“智能化”是汽車行業(yè)的核心關(guān)鍵詞和主線：智能駕駛、智能座艙、智能網(wǎng)聯(lián)，已成為當(dāng)下汽車智能化的主要幾個(gè)部分。從當(dāng)下熱門的L2級(jí)自動(dòng)駕駛，再到未來(lái)的L4/L5高階自動(dòng)駕駛，智能化帶來(lái)的單車平均增量?jī)r(jià)值或數(shù)以萬(wàn)元計(jì)。

材料行業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)的基石，而在智能汽車產(chǎn)業(yè)中，各種先進(jìn)材料的應(yīng)用也是支撐起整個(gè)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。這里，我們就來(lái)了解一下汽車智能化進(jìn)程中占據(jù)越來(lái)越重要地位的材料——陶瓷材料。

一、陶瓷材料分類以及的性能優(yōu)勢(shì)

陶瓷材料是一個(gè)大類，是指用天然或合成化合物經(jīng)過(guò)成形和高溫?zé)Y(jié)制成的一類無(wú)機(jī)非金屬材料。它具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)中的主要是以高純、超細(xì)人工合成的無(wú)機(jī)化合物為原料，采用精密控制工藝燒結(jié)而制成的新型陶瓷材料。其成分主要為氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等。

目前常見(jiàn)于車載領(lǐng)域的陶瓷材料包括氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、二氧化鋯(ZrO2)、氧化鈹(BeO)、氧化鋁(A12O3)等，用于車上的結(jié)構(gòu)性組件與功能性組件，因此也被分為結(jié)構(gòu)陶瓷與功能陶瓷。

要了解一種材料，我們先來(lái)看看它在性能上的優(yōu)缺點(diǎn)：

1.性能優(yōu)勢(shì)

新型陶瓷材料是一種原子晶體材料，其結(jié)構(gòu)與金剛石也就是我們常說(shuō)的鉆石類似，因此其物理特性在某些方面也極為相似，比如說(shuō)高硬度。以下是對(duì)陶瓷材料性能優(yōu)勢(shì)的一個(gè)小結(jié)：

高硬度、尺寸精確：陶瓷材料一般具備極高的硬度/剛度，這種高硬度直接轉(zhuǎn)化為出色的耐磨性，這意味著許多技術(shù)陶瓷能夠比任何其他材料更長(zhǎng)時(shí)間地保持其精確、高公差的光潔度。

抗壓強(qiáng)度：新型陶瓷具有非常高的強(qiáng)度，但只有在壓縮時(shí)才會(huì)如此。例如，許多精密陶瓷材料可以承受 1000 至 4000 MPa 的極高載荷。另一方面，鈦被認(rèn)為是一種非常堅(jiān)固的金屬，其抗壓強(qiáng)度只有 1000 MPa。

低密度/輕量化：精密陶瓷的另一個(gè)共同特性是它們的低密度，從 2 到 6 g/cm3。這比不銹鋼 (8 g/cc)更輕。

高介電強(qiáng)度（絕緣性）：它們?cè)谄渌牧系臋C(jī)械和熱性能趨于退化的高溫應(yīng)用中特別有用。一些陶瓷具有低電損耗和高介電常數(shù)；這些通常用于電容器和諧振器等電子應(yīng)用中。此外，將絕緣體與結(jié)構(gòu)部件相結(jié)合產(chǎn)生了許多產(chǎn)品創(chuàng)新。

耐高溫性能：陶瓷材料是一種超高溫材料，其熔點(diǎn)溫度大都超過(guò)1500℃。目前在發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪機(jī)和軸承等高溫應(yīng)用中已經(jīng)有著部分案例。

導(dǎo)熱性和絕緣性能：不同類型的陶瓷材料的熱性能差異很大。有一些陶瓷（氮化鋁）具有高導(dǎo)熱性，通常在許多電氣應(yīng)用中用作散熱器或交換器。其他陶瓷的導(dǎo)熱性要低得多，使其適用于廣泛的應(yīng)用。

