През последните години, полупроводниците на базата на силициев карбид получиха широко внимание в индустрията. Въпреки това, като високопроизводителен материал, силициевият карбид е само малка част от електронните устройства (диоди, силови устройства). Той може да се използва и като абразиви, режещи материали, конструкционни материали, оптични материали, носители на катализатори и други. Днес ние предлагаме основно силициево-карбидна керамика, която има предимствата на химическа стабилност, устойчивост на висока температура, износоустойчивост, устойчивост на корозия, висока топлопроводимост, нисък коефициент на термично разширение, ниска плътност и висока механична якост. Те се използват широко в области като химическо машиностроене, енергетика и опазване на околната среда, полупроводници, металургия, национална отбрана и военна промишленост.
Силициев карбид (SiC)Съдържа силиций и въглерод и е типично многотипно структурно съединение, включващо главно две кристални форми: α-SiC (високотемпературно стабилен тип) и β-SiC (нискотемпературно стабилен тип). Общо има повече от 200 многотипни структури, сред които 3C SiC на β-SiC и 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC и 15R SiC на α-SiC са представителни.
Фигура SiC многотялова структура
Когато температурата е под 1600 ℃, SiC съществува под формата на β-SiC и може да се получи от проста смес от силиций и въглерод при около 1450 ℃. Когато температурата надвиши 1600 ℃, β-SiC бавно се трансформира в различни полиморфи на α-SiC. 4H SiC се генерира лесно при около 2000 ℃; както 6H, така и 15R полиморфите изискват високи температури над 2100 ℃ за лесно образуване; 6H SiC може да остане много стабилен дори при температури над 2200 ℃, което го прави широко използван в промишлени приложения.
Чистият силициев карбид е безцветен и прозрачен кристал, докато индустриалният силициев карбид може да бъде безцветен, бледожълт, светлозелен, тъмнозелен, светлосин, тъмносин или дори черен, с намаляващи нива на прозрачност. Абразивната индустрия категоризира силициевия карбид в два вида въз основа на цвета: черен силициев карбид и зелен силициев карбид. Безцветният до тъмнозелен силициев карбид се класифицира като зелен силициев карбид, докато светлосиният до черен силициев карбид се класифицира като черен силициев карбид. Черният силициев карбид и зеленият силициев карбид са хексагонални кристали алфа-SiC, а зеленият микропрах от силициев карбид обикновено се използва като суровина за силициево-карбидната керамика.
Характеристики на силициево-карбидна керамика, приготвена чрез различни процеси
Силициево-карбидната керамика обаче има недостатъка на ниска жилавост на счупване и висока крехкост. Поради това през последните години последователно се появиха композитни керамични материали на базата на силициево-карбидна керамика, като например армировка с влакна (или нишки), укрепване с хетерогенна дисперсия на частици и градиентно функционални материали, които подобряват жилавостта и здравината на отделните материали.
Като високоефективен структурен керамичен материал за висока температура, силициево-карбидната керамика се прилага все по-често във високотемпературни пещи, металургия на стомана, нефтохимикали, механична електроника, аерокосмическа промишленост, енергетика и опазване на околната среда, ядрена енергетика, автомобили и други области.
Очаква се през 2022 г. пазарният размер на силициево-карбидната структурна керамика в Китай да достигне 18,2 милиарда юана. С по-нататъшното разширяване на областите на приложение и нуждите от растеж надолу по веригата, се очаква пазарният размер на силициево-карбидната структурна керамика да достигне 29,6 милиарда юана до 2025 г.
В бъдеще, с нарастващата степен на проникване на превозни средства с нова енергия, енергетика, промишленост, комуникации и други области, както и с все по-строгите изисквания за високо прецизни, износоустойчиви и надеждни механични или електронни компоненти в различни области, се очаква пазарният размер на силициево-карбидните керамични продукти да продължи да се разширява, сред които превозните средства с нова енергия и фотоволтаиката са важни области на развитие.
Силициево-карбидната керамика се използва в керамичните пещи поради отличните си механични свойства при високи температури, огнеустойчивост и устойчивост на термични удари. Сред тях, ролковите пещи се използват главно за сушене, синтероване и термична обработка на материали за положителни електроди, материали за отрицателни електроди и електролити на литиево-йонни батерии. Материалите за положителни и отрицателни електроди на литиеви батерии са незаменими за превозни средства с нова енергия. Силициево-карбидната керамична обзавеждане на пещите е ключов компонент на пещите, който може да подобри производствения капацитет на пещите и значително да намали консумацията на енергия.
Керамичните продукти от силициев карбид се използват широко и в различни автомобилни компоненти. Освен това, SiC устройствата се използват главно в PCU (блокове за управление на захранването, като например бордови DC/DC) и OBC (зарядни устройства) на превозни средства с нова енергия. SiC устройствата могат да намалят теглото и обема на PCU оборудването, да намалят загубите от превключване и да подобрят работната температура и системната ефективност на устройствата; също така е възможно да се увеличи нивото на мощност на устройството, да се опрости структурата на веригата, да се подобри плътността на мощността и да се увеличи скоростта на зареждане по време на OBC зареждане. В момента много автомобилни компании по света използват силициев карбид в множество модели и масовото му приложение се е превърнало в тенденция.
Когато силициево-карбидната керамика се използва като ключови носещи материали в производствения процес на фотоволтаични клетки, получените продукти, като например опори за лодки, кутии за лодки и тръбни фитинги, имат добра термична стабилност, не се деформират при употреба при високи температури и не произвеждат вредни замърсители. Те могат да заменят често използваните кварцови опори за лодки, кутии за лодки и тръбни фитинги и имат значителни предимства по отношение на разходите.
Освен това, пазарните перспективи за фотоволтаични силициево-карбидни захранващи устройства са широки. SiC материалите имат по-ниско съпротивление, заряд на гейта и характеристики на обратно възстановяване на заряда. Използването на SiC Mosfet или SiC Mosfet, комбинирани с SiC SBD фотоволтаични инвертори, може да увеличи ефективността на преобразуване от 96% до над 99%, да намали загубите на енергия с повече от 50% и да увеличи живота на оборудването 50 пъти.
Синтезът на силициево-карбидна керамика може да се проследи до 1890-те години, когато силициевият карбид се е използвал главно за механично смилане на материали и огнеупорни материали. С развитието на производствените технологии високотехнологичните SiC продукти са широко разработени и страните по света обръщат все повече внимание на индустриализацията на съвременната керамика. Те вече не се задоволяват с производството на традиционна силициево-карбидна керамика. Предприятията, произвеждащи високотехнологична керамика, се развиват по-бързо, особено в развитите страни, където това явление е по-значимо. Чуждестранните производители включват главно 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 и др.
Развитието на силициевия карбид в Китай е сравнително късно в сравнение с развитите страни като Европа и Америка. След като първата индустриална пещ за производство на SiC е построена в Първата фабрика за шлифовъчни дискове през юни 1951 г., Китай започва производство на силициев карбид. Местните производители на силициево-карбидна керамика са концентрирани главно в град Вейфан, провинция Шандонг. Според специалисти това е така, защото местните предприятия за добив на въглища са изправени пред фалит и търсят трансформация. Някои компании са въвели подходящо оборудване от Германия, за да започнат да изследват и произвеждат силициев карбид.ZPC е един от най-големите производители на реакционно синтерован силициев карбид.
Време на публикуване: 09 ноември 2024 г.