في السنوات الأخيرة، حظيت أشباه الموصلات المركبة من كربيد السيليكون باهتمام واسع في الصناعة. ومع ذلك، ولأنه مادة عالية الأداء، لا يُشكل كربيد السيليكون سوى جزء صغير من الأجهزة الإلكترونية (الثنائيات، وأجهزة الطاقة). كما يمكن استخدامه كمواد كاشطة، ومواد قطع، ومواد إنشائية، ومواد بصرية، وحاملات محفزات، وغيرها. واليوم، نقدم بشكل رئيسي سيراميك كربيد السيليكون، الذي يتميز بمزايا الاستقرار الكيميائي، ومقاومة درجات الحرارة العالية، ومقاومة التآكل، والتوصيل الحراري العالي، وانخفاض معامل التمدد الحراري، وانخفاض الكثافة، والقوة الميكانيكية العالية. ويُستخدم على نطاق واسع في مجالات مثل الآلات الكيميائية، والطاقة وحماية البيئة، وأشباه الموصلات، والمعادن، والدفاع الوطني، والصناعات العسكرية.
كربيد السيليكون (SiC)يحتوي على السيليكون والكربون، وهو مركب هيكلي نموذجي متعدد الأنواع، يتضمن بشكل رئيسي شكلين بلوريين: α-SiC (نوع مستقر في درجات الحرارة العالية) وβ-SiC (نوع مستقر في درجات الحرارة المنخفضة). يوجد أكثر من 200 نوع متعدد الأنواع، من بينها 3C SiC من β-SiC، و2H SiC، و4H SiC، و6H SiC، و15R SiC من α-SiC.
الشكل هيكل SiC متعدد الأجسام
عند درجة حرارة أقل من 1600 درجة مئوية، يوجد كربيد السيليكون (SiC) على شكل β-SiC، ويمكن تحضيره من خليط بسيط من السيليكون والكربون عند درجة حرارة حوالي 1450 درجة مئوية. عندما تتجاوز درجة الحرارة 1600 درجة مئوية، يتحول كربيد السيليكون (SiC) ببطء إلى أشكال متعددة من كربيد السيليكون (SiC) ألفا. يُنتج كربيد السيليكون (SiC) 4H بسهولة عند درجة حرارة حوالي 2000 درجة مئوية؛ ويتطلب كل من كربيد السيليكون (SiC) 6H و15R درجات حرارة عالية تزيد عن 2100 درجة مئوية لسهولة تكوينه؛ ويبقى كربيد السيليكون (SiC) 6H مستقرًا للغاية حتى عند درجات حرارة تتجاوز 2200 درجة مئوية، مما يجعله مستخدمًا على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية.
كربيد السيليكون النقي بلورة شفافة عديمة اللون، بينما يمكن أن يكون كربيد السيليكون الصناعي عديم اللون، أو أصفر باهت، أو أخضر فاتح، أو أخضر داكن، أو أزرق فاتح، أو أزرق داكن، أو حتى أسود، مع مستويات شفافية متناقصة. تُصنف صناعة المواد الكاشطة كربيد السيليكون إلى نوعين بناءً على اللون: كربيد السيليكون الأسود وكربيد السيليكون الأخضر. يُصنف كربيد السيليكون عديم اللون إلى الأخضر الداكن على أنه كربيد سيليكون أخضر، بينما يُصنف كربيد السيليكون الأزرق الفاتح إلى الأسود على أنه كربيد سيليكون أسود. كربيد السيليكون الأسود وكربيد السيليكون الأخضر كلاهما بلورات سداسية ألفا SiC، ويُستخدم مسحوق كربيد السيليكون الأخضر الدقيق عمومًا كمادة خام في صناعة سيراميك كربيد السيليكون.
أداء سيراميك كربيد السيليكون المُحضر بعمليات مختلفة
مع ذلك، يعيب سيراميك كربيد السيليكون انخفاض مقاومته للكسر وارتفاع هشاشته. لذلك، في السنوات الأخيرة، ظهرت تباعًا أنواعٌ من السيراميك المُركّب المُصنّع من سيراميك كربيد السيليكون، مثل تقوية الألياف (أو الشعيرات)، وتقوية تشتت الجسيمات غير المتجانسة، والمواد الوظيفية المتدرجة، مما حسّن متانة وقوة كل مادة على حدة.
باعتبارها مادة سيراميكية هيكلية عالية الأداء وعالية الحرارة، تم تطبيق سيراميك كربيد السيليكون بشكل متزايد في أفران درجات الحرارة العالية، وعلم المعادن الفولاذية، والبتروكيماويات، والإلكترونيات الميكانيكية، والفضاء الجوي، والطاقة وحماية البيئة، والطاقة النووية، والسيارات وغيرها من المجالات.
من المتوقع أن يصل حجم سوق سيراميك كربيد السيليكون الهيكلي في الصين إلى 18.2 مليار يوان في عام 2022. ومع توسع مجالات التطبيق واحتياجات النمو اللاحقة، من المتوقع أن يصل حجم سوق سيراميك كربيد السيليكون الهيكلي إلى 29.6 مليار يوان بحلول عام 2025.
في المستقبل، مع زيادة معدل انتشار المركبات ذات الطاقة الجديدة، والطاقة، والصناعة، والاتصالات وغيرها من المجالات، فضلاً عن المتطلبات الصارمة بشكل متزايد للمكونات الميكانيكية أو المكونات الإلكترونية عالية الدقة، ومقاومة التآكل العالية، والموثوقية العالية في مختلف المجالات، من المتوقع أن يستمر حجم سوق منتجات سيراميك كربيد السيليكون في التوسع، ومن بينها المركبات ذات الطاقة الجديدة والطاقة الكهروضوئية كمجالات تطوير مهمة.
