Siliziumkarbid-Verbindungshalbleiter haben in den letzten Jahren in der Industrie große Beachtung gefunden. Als Hochleistungswerkstoff spielt Siliziumkarbid jedoch nur eine kleine Rolle in elektronischen Geräten (Dioden, Leistungsbauelemente). Es kann auch als Schleifmittel, Schneidstoff, Strukturwerkstoff, optisches Material, Katalysatorträger und vieles mehr eingesetzt werden. Heute führen wir hauptsächlich Siliziumkarbidkeramiken ein, die sich durch chemische Stabilität, hohe Temperaturbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, geringe Dichte und hohe mechanische Festigkeit auszeichnen. Sie finden breite Anwendung in Bereichen wie Chemiemaschinenbau, Energie- und Umweltschutz, Halbleiterindustrie, Metallurgie, Landesverteidigung und Militärindustrie.
Siliziumkarbid (SiC)Enthält Silizium und Kohlenstoff und ist eine typische Mehrstoff-Strukturverbindung, die hauptsächlich aus zwei Kristallformen besteht: α-SiC (hochtemperaturstabil) und β-SiC (niedrigtemperaturstabil). Insgesamt gibt es über 200 Mehrstoff-Strukturen, darunter 3C-SiC (β-SiC) und 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC und 15R-SiC (α-SiC).
Abbildung SiC-Mehrkörperstruktur
Bei Temperaturen unter 1600 °C liegt SiC in Form von β-SiC vor und kann bei etwa 1450 °C aus einer einfachen Mischung von Silizium und Kohlenstoff hergestellt werden. Über 1600 °C wandelt sich β-SiC langsam in verschiedene Polymorphe von α-SiC um. 4H-SiC bildet sich leicht bei etwa 2000 °C; sowohl 6H- als auch 15R-Polymorphe benötigen für ihre Bildung hohe Temperaturen über 2100 °C; 6H-SiC bleibt selbst bei Temperaturen über 2200 °C sehr stabil und findet daher breite Anwendung in der Industrie.
Reines Siliziumkarbid ist ein farbloser, transparenter Kristall, während industrielles Siliziumkarbid farblos, blassgelb, hellgrün, dunkelgrün, hellblau, dunkelblau oder sogar schwarz sein kann, mit abnehmender Transparenz. Die Schleifmittelindustrie unterteilt Siliziumkarbid anhand seiner Farbe in zwei Typen: schwarzes Siliziumkarbid und grünes Siliziumkarbid. Farbloses bis dunkelgrünes Siliziumkarbid wird als grünes Siliziumkarbid klassifiziert, hellblaues bis schwarzes Siliziumkarbid als schwarzes Siliziumkarbid. Schwarzes und grünes Siliziumkarbid sind beide hexagonale Alpha-SiC-Kristalle, und grünes Siliziumkarbid-Mikropulver wird üblicherweise als Rohstoff für Siliziumkarbidkeramik verwendet.
Leistung von Siliziumkarbidkeramiken, die mit verschiedenen Verfahren hergestellt wurden
Siliziumkarbidkeramiken weisen jedoch den Nachteil einer geringen Bruchzähigkeit und hohen Sprödigkeit auf. Daher sind in den letzten Jahren zunehmend Verbundkeramiken auf Siliziumkarbidbasis entstanden, wie z. B. Faser- (oder Whisker-)Verstärkungen, heterogene Partikeldispersionsverstärkungen und Gradientenfunktionsmaterialien, die die Zähigkeit und Festigkeit einzelner Materialien verbessern.
Als leistungsstarkes strukturelles Keramikmaterial für hohe Temperaturen wird Siliziumkarbidkeramik zunehmend in Hochtemperaturöfen, der Stahlmetallurgie, der Petrochemie, der mechanischen Elektronik, der Luft- und Raumfahrt, im Energie- und Umweltschutz, der Kernenergie, der Automobilindustrie und anderen Bereichen eingesetzt.
Im Jahr 2022 wird das Marktvolumen für Siliziumkarbid-Strukturkeramik in China voraussichtlich 18,2 Milliarden Yuan erreichen. Mit der weiteren Ausweitung der Anwendungsfelder und dem Bedarf an nachgelagertem Wachstum wird das Marktvolumen für Siliziumkarbid-Strukturkeramik bis 2025 voraussichtlich 29,6 Milliarden Yuan erreichen.
