Trong những năm gần đây, hợp chất bán dẫn silicon carbide đã nhận được sự quan tâm rộng rãi trong ngành công nghiệp. Tuy nhiên, là một vật liệu hiệu suất cao, silicon carbide chỉ chiếm một phần nhỏ trong các thiết bị điện tử (điốt, thiết bị điện). Nó cũng có thể được sử dụng làm vật liệu mài mòn, vật liệu cắt gọt, vật liệu kết cấu, vật liệu quang học, chất mang xúc tác, v.v. Hôm nay, chúng tôi chủ yếu giới thiệu gốm silicon carbide, với những ưu điểm về độ ổn định hóa học, khả năng chịu nhiệt độ cao, chống mài mòn, chống ăn mòn, độ dẫn nhiệt cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, mật độ thấp và độ bền cơ học cao. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như máy móc hóa chất, năng lượng và bảo vệ môi trường, chất bán dẫn, luyện kim, quốc phòng và công nghiệp quân sự.
Silic cacbua (SiC)chứa silic và cacbon, là hợp chất cấu trúc đa dạng điển hình, chủ yếu bao gồm hai dạng tinh thể: α – SiC (loại ổn định ở nhiệt độ cao) và β – SiC (loại ổn định ở nhiệt độ thấp). Tổng cộng có hơn 200 loại đa dạng, trong đó SiC 3C của β – SiC và SiC 2H, SiC 4H, SiC 6H và SiC 15R của α – SiC là những ví dụ điển hình.
Hình Cấu trúc đa thân SiC
Khi nhiệt độ dưới 1600℃, SiC tồn tại ở dạng β – SiC và có thể được điều chế từ hỗn hợp đơn giản giữa silic và cacbon ở nhiệt độ khoảng 1450℃. Khi nhiệt độ vượt quá 1600℃, β – SiC chuyển hóa chậm thành nhiều dạng đa hình khác nhau của α – SiC. SiC 4H dễ dàng được tạo ra ở khoảng 2000℃; cả dạng đa hình 6H và 15R đều cần nhiệt độ cao trên 2100℃ để dễ hình thành; SiC 6H có thể duy trì độ ổn định rất cao ngay cả ở nhiệt độ trên 2200℃, do đó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp.
Silic cacbua nguyên chất là tinh thể không màu và trong suốt, trong khi silic cacbua công nghiệp có thể không màu, vàng nhạt, xanh lá cây nhạt, xanh lá cây đậm, xanh lam nhạt, xanh lam đậm, hoặc thậm chí đen, với độ trong suốt giảm dần. Ngành công nghiệp mài mòn phân loại silic cacbua thành hai loại dựa trên màu sắc: silic cacbua đen và silic cacbua xanh lá cây. Silic cacbua không màu đến xanh lá cây đậm được phân loại là silic cacbua xanh lá cây, trong khi silic cacbua từ xanh lam nhạt đến đen được phân loại là silic cacbua đen. Silic cacbua đen và silic cacbua xanh lá cây đều là tinh thể lục giác alpha SiC, và bột silic cacbua xanh lá cây thường được sử dụng làm nguyên liệu thô cho gốm silic cacbua.
Hiệu suất của gốm sứ silicon carbide được chế tạo bằng các quy trình khác nhau
Tuy nhiên, gốm silicon carbide có nhược điểm là độ bền gãy thấp và độ giòn cao. Do đó, trong những năm gần đây, gốm composite dựa trên gốm silicon carbide, chẳng hạn như vật liệu gia cường sợi (hoặc râu), gia cường phân tán hạt không đồng nhất và vật liệu chức năng gradient, đã lần lượt xuất hiện, cải thiện độ bền và độ bền của từng vật liệu.
Là vật liệu gốm cấu trúc chịu nhiệt hiệu suất cao, gốm silicon carbide ngày càng được ứng dụng nhiều trong các lò nung nhiệt độ cao, luyện kim thép, hóa dầu, điện tử cơ khí, hàng không vũ trụ, năng lượng và bảo vệ môi trường, năng lượng hạt nhân, ô tô và các lĩnh vực khác.
Năm 2022, quy mô thị trường gốm sứ kết cấu silicon carbide tại Trung Quốc dự kiến đạt 18,2 tỷ nhân dân tệ. Với sự mở rộng hơn nữa về lĩnh vực ứng dụng và nhu cầu tăng trưởng hạ nguồn, ước tính quy mô thị trường gốm sứ kết cấu silicon carbide sẽ đạt 29,6 tỷ nhân dân tệ vào năm 2025.
Trong tương lai, với tốc độ thâm nhập ngày càng tăng của các loại xe năng lượng mới, năng lượng, công nghiệp, truyền thông và các lĩnh vực khác, cũng như các yêu cầu ngày càng khắt khe đối với các linh kiện cơ khí hoặc linh kiện điện tử có độ chính xác cao, khả năng chống mài mòn cao và độ tin cậy cao trong nhiều lĩnh vực, quy mô thị trường sản phẩm gốm silicon carbide dự kiến sẽ tiếp tục mở rộng, trong đó xe năng lượng mới và quang điện là những lĩnh vực phát triển quan trọng.
