶瓷基板成为非常有吸引力的高强度、高导热性能，完全满足高温、大功率、高散热、高可靠性的第三代大功率半导体电子器件基板材料封装要求。
电动汽车中的功率控制模块
来源：李少鹏《新一代 IGBT 模块用高可靠氮化硅陶瓷覆铜基板研究进展》
在电动汽车领域，氮化硅陶瓷基板主要用于Si IGBT和SiC MOSFET的封装：
（1）Si IGBT
车用IGBT的散热效率要求比工业级要高得多，逆变器内温度极高，同时还要考虑强振动条件，车规级的IGBT性能要求远在工业级之上。因为氮化硅基板用于车用IGBT封装是再适合不过，可以适应高温高压的工作环境，及时散去电源系统中的高热量，保护芯片正常工作，延长电子设备的使用周期。
（2）SiC MOSFET
在新能源汽车的核心电机驱动中，采用SiC MOSFET器件比传统Si IGBT带来5%～10%续航提升，未来将会逐步取代Si IGBT。但SiC MOSFET芯片面积小，对散热要求高，氮化硅陶瓷基板具备优异的散热能力和高可靠性，几乎成为SiC MOSFET在新能源汽车领域主驱应用的必选项。目前已经量产的Tesla model 3中，就有大批量使用氮化硅陶瓷基板应对SiC MOSFET器件散热。
但目前，业界在同时满足力学性能和导热要求的氮化硅基板的生产上，依然存在技术难题。受限于陶瓷原料粉体的纯度，烧结助剂，残留气孔，烧结工艺控制控制等元素，当前商业上可获得的氮化硅陶瓷基板的热导率都远不如理论值。为了尽可能提高氮化硅基板热导率并维持相应的力学强度，业界一般通过：1）通过控制氮化硅晶粒中的氧含量和杂质含量；2）控制氮化硅原料粉体颗粒分布；在氮化硅粉末中添加β-Si3N4晶种；3）优化烧结助剂成分；4）使陶瓷晶界相再结晶等方法来提高氮化硅陶瓷的热导率。
2021年全球氮化硅陶瓷基板市场规模在4亿美元左右，在新能源汽车等终端市场需求推动下，中国已经成为全球重要的氮化硅陶瓷基板消费国，国内产品主要依赖进口，国内市场规模从2017年的0.27亿美元增长至2021年的1.20亿美元，GAGR为45.2%。随着IGBT和碳化硅MOS在新能源车领域的渗透率越来越高，市场空间有望进一步提升。
2017-2021年全球及中国氮化硅陶瓷基板市场规模(单位：亿美元)
在电动化浪潮的席卷下，氮化硅陶瓷材料已成为电动汽车轴承和散热基板的最优之选。在此背景下，中国粉体网将于2023年9月12日在合肥举办“第一届电动车用陶瓷材料技术研讨会”。届时，来自中材高新材料股份有限公司董事长张伟儒将带来题为《高端氮化硅陶瓷材料在电动车上应用进展》的报告，欢迎报名参会。
参考来源：
李少鹏：新一代 IGBT 模块用高可靠氮化硅陶瓷覆铜基板研究进展
新思界网：洞察]氮化硅陶瓷轴承球性能优异 我国高端产品国产化进程加快
中国粉体网：氮化硅，请“上车”!
中国粉体网：陶瓷基板的市场到底有多大？十亿？百亿？
（中国粉体网编辑整理/空青）
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