中国粉体网讯 作为一种应用极为广泛的无机材料，氧化铝在汽车上的应用相当普遍，一些新的应用场景正在被挖掘出来，同时，随着一些新材料的出现，氧化铝在某些应用场景已正在被淘汰出局。
IGBT封装基板
绝缘栅双极晶体管（IGBT）以输入阻抗高、开关速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等特点，成为当今功率半导体器件发展主流，被称为电力电子行业里的“CPU”。
IGBT是新能源汽车电机控制系统的核心器件，约占电机驱动系统成本的一半，而电机驱动系统占整车成本的15-20%，也就是说IGBT占整车成本的7-10%，是除电池之外成本第二高的元件，IGBT的质量很大一部分也决定了整车的能源效率。
由于 IGBT 输出功率高，发热量大，散热不良将损坏 IGBT 芯片，因此对 IGBT 封装而言，散热是关键，须尽可能的选用陶瓷基板强化散热。
陶瓷覆铜板是铜-陶瓷-铜“三明治”结构的复合材料，它具有陶瓷的散热性好、绝缘性高、机械强度高、热膨胀与芯片匹配的特性，又兼有无氧铜电流承载能力强、焊接和键合性能好、热导率高的特性，是IGBT模块的关键封装材料之一。
陶瓷覆铜基板根据陶瓷材料的不同分为氧化铝陶瓷覆铜板和氮化硅陶瓷覆铜板，而氧化铝陶瓷早已不是该应用场景中基片材料最佳选择，因为性能对比下氮化硅覆铜基板更为优秀，其最大特点是具有其他陶瓷基板所无可比拟的可靠性，即具有高强度、高导热的特性，结合活性金属焊接工艺后又具有高可靠性，使其成为高压大功率IGBT模块封装中最具有发展前景的材料。
因此，氮化硅覆铜基板已经成为 IGBT 模块封装的新宠，特别是在可靠性和小型化要求更高的电动汽车领域正逐步替代氧化铝。
LED车灯蓝宝石衬底
随着汽车技术的发展，汽车灯具由最原始白炽灯逐渐发展到卤素灯、氙气灯和LED灯。近几年来，LED技术在汽车照明系统中占有越来越重要的地位，从最初的汽车室内照明如仪表灯、背光照明、阅读灯等最基本的照明应用，逐渐发展到外部照明如远近灯、日间行车灯、转向灯、高位制动灯及组合尾灯等。2022年，受下游市场消费需求萎缩的影响，传统LED照明市场表现低迷，整体营收出现下滑，盈利能力减弱，但是车用LED市场因新能源汽车拉动逆势上扬。
图片来源：pexels
LED的原理是将电能转换成光能，当电流经过半导体时，空穴与电子相结合，多余的能量就以光能释放出来，最后产生发光照明的效果。LED芯片技术是以外延片为基础的，通过一层一层的气态材料沉淀到基底上面，基底材料主要包括硅衬底、碳化硅衬底和蓝宝石衬底三种，其中，蓝宝石衬底相比于其它两种衬底方式上具有很明显的优势，蓝宝石衬底的优势主要表现在器件稳定、制备技术成熟、不吸收可见光、透光率较好、价格适中等方面，有资料显示全球80%的LED企业釆用蓝宝石作为衬底材料。
蓝宝石生长过程中氧化铝的形态演变过程
用于制备蓝宝石需要用到高纯的氧化铝，且原料中的水分含量要求非常低，在超过2000℃高温熔化时，水的存在可导致钼坩埚氧化。随着汽车LED的发展，单晶蓝宝石的需求也日益增加，高纯氧化铝在该领域的市场前景较好。
导热材料——球形氧化铝
在新能源汽车市场爆发增长的同时，其关乎人身安全的热管理也受到了重视，在众多导热粉体材料中，综合其性能、技术成熟度、生产成本等，球形氧化铝凭借较高的导热性能、高填充系数、较好的流动性、成熟的工艺、丰富的规格以及相对合理的价格，成为导热粉体行业中高端导热领域最主流的导热粉体类别。
在新能源汽车中，电池、电控、电机以及动力电池模组散热均采用导热材料及导热胶等热界面材料，这给球形氧化铝导热材料带来了大量需求，据壹石通公告资料显示，单辆新能源汽车大概需要使用不低于10kg的球形氧化铝。
电池材料
涂覆隔膜
