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金刚石“入局”新能源汽车领域，创新应用在路上！

2023-09-14 09:32:23 0 1985

全球碳减排行动深入，交通领域电气化驱动新能源汽车数量高增，与此同时新型材料的出现为新能源汽车的推广带来了优势条件。金刚石作为具有独特物理化学特性的新型材料，也将在新能源汽车领域上广泛应用与助力。

IGBT功率模块下一代散热材料——金刚石热沉片

新能源车的电机驱动部分，最核心的元件就是IGBT。电动汽车用IGBT模块的功率导电端子需要承载数百安培的大电流，对电导率和热导率有较高的要求，为大幅提高IGBT功率密度、散热性能与长期可靠性，高效的散热方案尤其重要。

金刚石相较于其他常见半导体材料的特性优势

金刚石材料的热导率和电学特性优势十分显著，没有任何明显短板，其热导率可达2000W/m.k，是铜、银的5倍，又是良好的绝缘体，这也使得金刚石器件拥有更高的功率处理能力，也意味着采用金刚石微波功率器件的电子系统有望摆脱庞大笨重的散热模块而实现轻量化、小型化。此外，在热导率要求1000~2000W/（m.k）之间，金刚石是首选以及唯一可选热沉材料，对于IGBT功率模块的散热问题，金刚石热沉片的超高热导率可以实现高效散热。

金刚石热沉片，来源：化合积电

金刚石刀具在汽车行业中的应用增加

近年来，随着汽车制造业大量应用轻型材料，如铝合金、复合材料等，而金刚石刀具（PCD）在上述材料加工中有明显的优势。PCD刀具由聚晶金刚石刀尖和硬质合金基体经高温高压烧结而成。既能发挥金刚石高硬度、高导热系数、低摩擦系数、低热膨胀系数、与金属和非金属亲和力小、弹性模量高、无解理面、各向同性等众多优势，又兼顾了硬质合金的高强度。

PCD在各行业的应用

在变速箱壳体的某些工序加工中，将原来采用的硬质合金镗刀改为金刚石刀具，刀具寿命甚至可提高到数万件，其经济效益是非常明显的。目前，新能源汽车中电机壳、轴类零件、电池盒、差速器等部件均需要金刚石工具加工。

金刚石量子传感器可将电动汽车驾驶范围扩大10%

电动汽车的剩余行驶里程很难准确预测，目前的电池电流传感器无法准确预测电量。因为电动汽车的电池电流最高可达数百安培，而平均电流仅为10安左右，而普通传感器在保持数百安培的动态范围时，没有几十毫安的精度，所以充电状态必须以大约10%的模糊估计，这使得电池使用效率低下。

东京工业大学研究人员提出了一个解决电动汽车低效的方案。在《科学报告》（Scientific Reports）上发表的研究中，该团队报告了一种基于金刚石量子传感器的检测技术，该技术可以在测量电动汽车大电流时，以1%的精确度估计电池电量。

利用金刚石制成的金刚石量子传感器应用于新能源汽车，电流测量范围为±1,000 A，精度为10mA，可以有效降低电动汽车的车载电池容量，并通过减轻重量等来改善功耗，将大大减少交通领域的CO₂的排放量，助力全球节能减排绿色发展。

金刚石涂层

金刚石涂层是指金属工具与金刚石薄膜的结合，随着科技的发展，金刚石涂层技术不断创新与完善，在汽车、航天、金属零部件以及切削工具方面都得到有效的应用。在汽车涂料中引入纳米金刚石进行增韧增强的改性，可明显提高涂膜的抗冲击性能。

金刚石为电动汽车提供动力

劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）的科学家在《应用物理快报》上发表了一项研究，提出利用钻石作为超宽带隙半导体来更有效地为电网、机车甚至电动汽车供电。

钻石制成的电导开关（图片来源：劳伦斯利佛莫尔国家实验室）

该项研究也表明，此类钻石开关可用于能源输送系统，该团队展示了其能够实现兆瓦级的射频发电装置，只是需要优化钻石的高频率响应能力。

总之，金刚石在新能源汽车产业的应用前景广阔，随着相关技术的不断发展，其潜力将得到进一步的释放。

来源：材料委天津院