En els darrers anys, els semiconductors compostos de carbur de silici han rebut una àmplia atenció a la indústria. Tanmateix, com a material d'alt rendiment, el carbur de silici només és una petita part dels dispositius electrònics (díodes, dispositius d'alimentació). També es pot utilitzar com a abrasius, materials de tall, materials estructurals, materials òptics, portadors de catalitzadors, etc. Avui dia, introduïm principalment ceràmiques de carbur de silici, que tenen els avantatges d'estabilitat química, resistència a altes temperatures, resistència al desgast, resistència a la corrosió, alta conductivitat tèrmica, baix coeficient d'expansió tèrmica, baixa densitat i alta resistència mecànica. S'utilitzen àmpliament en camps com la maquinària química, l'energia i la protecció del medi ambient, els semiconductors, la metal·lúrgia, la defensa nacional i la indústria militar.
Carbur de silici (SiC)Conté silici i carboni, i és un compost estructural multitipus típic, que inclou principalment dues formes cristal·lines: α-SiC (tipus estable a alta temperatura) i β-SiC (tipus estable a baixa temperatura). Hi ha més de 200 multitipus en total, entre els quals el 3C SiC de β-SiC i el 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC i 15R SiC de α-SiC són representatius.
Figura Estructura multicos de SiC
Quan la temperatura és inferior a 1600 ℃, el SiC existeix en forma de β-SiC i es pot preparar a partir d'una simple barreja de silici i carboni a uns 1450 ℃. Quan la temperatura supera els 1600 ℃, el β-SiC es transforma lentament en diversos polimorfs d'α-SiC. El 4H SiC es genera fàcilment a uns 2000 ℃; tant els polimorfs 6H com 15R requereixen temperatures elevades per sobre dels 2100 ℃ per a una fàcil formació; el 6H SiC pot romandre molt estable fins i tot a temperatures superiors a 2200 ℃, cosa que el fa àmpliament utilitzat en aplicacions industrials.
El carbur de silici pur és un cristall incolor i transparent, mentre que el carbur de silici industrial pot ser incolor, groc pàl·lid, verd clar, verd fosc, blau clar, blau fosc o fins i tot negre, amb nivells de transparència decreixents. La indústria abrasiva classifica el carbur de silici en dos tipus segons el color: carbur de silici negre i carbur de silici verd. El carbur de silici incolor a verd fosc es classifica com a carbur de silici verd, mentre que el carbur de silici blau clar a negre es classifica com a carbur de silici negre. El carbur de silici negre i el carbur de silici verd són cristalls hexagonals alfa SiC, i la micropols de carbur de silici verd s'utilitza generalment com a matèria primera per a la ceràmica de carbur de silici.
Rendiment de les ceràmiques de carbur de silici preparades per diferents processos
Tanmateix, les ceràmiques de carbur de silici tenen el desavantatge d'una baixa tenacitat a la fractura i una alta fragilitat. Per tant, en els darrers anys, han aparegut successivament ceràmiques compostes basades en ceràmiques de carbur de silici, com ara el reforç de fibra (o whisker), el reforç de la dispersió de partícules heterogènies i els materials funcionals de gradient, millorant la tenacitat i la resistència dels materials individuals.
Com a material ceràmic estructural d'alt rendiment i alta temperatura, la ceràmica de carbur de silici s'ha aplicat cada cop més en forns d'alta temperatura, metal·lúrgia d'acer, petroquímica, electrònica mecànica, aeroespacial, energia i protecció del medi ambient, energia nuclear, automòbils i altres camps.
Es preveu que el 2022 la mida del mercat de la ceràmica estructural de carbur de silici a la Xina arribi als 18.200 milions de iuans. Amb una major expansió dels camps d'aplicació i les necessitats de creixement posteriors, s'estima que la mida del mercat de la ceràmica estructural de carbur de silici arribarà als 29.600 milions de iuans el 2025.
En el futur, amb la creixent taxa de penetració dels vehicles de nova energia, l'energia, la indústria, la comunicació i altres camps, així com els requisits cada cop més estrictes de components mecànics o electrònics d'alta precisió, alta resistència al desgast i alta fiabilitat en diversos camps, s'espera que la mida del mercat dels productes ceràmics de carbur de silici continuï expandint-se, entre els quals els vehicles de nova energia i la fotovoltaica són àrees de desenvolupament importants.
