【原创】氮化铝在电动汽车领域绽放光芒——专访合肥工业大学魏鑫博士

中国粉体网讯  当前，汽车产业进入百年一遇的大变革时期，电动化浪潮下汽车的各大系统设计均发生了翻天覆地的变化。显而易见的是，先进陶瓷材料凭借独特性能优势正在加速“上车”。在此背景下，中国粉体网于9月12日在安徽合肥成功举办了“第一届电动汽车用陶瓷材料技术研讨会”，会议期间，我们有幸邀请到多位专家、企业界代表做客“对话”栏目，畅谈先进陶瓷材料在新能源汽车行业的应用与发展。本期，我们邀请到的是合肥工业大学的魏鑫博士。

粉体网：魏博士，目前工业上批量制备氮化铝粉体的主要工艺是哪种？该工艺有何优缺点？

魏博士：目前，工业上批量制备AlN粉体的主要方法有直接氮化法和碳热还原法。

直接氮化法的优点：原料来源广泛，成本较低，反应简单，合成温度较低，适合于大规模批量生产；但该方法缺点明显：由于Al的熔点仅为660℃，在800℃氮化过程中，Al粉易熔化团聚，阻碍Al粉与N₂的直接接触，降低反应转化率，需要球磨处理，再在1200℃下进行二次氮化，而合成粉体团聚明显，粉体粗化，粉体的品质降低。

碳热还原法的优点：原料来源广泛，成本低，制备AlN粉体品质高、杂质含量少、团聚较少、粒度细小均匀、性能稳定，有利于后续AlN陶瓷基板的成型和烧结。该法的缺点：由于Al₂O₃和碳黑粒度细小，增加了均匀混合的难度，且氮化温度较高，反应时间长，且过量的碳黑，还需脱碳处理，增加了粉体氧化的可能性。

粉体网：目前工业上氮化铝陶瓷的成型与烧结工艺有哪些？

魏博士：工业上，AlN陶瓷成型工艺主要有干压和流延。

干压成型的优点是效率高，可实现工业化、规模化，周期性短，产品强度高；但缺点也很明显，干压成型对模具要求较高，干压后得到的坯体强度较低，而且坯体厚度较大易导致坯体内部致密化程度不均匀，结构的均匀性低等。

流延成型具有速度快、自动化程度高、生产效率高、适宜工业生产、组织结构均匀、产品质量好等诸多优势，是目前工业上AlN陶瓷成型主流方法。

AlN通常难以烧结致密，必须通过添加适量的烧结助剂来降低烧结温度，实现烧结致密化。一般采用常压烧结工艺，在N气氛下1800℃保温一段时间，后在N气氛下进行高温热处理，以制备高性能AlN陶瓷。

粉体网：您如何看待3D打印在氮化铝等陶瓷行业的应用前景？

魏博士：3D打印技术可与陶瓷工艺相结合，缩短工艺周期，实现陶瓷的快速、稳定生产，在AlN等陶瓷行业的应用前景非常有潜力：

(1)制造具有复杂几何结构的AlN陶瓷零件;

(2)根据特定需求进行定制化生产;

(3)减少材料的产生，提高材料利用率，降低成本。

但3D打印的陶瓷浆料制备难度较大，陶瓷粉体与结合剂的比例、pH值、颗粒尺度和浆料的流变性等都对陶瓷制品的性能有着很大的影响。此外，AlN陶瓷本身具有高硬度和耐磨性，这使得3D打印和后续加工可能更加复杂。

总的来说，随着3D打印技术的不断进步和AlN陶瓷材料的发展，这两者之间的结合具有广阔的前景，可以用于多种高性能应用，但仍然需要进一步的研究和发展以解决潜在的技术挑战。

粉体网：目前氮化铝陶瓷在电动汽车领域的应用主要有哪些？您如何看待未来陶瓷材料在新能源汽车中的应用潜力？

魏博士：AlN陶瓷在电动汽车领域的应用主要涉及以下方面：

(1)电子器件：在电动汽车中，高功率电子器件（如IGBT模块）需要高性能的散热材料，以有效地散热并提高电子器件的寿命;

(2)发动机零部件：AlN陶瓷具有高耐磨性和高温稳定性，可用于制造电动汽车的发动机零部件，如活塞和气缸套，有助于提高发动机效率和减少摩擦损失，从而提高电动汽车的性能和续航里程。

(3)充电设备：AlN陶瓷可用于制造电动汽车充电设备的连接器和插头。这些部件需要具备高耐磨性和耐高温性能，以满足电动汽车充电时的要求。

(4)传感器应用：AlN陶瓷还可用于传感器应用，如温度传感器和压力传感器，以监测电动汽车的各种参数。

关于未来，陶瓷材料在新能源汽车中潜在的应用优势和应用方向：

(1)轻量化：陶瓷材料通常比金属更轻，这有助于减轻汽车的重量，提高能源利用率和续航里程；

(2)高温稳定性：陶瓷材料可以在高温环境下保持稳定性，对于电池、电子器件和发动机部件来说非常重要；

(3)电绝缘性：一些陶瓷材料具有优异的电绝缘性，这对于电池和电子器件的安全性能非常关键；

(4)耐腐蚀性：陶瓷材料通常对化学腐蚀具有较高的抵抗力，这有助于提高零部件的耐久性。

然而，陶瓷材料也面临一些挑战，如加工难度和脆性等。因此，未来的研究和技术发展将需要解决这些问题，以更广泛地应用陶瓷材料于新能源汽车制造中。

粉体网：近些年很多行业都在谈及国产化替代，氮化铝也是，无论是粉体也好、陶瓷制品也好，国内也是涌现出了不少先行企业。在这种背景下，您认为发展到目前为止，制约该行业发展的因素还有哪些？

魏博士：中国AlN行业的发展受到多种因素的制约：

(1)原材料供应：无论是生产AlN粉体的原料，还是制瓷用的高纯度的AlN粉末，其受国外供应影响较大，亟需国产化替代；

(2)高昂的生产成本：AlN的制备通常需要高温和高压条件，这会导致生产成本较高，降低生产成本对于推动行业的发展非常重要；

(3)技术创新：需要不断投资于研究和开发，以推动技术前进，以提高陶瓷材料性能、降低生产成本和扩展应用领域；

(4)国际竞争：国外AlN相关产品已经实现产业化、商业化，占据全球市场，中国AlN行业面临来自国际市场的竞争。

综合考虑这些因素，中国的AlN行业需要在技术创新、成本控制、市场多样化和可持续发展等方面不断努力，以克服制约因素，保持竞争力，并推动行业的发展。

（中国粉体网编辑整理/长安）

注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！