金剛石又一次閃耀著光芒，解除新能源汽車“心病”

轉(zhuǎn)自：Carbontech

隨著環(huán)保政策的不斷加強(qiáng)和技術(shù)水平的不斷提高，越來(lái)越多的人開(kāi)始選擇新能源汽車作為出行的代步工具。而金剛石作為具有獨(dú)特物理化學(xué)特性的新型材料，也將為新能源汽車的發(fā)展提供新的機(jī)遇。

金剛石相較于其他常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的特性優(yōu)勢(shì)

據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》近期報(bào)道，日本東京工業(yè)大學(xué)科學(xué)家研發(fā)的鉆石量子傳感器可將新能源汽車的續(xù)航里程增加約10%。該技術(shù)可精確測(cè)量?jī)?chǔ)存的電量，從而最大限度地提高車載電池的性能。

矢崎總業(yè)公司的目標(biāo)是，最早于2030年實(shí)現(xiàn)鉆石量子傳感器實(shí)用化，面向汽車制造商和零部件制造商供貨。雖然現(xiàn)在周邊設(shè)備較大，但通過(guò)使用小型半導(dǎo)體激光等，可將量子傳感器大小縮小到10立方厘米大小，成本也與以往的電流傳感器相當(dāng)。

在迅速發(fā)展的汽車領(lǐng)域，金剛石因杰出的特性，如高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、高機(jī)械強(qiáng)度等，使其在多個(gè)方面都能為新能源汽車的性能和可靠性帶來(lái)革命性的提升。

金剛石在新能源汽車中的應(yīng)用

1、金剛石熱沉片

功率半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)主要由兩個(gè)因素驅(qū)動(dòng)：導(dǎo)熱性（冷卻它們的路徑）和導(dǎo)電性（承載大電流的路徑）。而在新能源汽車的電子系統(tǒng)中，電力轉(zhuǎn)換和電池技術(shù)的效率直接影響到車輛的性能和續(xù)航里程，由于新能源汽車逐漸向高續(xù)航發(fā)展，動(dòng)力電池散熱量增加，那么高效的散熱管理是至關(guān)重要的。

雖然電氣路徑已經(jīng)研究多年，并取得了或多或少的成功，但熱路徑一直是主要挑戰(zhàn)。金剛石因其極高的熱導(dǎo)率和熱穩(wěn)定性而成為理想的熱沉材料。其熱導(dǎo)率可達(dá)2000W/m.k，是銅的5倍，是鋁的10倍，這意味著金剛石熱沉片的超高熱導(dǎo)率可以實(shí)現(xiàn)高效散熱，從而保護(hù)電池和其他關(guān)鍵部件免受高溫的影響，從而提高車輛的性能和續(xù)航能力。

2023年11 月7日，Diamond Foundry Inc.（“DF”）宣布已開(kāi)發(fā)出一款電動(dòng)汽車逆變器，利用其金剛石晶圓技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高效的電動(dòng)汽車。這種新的小型化水平是通過(guò)由金剛石晶圓與成熟的碳化硅芯片組成的智能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。

來(lái)源：DF官網(wǎng)

2、理想的刀具材料——金剛石

在近年來(lái)的汽車制造中，大量應(yīng)用輕型材料，金剛石刀具因其硬度、鋒利度和耐久性而受到青睞。

金剛石刀具（PCD）由聚晶金剛石刀尖和硬質(zhì)合金基體經(jīng)高溫高壓燒結(jié)而成，既能發(fā)揮金剛石高硬度、高導(dǎo)熱系數(shù)、低摩擦系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)、與金屬和非金屬親和力小、彈性模量高、無(wú)解理面、各向同性等眾多優(yōu)勢(shì)，又兼顧了硬質(zhì)合金的高強(qiáng)度，不僅提高了汽車零部件的質(zhì)量，還提高了加工效率，減少生產(chǎn)成本。目前新能源汽車中電機(jī)殼、軸類零件、電池盒、差速器等部件均需要金剛石工具加工。

PCD金剛石刀具

3、金剛石量子傳感器

長(zhǎng)期以來(lái)，鉆石憑借其相干氮-空位(NV)中心、可調(diào)節(jié)自旋、磁場(chǎng)敏感性以及在室溫下工作的能力，一直在量子傳感領(lǐng)域備受青睞。曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院教授劉曉兵在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，金剛石本身具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性和物理耐用性，是世界上硬度最高導(dǎo)熱性最好的材料，這也使得鉆石量子傳感器非常適合于惡劣環(huán)境長(zhǎng)期應(yīng)用。它們可以檢測(cè)到磁場(chǎng)、溫度和壓力的變化。在新能源汽車中，金剛石量子傳感器可以用于監(jiān)測(cè)車輛的運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)測(cè)車輛的安全隱患以及評(píng)估電池的性能等。