化學(xué)惰性、耐腐蝕性能：陶瓷材料的化學(xué)穩(wěn)定性非常好，化學(xué)溶解度低，因此具有很高的耐腐蝕性。金屬和聚合物無(wú)法提供相同的惰性或耐腐蝕性，這使得陶瓷在許多商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中成為極具吸引力的選擇，特別是在還需要耐磨性時(shí)。

2.陶瓷材料的缺點(diǎn)

在有著以上優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，陶瓷材料不可避免地也存在著一些難點(diǎn)；剪切和抗拉強(qiáng)度差，高脆性，延展性差；設(shè)計(jì)與加工難度大。

得益于陶瓷優(yōu)異的電氣性能、機(jī)械性能以及耐熱性，其在車規(guī)級(jí)的嚴(yán)苛要求中反而有著更為廣泛的應(yīng)用。比如說(shuō)用作各種電子元器件如電阻、電容、電感；由于導(dǎo)熱性優(yōu)異其可用于各種功率器件、傳感器芯片的陶瓷基板；此外，陶瓷還可以用在傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)、新能源鋰電池、剎車片、陶瓷閥片等。

二、陶瓷材料在汽車中的應(yīng)用

作為“電子產(chǎn)品”的智能汽車，更關(guān)注數(shù)據(jù)的采集、處理及通信。有別于傳統(tǒng)汽車，智能汽車決定產(chǎn)品間差異的不再只是機(jī)械部件，而是諸如傳感器、芯片、CAN總線這樣的電子部件。甚至許多用戶對(duì)電子部件的重視程度，已經(jīng)超越了對(duì)機(jī)械本身的關(guān)注。而在這些智能網(wǎng)聯(lián)與智能座艙設(shè)計(jì)的硬件中，陶瓷材料也是常見(jiàn)的基礎(chǔ)材料之一。

1、傳感器芯片封裝

人工智能的發(fā)展帶動(dòng)了汽車智能化發(fā)展，過(guò)去以CPU為核心的處理器越來(lái)越難以滿足處理視頻、圖片等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的需求，同時(shí)處理器也需要整合雷達(dá)、視頻等多路數(shù)據(jù)，這些都對(duì)車載處理器的并行計(jì)算效率提出更高要求，而GPU同時(shí)處理大量簡(jiǎn)單計(jì)算任務(wù)的特性在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域取代CPU成為了主流方案。

由于芯片集成度的提高，運(yùn)算數(shù)據(jù)的增大，芯片正逐漸由小功率向大功率方向發(fā)展，對(duì)散熱提出了更高的挑戰(zhàn)。陶瓷具有高導(dǎo)熱、高絕緣、且與芯片材料匹配的熱膨脹系數(shù)接近的優(yōu)勢(shì)，因此，目前車載攝像頭、毫米波雷達(dá)與激光雷達(dá)等產(chǎn)品的芯片封裝中陶瓷基板占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。

2、LED封裝

從汽車前大燈、尾燈、投影燈到車內(nèi)的氛圍燈、顯示屏背光，甚至目前業(yè)界非?；鸨腁R HUD中，LED都是主要的光源所在。隨著智能汽車的發(fā)展，LED在車內(nèi)將有著巨大的成長(zhǎng)空間。

LED的散熱會(huì)對(duì)LED芯片的效率、壽命、可靠性等產(chǎn)生重要影響，這就要求LED封裝具有良好的散熱能力。目前，LED散熱基板主要使用金屬與陶瓷基板。

陶瓷基板與傳統(tǒng)鋁基板相比，陶瓷基板反射率較高，有助于提高光效；且陶瓷基板的環(huán)境耐受度高，可應(yīng)用于高溫及高濕度環(huán)境，具備耐熱性、耐光線逆化，具有可靠性高，壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)；此外陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)較高，且屬于絕緣體，從而可以保證LED的熱流明維持率（95％），氧化鋁或氮化鋁基材尤其適合大功率LED使用。

