تُعد شركة ZPC واحدة من الشركات الكبرى الرئيسية في الصين التي تنتج كربيد السيليكون المتلبد بالتفاعل

في السنوات الأخيرة، حظيت أشباه الموصلات المركبة من كربيد السيليكون باهتمام واسع في الصناعة. ومع ذلك، لا يزال كربيد السيليكون، كمادة عالية الأداء، يشكل جزءًا صغيرًا فقط من الأجهزة الإلكترونية (الثنائيات، أجهزة الطاقة). ويمكن استخدامه أيضًا كمواد كاشطة، ومواد قطع، ومواد إنشائية، ومواد بصرية، وحوامل للمحفزات، وغيرها. اليوم، نركز بشكل أساسي على سيراميك كربيد السيليكون، الذي يتميز بثباته الكيميائي، ومقاومته العالية لدرجات الحرارة، ومقاومته للتآكل، ومقاومته للتآكل الكيميائي، وموصليته الحرارية العالية، ومعامل تمدده الحراري المنخفض، وكثافته المنخفضة، وقوته الميكانيكية العالية. ويُستخدم على نطاق واسع في مجالات مثل الآلات الكيميائية، والطاقة وحماية البيئة، وأشباه الموصلات، وعلم المعادن، والدفاع الوطني، والصناعات العسكرية.

كربيد السيليكون (SiC)يحتوي على السيليكون والكربون، وهو مركب نموذجي متعدد الأشكال، يتضمن بشكل أساسي شكلين بلوريين: α-SiC (النوع المستقر عند درجات الحرارة العالية) وβ-SiC (النوع المستقر عند درجات الحرارة المنخفضة). يوجد أكثر من 200 نوع متعدد الأشكال، من بينها 3C SiC من β-SiC، و2H SiC، و4H SiC، و6H SiC، و15R SiC من α-SiC، وهي أمثلة نموذجية.

الشكل: بنية متعددة الأجسام من كربيد السيليكون
عندما تكون درجة الحرارة أقل من 1600 درجة مئوية، يوجد كربيد السيليكون (SiC) على شكل β-SiC، ويمكن تحضيره من خليط بسيط من السيليكون والكربون عند حوالي 1450 درجة مئوية. وعندما تتجاوز درجة الحرارة 1600 درجة مئوية، يتحول β-SiC ببطء إلى أشكال متعددة من α-SiC. يتولد 4H-SiC بسهولة عند حوالي 2000 درجة مئوية؛ بينما يتطلب كل من الشكلين 6H و15R درجات حرارة عالية تتجاوز 2100 درجة مئوية لتكوينهما بسهولة؛ ويظل 6H-SiC مستقرًا للغاية حتى عند درجات حرارة تتجاوز 2200 درجة مئوية، مما يجعله واسع الاستخدام في التطبيقات الصناعية.
كربيد السيليكون النقي عبارة عن بلورة عديمة اللون وشفافة، بينما قد 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 تناقص مستويات الشفافية. يصنف قطاع 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. كلا النوعين، كربيد السيليكون الأسود والأخضر، عبارة عن بلورات سداسية من نوع ألفا SiC، ويُستخدم مسحوق كربيد السيليكون الأخضر الدقيق عادةً كمادة خام لصناعة سيراميك كربيد السيليكون.
أداء سيراميك كربيد السيليكون المُحضر بعمليات مختلفة

مع ذلك، تعاني خزفيات كربيد السيليكون من عيب انخفاض مقاومتها للكسر وهشاشتها العالية. لذا، ظهرت في السنوات الأخيرة خزفيات مركبة تعتمد على خزفيات كربيد السيليكون، مثل تلك المدعمة بالألياف (أو الشعيرات)، والمعززة بتشتيت الجسيمات غير المتجانسة، والمواد الوظيفية المتدرجة، مما أدى إلى تحسين متانة وقوة المواد الفردية.
باعتبارها مادة سيراميكية هيكلية عالية الأداء تتحمل درجات الحرارة العالية، فقد تم تطبيق سيراميك كربيد السيليكون بشكل متزايد في الأفران ذات درجات الحرارة العالية، وصناعة الصلب، والبتروكيماويات، والإلكترونيات الميكانيكية، والفضاء، والطاقة وحماية البيئة، والطاقة النووية، والسيارات، وغيرها من المجالات.

من المتوقع أن يصل حجم سوق السيراميك الإنشائي المصنوع من كربيد السيليكون في الصين إلى 18.2 مليار يوان بحلول عام 2022. ومع التوسع المستمر في مجالات التطبيق واحتياجات النمو في القطاعات اللاحقة، تشير التقديرات إلى أن حجم هذا السوق سيصل إلى 29.6 مليار يوان بحلول عام 2025.

