作為近年來最受關注的心材料領域之一，先進陶瓷是憑借著多項優異特性在社會中發揮著重要的作用。其中，氮化硅（Si₃N₄）因具有高抗彎強度、高斷裂韌性、良好的蠕變性、高硬度和高耐磨性等優異特性，被譽為是結構陶瓷家族中綜合性能最為優良的一類。

氮化硅陶瓷球（來源：國瓷金盛）

目前新能源汽車產業作為一個體量快速增長、技術持續革新的戰略新興產業，對汽車陶瓷零部件的需求在快速上升，氮化硅在其中也飾演著多個重要角色。今天要介紹的，就是它的兩個重點應用方向——軸承用氮化硅陶瓷球以及高導熱氮化硅基板。

一、氮化硅陶瓷球

軸承是一切旋轉機械的靈魂，被稱為機械工業的“芯片”。其主要功能是支撐機械旋轉體，降低其運動時的摩擦系數，并保證其回轉精度。

氮化硅材料的密度大約為軸承鋼的42%，彈性模量高達320GPa，抗拉強度1600MPa，抗壓強度高達3600MPa，900℃以下力學性質幾乎不變，因此是滾動軸承滾動體的理想材料之一。目前，以氮化硅球作為滾動體的軸承已是世界上研究最熱門、性能最優異、應用最廣泛的高端陶瓷軸承。

軸承示意圖

新能源汽車中之所以需要使用氮化硅軸承，有以下幾個原因：

①電機軸承相比傳統軸承轉速高，需要密度更低、相對更耐磨的材料；

②由于電機的交變電流引起周圍電磁場變化，需要更好的絕緣性減小軸承放電產生的電腐蝕；

③要求軸承球表面更光滑，較少磨損。陶瓷球具有低密度、高硬度、耐摩擦等特點，適宜高速旋轉工況，在高溫強磁高真空等領域，陶瓷球具有不可替代性。

目前在新能源汽車領域，陶瓷軸承取代鋼球軸承已經是一種趨勢——如特斯拉采用的電機中輸出軸是采用陶瓷軸承，采用NSK設計的混合陶瓷軸承，軸承滾珠采用50個氮化硅球組成；奧迪ATA250電機位于內部的2個轉子軸承采用陶瓷材質制成。

奧迪ATA250電機剖面圖

制備要點

制備超精密氮化硅陶瓷球，是制造超精密高端氮化硅球軸承的前提。高端陶瓷球一般需要同時實現三個關鍵技術指標，高精度、長疲勞壽命、好的表面質量。

得益于“熱等靜壓”高溫高壓燒結技術的不斷發展和成熟，目前長疲勞壽命陶瓷球毛坯的氮化硅毛坯球的制備技術已取得突破。但為保證氮化硅球的超精密大規模生產，還需注意以下幾點：

①氮化硅球表面實現等概率磨削加工，亦即保證球面上每個質點都有相同的研磨概率；

②磨削效率具有自動尺寸選擇性，亦即大球或者長軸方向自動實現優先磨削；

③研磨技術容易實現大規模工業化低成本生產。

二、高導熱氮化硅基板

氮化硅陶瓷基板是由氮化硅粉體添加少量氧化物和稀土燒結而成的氮化硅陶瓷片，其綜合性能優異可靠，主要采用活性金屬釬焊覆銅AMB工藝，在高導熱性、高機械強度、低膨脹系數、抗氧化性能、熱腐蝕性能、低介電損耗、低摩擦系數等方面具有優異的性能。

氮化硅陶瓷基板

由于氮化硅陶瓷的理論熱導率高達400W/(m.k)，熱膨脹系數約為3.0x10^-6℃，與Si、SiC、GaAs等材料都有良好的匹配性，因此氮化硅基板的高強度和高導熱性能完全滿足高溫、大功率、高散熱、高可靠性的汽車電子功率器件模塊封裝要求。也有人認為，氮化硅陶瓷覆銅基板就是氧化鋁陶瓷基板和氮化鋁陶瓷基板升級產品。

應用上，目前氮化硅基板主要用于Si IGBT和SiC MOSFET的封裝，具體如下：

①Si IGBT：車用IGBT的散熱效率要求比工業級要高得多，逆變器內溫度極高，同時還要考慮強振動條件，車規級的IGBT性能要求遠在工業級之上。因為氮化硅基板用于車用IGBT封裝是再適合不過，可以適應高溫高壓的工作環境，及時散去電源系統中的高熱量，保護芯片正常工作。延長電子設備的使用周期。

②SiC MOSFET：在新能源汽車的核心電機驅動中，采用SiC MOSFET器件比傳統Si IGBT帶來5%～10%續航提升，未來將會逐步取代Si IGBT。但SiC MOSFET芯片面積小，對散熱要求高，氮化硅陶瓷基板具備優異的散熱能力和高可靠性，幾乎成為SiC MOSFET在新能源汽車領域主驅應用的必選項。目前已經量產的Tesla model 3中，就有大批量使用氮化硅陶瓷基板應對SiC MOSFET器件散熱。

TOSHIBA高導熱氮化硅基板

制備要點

但目前，業界在同時滿足力學性能和導熱要求的氮化硅基板的生產上，依然存在技術難題。受限于陶瓷原料粉體的純度，燒結助劑，殘留氣孔，燒結工藝控制控制等元素，當前商業上可獲得的氮化硅陶瓷基板的熱導率都遠不如理論值。為了盡可能提高氮化硅基板熱導率并維持相應的力學強度，業界一般通過以下方法改善陶瓷基板性能。

①通過控制氮化硅晶粒中的氧含量和雜質含量；

②控制氮化硅原料粉體顆粒分布；在氮化硅粉末中添加β-Si3N4晶種；

③優化燒結助劑成分；

④使陶瓷晶界相再結晶等方法來提高氮化硅陶瓷的熱導率。

其中優化燒結助劑一方面可以減少β-Si₃N₄晶粒中諸如空位、間隙原子、位錯、取代原子等晶格缺陷，減少聲子傳播障礙；另一方面可以使晶界相結晶化或者減小晶界厚度，從而減小晶界熱阻，被證明是提高氮化硅陶瓷熱導率的簡單易行的方法。

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