تُستخدم سيراميك كربيد السيليكون في أفران السيراميك نظرًا لخصائصها الميكانيكية الممتازة في درجات الحرارة العالية، ومقاومتها للحريق والصدمات الحرارية. ومن بينها، تُستخدم أفران الأسطوانات بشكل رئيسي في تجفيف وتلبيد ومعالجات حرارية لمواد الأقطاب الموجبة والسالبة لبطاريات الليثيوم أيون. تُعد مواد الأقطاب الموجبة والسالبة لبطاريات الليثيوم أساسية في مركبات الطاقة الجديدة. يُعدّ أثاث أفران سيراميك كربيد السيليكون مكونًا أساسيًا في الأفران، حيث يُحسّن من قدرتها الإنتاجية ويُقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة.
تُستخدم منتجات سيراميك كربيد السيليكون على نطاق واسع في مختلف مكونات السيارات. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم أجهزة كربيد السيليكون بشكل رئيسي في وحدات التحكم في الطاقة (PCUs)، مثل وحدات التيار المستمر/المستمر المدمجة، ووحدات الشحن (OBCs) في مركبات الطاقة الجديدة. تتميز أجهزة كربيد السيليكون بقدرتها على تقليل وزن وحجم معدات وحدة التحكم في الطاقة، وتقليل خسائر التبديل، وتحسين درجة حرارة التشغيل وكفاءة النظام. كما يُمكنها زيادة مستوى طاقة الوحدة، وتبسيط بنية الدائرة، وتحسين كثافة الطاقة، وزيادة سرعة الشحن أثناء شحن وحدات الشحن (OBCs). في الوقت الحالي، تستخدم العديد من شركات السيارات حول العالم كربيد السيليكون في طرازات متعددة، وأصبح اعتماده على نطاق واسع اتجاهًا رائجًا.
عند استخدام سيراميك كربيد السيليكون كمواد أساسية في عملية إنتاج الخلايا الكهروضوئية، تتميز المنتجات الناتجة، مثل دعائم القوارب وصناديقها وتجهيزات الأنابيب، بثبات حراري جيد، ولا تتشوه عند استخدامها في درجات حرارة عالية، ولا تُنتج ملوثات ضارة. ويمكنها أن تحل محل دعائم القوارب وصناديقها وتجهيزات الأنابيب المصنوعة من الكوارتز، وهي شائعة الاستخدام، وتتميز بمزايا كبيرة من حيث التكلفة.
بالإضافة إلى ذلك، تتسع آفاق سوق أجهزة الطاقة الكهروضوئية المصنوعة من كربيد السيليكون. تتميز مواد كربيد السيليكون بانخفاض خصائص المقاومة، وشحنة البوابة، وشحنة الاسترداد العكسي. يمكن استخدام موسفت كربيد السيليكون أو موسفت كربيد السيليكون مع عاكسات الطاقة الكهروضوئية SBD المصنوعة من كربيد السيليكون زيادة كفاءة التحويل من 96% إلى أكثر من 99%، وتقليل فقدان الطاقة بأكثر من 50%، وزيادة عمر دورة المعدات 50 مرة.
يعود تاريخ تصنيع سيراميك كربيد السيليكون إلى تسعينيات القرن التاسع عشر، حين كان يُستخدم بشكل رئيسي في مواد الطحن الميكانيكية والمواد المقاومة للحرارة. ومع تطور تكنولوجيا الإنتاج، انتشرت منتجات كربيد السيليكون عالية التقنية على نطاق واسع، وتولي دول العالم اهتمامًا متزايدًا لتصنيع السيراميك المتقدم. لم تعد هذه الدول تكتفي بإعداد سيراميك كربيد السيليكون التقليدي. تشهد شركات إنتاج السيراميك عالي التقنية نموًا متسارعًا، لا سيما في الدول المتقدمة حيث تتجلى هذه الظاهرة بشكل أكبر. من بين الشركات المصنعة الأجنبية بشكل رئيسي: سان جوبان، وثري إم، وسيرام تيك، وإيبيدين، وشونك، ومجموعة ناريتا، وشركة توتو، وكورز تيك، وكيوسيرا، وأزاك، وشركة اليابان جينكه للسيراميك المحدودة، وشركة اليابان سبيشيال للسيراميك المحدودة، وشركة آي بي إس للسيراميك، وغيرها.
كان تطور كربيد السيليكون في الصين متأخرًا نسبيًا مقارنةً بالدول المتقدمة مثل أوروبا وأمريكا. منذ بناء أول فرن صناعي لتصنيع كربيد السيليكون في مصنع عجلات الطحن الأول في يونيو 1951، بدأت الصين إنتاج كربيد السيليكون. يتركز المصنعون المحليون لسيراميك كربيد السيليكون بشكل رئيسي في مدينة ويفانغ بمقاطعة شاندونغ. ووفقًا للمتخصصين، يُعزى ذلك إلى مواجهة شركات تعدين الفحم المحلية للإفلاس وسعيها إلى التحول. وقد جلبت بعض الشركات معدات مناسبة من ألمانيا لبدء البحث عن كربيد السيليكون وإنتاجه.ZPC هي واحدة من أكبر الشركات المصنعة لكربيد السيليكون المتفاعل.
وقت النشر: 9 نوفمبر 2024