作为近年来最受关注的心材料领域之一，先进陶瓷是凭借着多项优异特性在社会中发挥着重要的作用。其中，氮化硅（Si₃N₄）因具有高抗弯强度、高断裂韧性、良好的蠕变性、高硬度和高耐磨性等优异特性，被誉为是结构陶瓷家族中综合性能最为优良的一类。

氮化硅陶瓷球（来源：国瓷金盛）

目前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在快速上升，氮化硅在其中也饰演着多个重要角色。今天要介绍的，就是它的两个重点应用方向——轴承用氮化硅陶瓷球以及高导热氮化硅基板。

一、氮化硅陶瓷球

轴承是一切旋转机械的灵魂，被称为机械工业的“芯片”。其主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动时的摩擦系数，并保证其回转精度。

氮化硅材料的密度大约为轴承钢的42%，弹性模量高达320GPa，抗拉强度1600MPa，抗压强度高达3600MPa，900℃以下力学性质几乎不变，因此是滚动轴承滚动体的理想材料之一。目前，以氮化硅球作为滚动体的轴承已是世界上研究最热门、性能最优异、应用最广泛的高端陶瓷轴承。

轴承示意图

新能源汽车中之所以需要使用氮化硅轴承，有以下几个原因：

①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；

②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小轴承放电产生的电腐蚀；

③要求轴承球表面更光滑，较少磨损。陶瓷球具有低密度、高硬度、耐摩擦等特点，适宜高速旋转工况，在高温强磁高真空等领域，陶瓷球具有不可替代性。

目前在新能源汽车领域，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。

奥迪ATA250电机剖面图

制备要点

制备超精密氮化硅陶瓷球，是制造超精密高端氮化硅球轴承的前提。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。但为保证氮化硅球的超精密大规模生产，还需注意以下几点：

①氮化硅球表面实现等概率磨削加工，亦即保证球面上每个质点都有相同的研磨概率；

②磨削效率具有自动尺寸选择性，亦即大球或者长轴方向自动实现优先磨削；

③研磨技术容易实现大规模工业化低成本生产。

二、高导热氮化硅基板

氮化硅陶瓷基板是由氮化硅粉体添加少量氧化物和稀土烧结而成的氮化硅陶瓷片，其综合性能优异可靠，主要采用活性金属钎焊覆铜AMB工艺，在高导热性、高机械强度、低膨胀系数、抗氧化性能、热腐蚀性能、低介电损耗、低摩擦系数等方面具有优异的性能。

氮化硅陶瓷基板

由于氮化硅陶瓷的理论热导率高达400W/(m.k)，热膨胀系数约为3.0x10^-6℃，与Si、SiC、GaAs等材料都有良好的匹配性，因此氮化硅基板的高强度和高导热性能完全满足高温、大功率、高散热、高可靠性的汽车电子功率器件模块封装要求。也有人认为，氮化硅陶瓷覆铜基板就是氧化铝陶瓷基板和氮化铝陶瓷基板升级产品。

应用上，目前氮化硅基板主要用于Si IGBT和SiC MOSFET的封装，具体如下：

①Si 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。

②SiC 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。

TOSHIBA高导热氮化硅基板

制备要点

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，业界一般通过以下方法改善陶瓷基板性能。

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。

其中优化烧结助剂一方面可以减少β-Si₃N₄晶粒中诸如空位、间隙原子、位错、取代原子等晶格缺陷，减少声子传播障碍；另一方面可以使晶界相结晶化或者减小晶界厚度，从而减小晶界热阻，被证明是提高氮化硅陶瓷热导率的简单易行的方法。

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