Les ceràmiques de carbur de silici s'utilitzen en forns de ceràmica a causa de les seves excel·lents propietats mecàniques a altes temperatures, resistència al foc i resistència al xoc tèrmic. Entre elles, els forns de rodets s'utilitzen principalment per a l'assecat, la sinterització i el tractament tèrmic de materials d'elèctrodes positius de bateries d'ions de liti, materials d'elèctrodes negatius i electròlits. Els materials d'elèctrodes positius i negatius de bateries de liti són indispensables per als vehicles de nova energia. Els mobles de forn de ceràmica de carbur de silici són un component clau dels forns, que poden millorar la capacitat de producció del forn i reduir significativament el consum d'energia.
Els productes ceràmics de carbur de silici també s'utilitzen àmpliament en diversos components d'automoció. A més, els dispositius SiC s'utilitzen principalment en PCU (unitats de control de potència, com ara DC/DC a bord) i OBC (unitats de càrrega) de vehicles de nova energia. Els dispositius SiC poden reduir el pes i el volum dels equips PCU, reduir les pèrdues de commutació i millorar la temperatura de treball i l'eficiència del sistema dels dispositius; També és possible augmentar el nivell de potència de la unitat, simplificar l'estructura del circuit, millorar la densitat de potència i augmentar la velocitat de càrrega durant la càrrega OBC. Actualment, moltes companyies automobilístiques de tot el món han utilitzat carbur de silici en múltiples models, i l'adopció a gran escala del carbur de silici s'ha convertit en una tendència.
Quan la ceràmica de carbur de silici s'utilitza com a materials portadors clau en el procés de producció de cèl·lules fotovoltaiques, els productes resultants, com ara suports per a vaixells, caixes per a vaixells i accessoris per a canonades, tenen una bona estabilitat tèrmica, no es deformen quan s'utilitzen a altes temperatures i no produeixen contaminants nocius. Poden substituir els suports per a vaixells de quars, les caixes per a vaixells i els accessoris per a canonades que s'utilitzen habitualment, i tenen avantatges de costos significatius.
A més, les perspectives de mercat per als dispositius de potència fotovoltaics de carbur de silici són àmplies. Els materials SiC tenen característiques de resistència, càrrega de porta i recuperació inversa més baixes. L'ús de MOSFET SiC o MOSFET SiC combinat amb inversors fotovoltaics SiC SBD pot augmentar l'eficiència de conversió del 96% a més del 99%, reduir la pèrdua d'energia en més d'un 50% i augmentar la vida útil del cicle de l'equip en 50 vegades.
La síntesi de ceràmica de carbur de silici es remunta a la dècada de 1890, quan el carbur de silici s'utilitzava principalment per a materials de mòlta mecànica i materials refractaris. Amb el desenvolupament de la tecnologia de producció, els productes de SiC d'alta tecnologia s'han desenvolupat àmpliament i els països de tot el món estan prestant més atenció a la industrialització de ceràmiques avançades. Ja no estan satisfets amb la preparació de ceràmiques tradicionals de carbur de silici. Les empreses que produeixen ceràmica d'alta tecnologia s'estan desenvolupant més ràpidament, especialment als països desenvolupats on aquest fenomen és més significatiu. Els fabricants estrangers inclouen principalment 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, etc.
El desenvolupament del carbur de silici a la Xina va ser relativament tardà en comparació amb països desenvolupats com Europa i Amèrica. Des que es va construir el primer forn industrial per a la fabricació de SiC a la Primera Fàbrica de Mòltes el juny de 1951, la Xina va començar a produir carbur de silici. Els fabricants nacionals de ceràmica de carbur de silici es concentren principalment a la ciutat de Weifang, província de Shandong. Segons els professionals, això es deu al fet que les empreses mineres de carbó locals s'enfronten a la fallida i busquen transformació. Algunes empreses han introduït equips rellevants d'Alemanya per començar a investigar i produir carbur de silici.ZPC és un dels majors fabricants de carbur de silici sinteritzat per reacció.
Data de publicació: 09 de novembre de 2024