3、IGBT封裝

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)新能源汽車發(fā)展迅速。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）被稱為電子電力行業(yè)的“CPU”，作為工業(yè)控制及自動(dòng)化領(lǐng)域的核心器件，IGBT 模塊在新能源汽車領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是新能源汽車電機(jī)控制器、車載空調(diào)、充電樁等設(shè)備的核心元器件。IGBT 約占新能源汽車電控系統(tǒng)成本的37%。

高壓大功率IGBT模塊所產(chǎn)生的熱量主要是通過(guò)陶瓷覆銅板傳導(dǎo)到外殼而散發(fā)出去的。陶瓷覆銅板具有高導(dǎo)熱性、高電絕緣性、高機(jī)械強(qiáng)度、低膨脹等特點(diǎn)，可保證模塊內(nèi)部的高壓對(duì)散熱器的絕緣安全，其良好的散熱性能，能夠?qū)⒐β势骷ぷ鲿r(shí)的熱量傳出去，有效降低模塊內(nèi)部溫度，提高可靠性。因此陶瓷覆銅板是電力電子領(lǐng)域功率模塊封裝的不可或缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。

陶瓷基板材料的性能是陶瓷覆銅板性能的決定因素。陶瓷基板材料有氧化鈹、氧化鋁、氮化鋁、氮化硅等，其中，AlN陶瓷的熱導(dǎo)率較高，在環(huán)境溫度較高的惡劣環(huán)境散熱效果較好。在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，功率系統(tǒng)的損耗非常大，AlN陶瓷材料受到了廣大設(shè)計(jì)者的青睞。

4、汽車電子-電子元器件

MLCC（片式多層陶瓷電容）被稱為“電子工業(yè)大米”，是全球用量最大的被動(dòng)電子元件之一，幾乎所有消費(fèi)電子都要用到MLCC元器件。與傳統(tǒng)車相比，電動(dòng)車的電子化水平有大幅提升，從新增的電控、電池管理系統(tǒng)，從影音娛樂(lè)系統(tǒng)到 ADAS 系統(tǒng)到完全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等等。汽車電子化水平的提升極大地促進(jìn)了車用 MLCC 的增長(zhǎng)。

按照中國(guó)電子元件行業(yè)報(bào)告數(shù)據(jù)，2020年全球MLCC市場(chǎng)出貨量約4.39萬(wàn)億只，其中汽車用MLCC數(shù)量約占10%，而金額則占到15%左右。隨著新能源汽車的持續(xù)滲透，以及智能化、物聯(lián)化發(fā)展，其中使用的電子元件也大幅增加，預(yù)計(jì)到2025 年全球汽車用 MLCC 需求量將達(dá)到4730億只， 五年平均增長(zhǎng)率約為 4.6%。除了此之外，陶瓷材料還在其電性能甚至特殊光學(xué)材料方面有著應(yīng)用。

5、觸覺(jué)反饋

功能性陶瓷材料中的壓電陶瓷還可以用在智能座艙的觸控反饋方案中。壓電陶瓷是一種重要的換能材料，其機(jī)電耦合性能優(yōu)良，在電子信息、機(jī)電換 能、自動(dòng)控制、微機(jī)電系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)儀器中廣泛應(yīng)用。

6、光學(xué)材料

透明陶瓷是指采用陶瓷工藝制備的具有一定透光性的多晶材料，又稱為光學(xué)陶瓷。與玻璃或樹脂類光學(xué)材料相比，透明陶瓷不僅具有與光學(xué)玻璃相仿的透光質(zhì)量，而且更強(qiáng)、更硬、更耐腐蝕、更耐高溫，可應(yīng)用于極端惡劣的工況，并且折射率可以變化，目前業(yè)界部分廠商已經(jīng)在嘗試采用透明陶瓷材料作為車載攝像頭鏡片、激光雷達(dá)窗口材料、激光光學(xué)器件等。