東京工業(yè)大學(xué)和汽車零件生產(chǎn)企業(yè)矢崎總業(yè)公司就是將目光投向鉆石量子傳感器。他們?cè)阢@石的部分結(jié)晶中設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)，使其具有在綠色激光照射下發(fā)出紅色熒光的性質(zhì)。根據(jù)內(nèi)部電子的量子狀態(tài)，熒光的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化。受周圍電流、磁力、溫度的影響，電子的量子狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，因此根據(jù)熒光強(qiáng)度就可計(jì)算出磁力。

4、金剛石涂層

金剛石涂層是一種硬度極高、耐磨性好、摩擦系數(shù)極低的涂層材料。它在汽車零部件上具有廣泛的應(yīng)用，如剎車片、離合器片和氣門等。這些涂層可以提高部件的耐磨性、抗沖擊性能和壽命，同時(shí)降低摩擦系數(shù)，從而減少能源消耗。金剛石涂層可以用于保護(hù)車輛的表面免受磨損和腐蝕，提高車輛的美觀度和使用壽命。此外，金剛石涂層還可以用于制造輕量化的車身結(jié)構(gòu)，提高車輛的能效和性能。

5、金剛石作為超寬帶隙半導(dǎo)體

金剛石的超寬帶隙、高熱導(dǎo)率、高電子遷移率和高擊穿場(chǎng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在新能源汽車中，可以作為電力轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存系統(tǒng)的理想材料。通過(guò)將金剛石制成電力電子器件，如二極管和晶體管，我們可以實(shí)現(xiàn)更高效、更耐用的電力轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存系統(tǒng)。這不僅可以為新能源汽車提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，還可以提高充電速度，延長(zhǎng)續(xù)航里程。此外，金剛石還可以用于制造光電器件和光電探測(cè)器等，提高車輛的智能化和安全性。

此外，OOKUMA計(jì)劃以核電站廢堆為契機(jī)量產(chǎn)金剛石半導(dǎo)體。圍繞金剛石半導(dǎo)體，豐田和電裝出資的企業(yè)、精密部件廠商O(píng)rbray（東京足立）、源自早稻田大學(xué)的初創(chuàng)企業(yè)、九州工業(yè)大學(xué)及佐賀大學(xué)也在推進(jìn)研究。

6、電池電極材料

在新能源汽車的電池技術(shù)中，金剛石因其優(yōu)異的導(dǎo)熱性和機(jī)械特性，被用作電極材料。金剛石電極能夠提高電池的充放電效率，延長(zhǎng)電池的使用壽命。

電動(dòng)汽車是Diamfab的優(yōu)先領(lǐng)域，公司最近申請(qǐng)了用于電動(dòng)汽車的全金剛石電容器的專利。當(dāng)被問(wèn)及細(xì)節(jié)時(shí)，Driche說(shuō)全金剛石電容器的想法是在一家工業(yè)電容器制造商表示正在尋找一種無(wú)源元件解決方案來(lái)保護(hù)二極管和晶體管等基于SiC和GaN的有源元件時(shí)出現(xiàn)的，因?yàn)橛性雌骷惺艿碾妷悍逯蹈哂谄涑惺苣芰Γǎ?500V）。

“金剛石的最大優(yōu)勢(shì)之一是它能夠在高溫下工作。因此，全金剛石電容器可以放置得更靠近其他組件--這對(duì)于傳統(tǒng)電容器來(lái)說(shuō)是不可能得，而且我們可以使用金剛石電容器減少寄生電感，”Driche說(shuō)。在這里，金剛石被用作絕緣體和導(dǎo)體。

7、燃料電池催化劑

金剛石的化學(xué)穩(wěn)定性高，能夠在高溫高壓環(huán)境下保持穩(wěn)定，因此在燃料電池中作為催化劑使用。它可以提高燃料的利用率，降低廢氣排放。

8、電機(jī)絕緣材料

金剛石具有優(yōu)異的電絕緣型性能，它的導(dǎo)電性遠(yuǎn)低于一般常見(jiàn)的絕緣材料（如橡膠等）。金剛石的電絕緣性能取決于其雜志含量和結(jié)構(gòu)缺陷。通常情況下，純度高的金剛石具有更好的電絕緣性能，因?yàn)檩^少的雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷降低了其導(dǎo)電性。金剛石的電絕緣性能使其在電子工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，可被用作電機(jī)內(nèi)部的絕緣材料，可以提高電極的效率和可靠性。

總的來(lái)說(shuō)，金剛石材料在新能源汽車領(lǐng)域的多重應(yīng)用將為其帶來(lái)更高的性能、可靠性和可持續(xù)性。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，金剛石將繼續(xù)在汽車行業(yè)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，推動(dòng)汽車科技的不斷前進(jìn)。

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