في المستقبل، ومع تزايد معدل انتشار مركبات الطاقة الجديدة، والطاقة، والصناعة، والاتصالات، وغيرها من المجالات، فضلاً عن المتطلبات المتزايدة الصرامة للمكونات الميكانيكية أو الإلكترونية عالية الدقة، ومقاومة التآكل العالية، والموثوقية العالية في مختلف المجالات، من المتوقع أن يستمر حجم سوق منتجات السيراميك المصنوعة من كربيد السيليكون في التوسع، ومن بينها مركبات الطاقة الجديدة والخلايا الكهروضوئية التي تعد من مجالات التطوير المهمة.
تُستخدم خزفيات كربيد السيليكون في أفران السيراميك نظرًا لخصائصها الميكانيكية الممتازة عند درجات الحرارة العالية، ومقاومتها للحريق والصدمات الحرارية. وتُستخدم أفران الأسطوانات بشكل أساسي لتجفيف وتلبيد ومعالجة مواد الأقطاب الموجبة والسالبة لبطاريات الليثيوم أيون، بالإضافة إلى الإلكتروليتات. وتُعدّ مواد الأقطاب الموجبة والسالبة لبطاريات الليثيوم ضرورية لمركبات الطاقة الجديدة. وتُشكّل تجهيزات أفران سيراميك كربيد السيليكون عنصرًا أساسيًا فيها، حيث تُساهم في تحسين الطاقة الإنتاجية للأفران وخفض استهلاك الطاقة بشكل ملحوظ.
تُستخدم منتجات السيراميك المصنوعة من كربيد السيليكون على نطاق واسع في مكونات السيارات المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم أجهزة كربيد السيليكون بشكل أساسي في وحدات التحكم بالطاقة (مثل محولات التيار المستمر/المستمر المدمجة) ووحدات الشحن في سيارات الطاقة الجديدة. تُسهم أجهزة كربيد السيليكون في تقليل وزن وحجم وحدات التحكم بالطاقة، وخفض فقد الطاقة في المفاتيح، 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. في الوقت الحالي، تستخدم العديد من شركات السيارات حول العالم كربيد السيليكون في طرازات متعددة، وقد أصبح اعتماده على نطاق واسع اتجاهًا سائدًا.
عند استخدام سيراميك كربيد السيليكون كمواد حاملة رئيسية في عملية إنتاج الخلايا الكهروضوئية، تتميز المنتجات الناتجة، مثل دعامات القوارب وصناديقها ووصلات الأنابيب، بثبات حراري جيد، ولا تتشوه عند استخدامها في درجات حرارة عالية، ولا تُنتج ملوثات ضارة. ويمكنها أن تحل محل دعامات القوارب وصناديقها ووصلات الأنابيب المصنوعة من الكوارتز الشائعة الاستخدام، مع توفير كبير في التكاليف.
إضافةً إلى ذلك، تتمتع أجهزة الطاقة الكهروضوئية المصنوعة من كربيد السيليكون بآفاق سوقية واسعة. تتميز مواد كربيد السيليكون بانخفاض مقاومة التشغيل، وشحنة البوابة، وخصائص شحنة الاسترداد العكسي. ويمكن استخدام ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون، أو ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون مع محولات الطاقة الكهروضوئية المصنوعة من ثنائي شوتكي من كربيد السيليكون، لزيادة كفاءة التحويل من 96% إلى أكثر من 99%، وتقليل فقد الطاقة بأكثر من 50%، وزيادة عمر دورة تشغيل الجهاز بمقدار 50 ضعفًا.
يعود تاريخ تصنيع سيراميك كربيد السيليكون إلى تسعينيات القرن التاسع عشر، حين كان يُستخدم كربيد السيليكون بشكل أساسي في مواد الطحن الميكانيكي والمواد المقاومة للحرارة. ومع تطور تقنيات الإنتاج، انتشرت منتجات كربيد السيليكون عالية التقنية على نطاق واسع، وأصبحت دول العالم تُولي اهتمامًا متزايدًا لتصنيع السيراميك المتقدم. ولم تعد هذه الدول راضية عن طرق تحضير سيراميك كربيد السيليكون التقليدية. وتشهد الشركات المُصنّعة للسيراميك عالي التقنية نموًا متسارعًا، لا سيما في الدول المتقدمة حيث تبرز هذه الظاهرة بشكل أكبر. ومن أبرز الشركات الأجنبية المُصنّعة: سان غوبان، و3M، وسيرامتك، وإيبيدن، وشونك، ومجموعة ناريتا، وشركة توتو، وكورستك، وكيوسيرا، وأزاك، وشركة جابان جينغكي للسيراميك المحدودة، وشركة جابان سبيشال سيراميك المحدودة، وشركة آي بي إس سيراميك، وغيرها.
كان تطوير كربيد السيليكون في الصين متأخرًا نسبيًا مقارنةً بالدول المتقدمة كأوروبا وأمريكا. فمنذ بناء أول فرن صناعي لتصنيع كربيد السيليكون في مصنع عجلات الطحن الأول في يونيو 1951، بدأت الصين بإنتاج كربيد السيليكون. ويتركز المصنعون المحليون لسيراميك كربيد السيليكون بشكل رئيسي في مدينة ويفانغ بمقاطعة شاندونغ. ويعزو المختصون ذلك إلى مواجهة شركات تعدين الفحم المحلية للإفلاس وسعيها إلى التحول. وقد استوردت بعض الشركات معدات متخصصة من ألمانيا لبدء البحث والتطوير وإنتاج كربيد السيليكون.تُعد شركة ZPC واحدة من أكبر الشركات المصنعة لكربيد السيليكون المتلبد بالتفاعل.