隨著環(huán)保政策的不斷加強(qiáng)和技術(shù)水平的不斷提高，越來越多的人開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。

       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)可精確測量儲存的電量，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：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”）宣布已開發(fā)出一款電動汽車逆變器，利用其金剛石晶圓技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高效的電動汽車。這種新的小型化水平是通過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。

       2、理想的刀具材料——金剛石

       在近年來的汽車制造中，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、無解理面、各向同性等眾多優(yōu)勢，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。

       3、金剛石量子傳感器

       長期以來，鉆石憑借其相干氮-空位(NV)中心、可調(diào)節(jié)自旋、磁場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報(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)境長期應(yīng)用。它們可以檢測到磁場、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)測車輛的運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)測車輛的安全隱患以及評估電池的性能等。

       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。他們在鉆石的部分結(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)換和儲存系統(tǒng)的理想材料。通過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Orbray（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，延長電池的使用壽命。

       電動汽車是Diamfab的優(yōu)先領(lǐng)域，公司最近申請了用于電動汽車的全金剛石電容器的專利。當(dāng)被問及細(xì)節(jié)時(shí)，Driche說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源元件解決方案來保護(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--這對于傳統(tǒng)電容器來說是不可能得，而且我們可以使用金剛石電容器減少寄生電感，”Driche說。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。

       總的來說，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，推動汽車科技的不斷前進(jìn)。