Gốm silicon carbide được sử dụng trong lò nung gốm nhờ các đặc tính cơ học tuyệt vời ở nhiệt độ cao, khả năng chống cháy và chống sốc nhiệt. Trong số đó, lò nung con lăn chủ yếu được sử dụng để sấy khô, thiêu kết và xử lý nhiệt vật liệu điện cực dương, vật liệu điện cực âm và chất điện phân của pin lithium-ion. Vật liệu điện cực dương và âm của pin lithium là vật liệu không thể thiếu cho các phương tiện năng lượng mới. Nội thất lò nung gốm silicon carbide là một thành phần quan trọng của lò nung, có thể cải thiện năng suất lò nung và giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng.
Các sản phẩm gốm silicon carbide cũng được sử dụng rộng rãi trong nhiều linh kiện ô tô. Ngoài ra, các thiết bị SiC chủ yếu được sử dụng trong các PCU (bộ điều khiển công suất, chẳng hạn như DC/DC trên bo mạch) và OBC (bộ sạc) của xe năng lượng mới. Các thiết bị SiC có thể giảm trọng lượng và thể tích của thiết bị PCU, giảm tổn thất chuyển mạch, cải thiện nhiệt độ làm việc và hiệu suất hệ thống của thiết bị; nó cũng có thể tăng mức công suất của thiết bị, đơn giản hóa cấu trúc mạch, cải thiện mật độ công suất và tăng tốc độ sạc trong quá trình sạc OBC. Hiện nay, nhiều hãng xe trên thế giới đã sử dụng silicon carbide trong nhiều mẫu xe, và việc áp dụng silicon carbide trên quy mô lớn đã trở thành một xu hướng.
Khi gốm silicon carbide được sử dụng làm vật liệu mang chính trong quá trình sản xuất pin quang điện, các sản phẩm thu được như giá đỡ thuyền, hộp thuyền và phụ kiện đường ống có độ ổn định nhiệt tốt, không bị biến dạng khi sử dụng ở nhiệt độ cao và không thải ra các chất gây ô nhiễm độc hại. Chúng có thể thay thế giá đỡ thuyền, hộp thuyền và phụ kiện đường ống thạch anh thường được sử dụng, đồng thời có lợi thế đáng kể về chi phí.
Ngoài ra, triển vọng thị trường cho các thiết bị điện năng lượng mặt trời silicon carbide rất rộng mở. Vật liệu SiC có đặc tính điện trở, điện tích cổng và điện tích phục hồi ngược thấp hơn. Việc sử dụng Mosfet SiC hoặc Mosfet SiC kết hợp với bộ biến tần quang điện SiC SBD có thể tăng hiệu suất chuyển đổi từ 96% lên hơn 99%, giảm tổn thất năng lượng hơn 50% và tăng tuổi thọ thiết bị lên 50 lần.
Quá trình tổng hợp gốm silicon carbide có thể bắt nguồn từ những năm 1890, khi silicon carbide chủ yếu được sử dụng làm vật liệu mài cơ học và vật liệu chịu lửa. Với sự phát triển của công nghệ sản xuất, các sản phẩm SiC công nghệ cao đã được phát triển rộng rãi, và các quốc gia trên thế giới đang ngày càng chú trọng đến việc công nghiệp hóa gốm sứ tiên tiến. Họ không còn hài lòng với việc chế tạo gốm silicon carbide truyền thống. Các doanh nghiệp sản xuất gốm sứ công nghệ cao đang phát triển nhanh chóng hơn, đặc biệt là ở các nước phát triển, nơi hiện tượng này diễn ra mạnh mẽ hơn. Các nhà sản xuất nước ngoài chủ yếu bao gồm Saint Gobain, 3M, CeramTec, IBIDEN, Schunk, Narita Group, Toto Corporation, CoorsTek, Kyocera, Aszac, Japan Jingke Ceramics Co., Ltd., Japan Special Ceramics Co., Ltd., IPS Ceramics, v.v.
So với các nước phát triển như châu Âu và châu Mỹ, sự phát triển của silic cacbua ở Trung Quốc khá muộn. Kể từ khi lò công nghiệp sản xuất SiC đầu tiên được xây dựng tại Nhà máy Đá mài số 1 vào tháng 6 năm 1951, Trung Quốc đã bắt đầu sản xuất silic cacbua. Các nhà sản xuất gốm silic cacbua trong nước chủ yếu tập trung tại thành phố Duy Phường, tỉnh Sơn Đông. Theo các chuyên gia, nguyên nhân là do các doanh nghiệp khai thác than địa phương đang đối mặt với nguy cơ phá sản và tìm kiếm sự chuyển đổi. Một số công ty đã nhập khẩu thiết bị liên quan từ Đức để bắt đầu nghiên cứu và sản xuất silic cacbua.ZPC là một trong những nhà sản xuất lớn nhất về silicon carbide thiêu kết phản ứng.
Thời gian đăng: 09-11-2024