隔膜是锂电池的关键材料，用于分隔正、负极，防止电池内部短路，允许电解质离子自由通过，以完成电化学充放电过程。隔膜是锂离子电池材料中技术壁垒最高的部分，其成本占比仅次于正极材料，约为10%~14%，在一些高端电池中隔膜成本占比甚至达到20%。其性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环性能以及安全性能等，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。
锂电池隔膜，来源：恩捷股份
锂电池隔膜主要原材料聚乙烯和聚丙烯熔点相对低，热稳定性较差，其在一定温度下会发生明显的收缩甚至破裂，从而导致电池发生短路。隔膜表面单面或者双面进行涂覆可以显著提高高温稳定性，缓解隔膜热收缩造成的电池正负极接触、燃烧、爆炸的安全问题，经涂覆后隔膜厚度增加，隔膜的稳定性和寿命都有显著改善。在涂覆技术路线方面，涂覆材料主要包括无机物涂覆、有机物涂覆和功能性多层涂覆。无机涂覆材料中，目前勃姆石和氧化铝占据主要的市场，随着制备工艺日益成熟以及市场对勃姆石的日益认可，勃姆石在无机涂覆材料应用中的占比逐渐提升，氧化铝的市场空间正在被逐渐压缩。
电极添加材料
图片来源：宝宏科技
目前，虽然钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、磷酸铁锂（LiFePO4）、三元材料（Li-Ni-Co-Mn-O）是4种已经商业化的锂离子电池正极材料，但是它们在安全性、循环性能、容量保持等方面存在一定的缺陷。
为了提高正极材料的稳定性，研究学者采用不同的改性方法，如掺杂（Mo、Mg）、表面包覆[金属氧化物(Al2O3、ZnO）、氟化物(AlF3)]以及两种方式共用（Cr掺杂和Li3PO4包覆、Al掺杂和LiAlO2包覆）等。其中表面包覆对正极材料的改性被认为是最为有效的方法。
在众多包覆材料中，Al2O3因其来源广和价格低廉，并且能有效提升正极材料的电化学性能而被广泛使用。
尾气净化用氧化铝载体
在使用燃油车时，会产生大量的尾气污染物，CO2、CO、NO、NO2、Pb、SO2、未燃碳氢化合物HC及颗粒物(包括铅化合物、碳黑颗粒和油雾等)。即便是新能源汽车也并不是都能实现零排放，如混合动力汽车和增程式电动车，它们在使用过程中也会排放尾气，部分车辆在出厂时都会被强制要求安装三元催化器，通过内置的净化剂来发生反应，生成无害气体。
图片来源：Pixabay
活性氧化铝（主晶相为γ－Al2O3）具有丰富的孔道，并相互连通，具有较大的孔容积和比表面积，其微孔表面具备催化作用所要求的特性，如吸附性能、干燥性能、表面活性及良好的耐磨损、耐高温和抗氧化等，且其可塑性好，可以制成圆筒形、球形、蜂窝形等，所以在国内外被广泛用作石油炼制催化剂、汽车尾气净化催化剂、加氢及加氢脱硫催化剂等的载体。
小结
除以上应用外，氧化铝凭借出色的高温和介电性能，还可以用来制作内燃机火花塞，良好的耐磨性还可保证制作的活塞能够加工到相当高的精度和粗糙度，可以说氧化铝在汽车中的应用极其广泛。同时我们也应该看到，随着一些新材料的出现，它们在某些应用上正在逐渐取代氧化铝，如氮化硅陶瓷基板在IGBT模块封装中将成为主流，勃姆石在锂电涂覆隔膜方面的风头已经完全盖过了氧化铝。尽管如此，氧化铝作为种用途最广的陶瓷材料之一在汽车工业中至今仍发挥着重要作用。
参考来源：
[1]杨培善等.汽车 LED 灯具发展及关键技术分析
[2]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
[3]中国粉体网、粉体大数据研究
（中国粉体网编辑整理/山川）
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