氮化硅陶瓷軸承在電動汽車行業的應用
隨著國家環保要求的不斷提高，近年來電動汽車行業發展非常迅速。中國電動汽車產量在2021年達到213.2萬輛。相比較于2016年的41.8萬輛，短短5年增長5.1倍。
電動汽車與傳統燃油汽車較大的區別在于動力系統。燃油汽車系統中含有大量的活動部件，如齒輪、活塞、閥門和曲軸等，其工作原理主要是通過在內燃機中燃燒釋放出的能量產生動力，并由變速器實現驅動控制的。而電動汽車系統的主要工作原理是以車載電源為動力，用電機驅動并配以調速器進行速度控制。由于燃油系統中的活動部件多，因此引發磨損并導致車輛故障的部件就越多；相反，電動汽車系統中的活動部件較少，其較重要的活動部件是電機軸上使用的軸承球。因而，從這個角度考慮，電動汽車動力系統優于傳統燃油汽車系統。并且，對電動汽車而言，電機軸上的軸承質量直接決定著電動汽車的性能。
一般而言，電動汽車電機軸上的常規軸承球和滾動體是由鋼制成的。然而，還有一個更好的方案可供選擇，那就是陶瓷軸承，或者是將陶瓷球與鋼滾道結合在一起的混合陶瓷軸承，或者是純陶瓷軸承。特別值得一提的是，氮化硅（Si3N4）材料制成的陶瓷軸承會使得電動汽車行業錦上添花。
就氮化硅陶瓷軸承而言，擁有多年的制造經驗。在研制陶瓷軸承的過程中，研究人員精心配制氮化硅（Si3N4）粉末，并從材料包括顆粒的大小、密度、對稱性等方面的特點和性能入手進行仔細研究。加入一些化學粘合劑后，原先的氮化硅粉末即被制作成毛坯，再進行研磨、滾壓以及拋光。這些陶瓷球經歷一個被叫做“熱等靜壓（HIP）”的過程。該工序采用壓力和熱量相結合的方式進行。研究人員稱，這種工藝可以提高陶瓷軸承的硬度和韌性，并有助于防止頻繁滾動接觸中所產生的機械疲勞。
經歷“熱等靜壓”過程之后，陶瓷軸承即使在極端條件下也不容易出現碎裂、斷裂或失效等現象。這些陶瓷軸承被認為是“航空級別”的。事實上，陶瓷軸承的高強度與陶瓷材料本身的性質有著很大的關聯。與其他材料相比，陶瓷材料具有更為明顯的優勢, 比如輕量化、高速度、高剛性、高強度、抗腐蝕性、適宜真空環境等方面。
對于電動汽車而言，選擇陶瓷軸承主要是考慮以下幾方面的因素。
1. 輕量化
對電動汽車電機軸上的軸承而言，輕量化是特別受歡迎的。氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承，其重量輕于鋼制軸承；另外，其滾道的重量也不超過鋼制滾道重量的一半。因而，電動汽車工程師更偏愛氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承。
2. 高硬度&高強度
氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承不僅重量上比鋼制軸承更輕，而且硬度更高。其硬度是鋼制軸承的兩倍。經抽樣測試，氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承比鋼制軸承的硬度高出大約2/3，而且不容易受外界環境的干擾而出現變形的現象。從軸承壽命和軸承效率的角度而言，氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承是個很好的方向。
相比鋼制軸承，氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承中的球在軸承組件內產生更少的摩擦、更少的熱量，也就是說，磨損也會因此而減少，甚至不需要或極少需要潤滑劑。另外，氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承的使用使得滾道應力更小，機械工作溫度也更低。
4. 高耐熱性
氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承也具有耐熱性，能夠承受高溫。即使這些軸承在高達1000℃以上的溫度下運行，也不會由于溫度的過高而引發膨脹。這個耐高溫的特點恰恰是電動汽車運行所要求的。
5. 電絕緣性
對于電動汽車來說，氮化硅(Si3N4)陶瓷軸承另一個優點，也可以說是較大的一個優點，就是電絕緣性或者說抗電性。電流的存在會加速引發軸承的故障，因而軸承材料本身如果具有抗電性，就可以避免不必要的軸承故障。氮化硅具有極佳的抗電性。當電動汽車的高電壓牽引電機時，軸承內部的細小部件很容易受到高壓電流的影響，或者說由于電流的外泄而產生“電蝕”現象。鋼制材料的軸承如果想避免出現這種故障的話，通常采取的措施是，在鋼的表層涂上一層非導電材料。然而，這樣會增加工序的復雜性。
另外，考慮到所涂材料的純度及潔凈度等方面的影響，需要避免軸承可能會遭到污染的風險。如果軸承受到污染的話，也可能引發機械故障，因而鋼制軸承外涂絕緣涂層不應該成為電動汽車軸承的較佳選擇。電動汽車的重量和體積方面的要求需要更加輕便的裝備和更加簡易的工序。顯然，氮化硅材料的特性符合電動汽車對軸承的特殊要求。
6. 壽命長
與鋼制軸承相比，陶瓷軸承使用壽命更長。陶瓷軸承可以避免頻繁的更換鋼制軸承帶來的成本浪費和不必要的麻煩。對電動汽車而言，陶瓷軸承可以維持并延長車輛的使用壽命，進而獲得更長的行程。
綜上所述，氮化硅陶瓷軸承因其材料具有輕量化、高硬度、高強度、低摩擦、高耐熱性、電絕緣性以及壽命長等優勢，可以大力推動電動汽車行業穩固、長期、健康發展。
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