Angesichts der zunehmenden Verbreitung von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben in den Bereichen Energie, Industrie, Kommunikation und anderen Bereichen sowie der zunehmend strengeren Anforderungen an hochpräzise, verschleißfeste und hochzuverlässige mechanische oder elektronische Komponenten in verschiedenen Bereichen wird erwartet, dass der Markt für Siliziumkarbid-Keramikprodukte weiter wachsen wird. Fahrzeuge mit alternativen Antrieben und Photovoltaik werden dabei wichtige Entwicklungsbereiche sein.
Siliziumkarbidkeramiken werden aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen, ihrer Feuerbeständigkeit und ihrer Thermoschockbeständigkeit in Keramiköfen eingesetzt. Rollenöfen werden hauptsächlich zum Trocknen, Sintern und zur Wärmebehandlung von positiven und negativen Elektrodenmaterialien sowie Elektrolyten von Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Positive und negative Elektrodenmaterialien von Lithium-Batterien sind für Fahrzeuge mit alternativer Antriebstechnik unverzichtbar. Brennhilfsmittel aus Siliziumkarbidkeramik sind eine Schlüsselkomponente von Öfen und können die Produktionskapazität steigern und den Energieverbrauch deutlich senken.
Siliziumkarbid-Keramikprodukte finden auch in verschiedenen Automobilkomponenten breite Anwendung. SiC-Bauelemente werden zudem hauptsächlich in PCUs (Power Control Units, z. B. On-Board-DC/DC-Wandlern) und OBCs (Ladeeinheiten) von Fahrzeugen mit alternativer Antriebstechnik eingesetzt. SiC-Bauelemente können Gewicht und Volumen von PCUs reduzieren, Schaltverluste verringern und die Betriebstemperatur sowie den Systemwirkungsgrad der Geräte verbessern. Darüber hinaus können die Leistung der Einheit erhöht, die Schaltungsstruktur vereinfacht, die Leistungsdichte verbessert und die Ladegeschwindigkeit beim Laden der OBCs erhöht werden. Viele Automobilhersteller weltweit setzen Siliziumkarbid bereits in verschiedenen Modellen ein, und die großflächige Einführung von Siliziumkarbid ist ein Trend.
Durch den Einsatz von Siliziumkarbidkeramik als Hauptträgermaterial im Produktionsprozess von Photovoltaikzellen weisen die resultierenden Produkte wie Bootsträger, Bootskästen und Rohrverbindungen eine gute thermische Stabilität auf, verformen sich bei hohen Temperaturen nicht und produzieren keine schädlichen Schadstoffe. Sie können die üblicherweise verwendeten Bootsträger, Bootskästen und Rohrverbindungen aus Quarz ersetzen und bieten erhebliche Kostenvorteile.
Darüber hinaus sind die Marktaussichten für Photovoltaik-Siliziumkarbid-Leistungsbauelemente gut. SiC-Materialien zeichnen sich durch einen geringeren Durchlasswiderstand, eine geringere Gate-Ladung und geringere Sperrverzögerungseigenschaften aus. Der Einsatz von SiC-MOSFETs oder SiC-MOSFETs in Kombination mit SiC-SBD-Photovoltaik-Wechselrichtern kann den Umwandlungswirkungsgrad von 96 % auf über 99 % steigern, den Energieverlust um mehr als 50 % reduzieren und die Lebensdauer der Geräte um das 50-fache erhöhen.
Die Synthese von Siliziumkarbidkeramik lässt sich bis in die 1890er Jahre zurückverfolgen, als Siliziumkarbid hauptsächlich für mechanische Schleifmittel und feuerfeste Materialien verwendet wurde. Mit der Weiterentwicklung der Produktionstechnologie wurden hochtechnologische SiC-Produkte in großem Umfang entwickelt, und Länder weltweit widmen der Industrialisierung von Hochleistungskeramiken zunehmend Aufmerksamkeit. Sie geben sich nicht mehr mit der Herstellung herkömmlicher Siliziumkarbidkeramiken zufrieden. Unternehmen, die Hochtechnologiekeramik herstellen, entwickeln sich rasant, insbesondere in Industrieländern, in denen dieses Phänomen stärker ausgeprägt ist. Zu den ausländischen Herstellern zählen vor allem 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 usw.
Die Entwicklung von Siliziumkarbid in China erfolgte im Vergleich zu Industrieländern wie Europa und Amerika relativ spät. Mit dem Bau des ersten Industrieofens zur Herstellung von SiC im Juni 1951 in der ersten Schleifscheibenfabrik begann China mit der Produktion von Siliziumkarbid. Inländische Hersteller von Siliziumkarbidkeramik konzentrieren sich hauptsächlich in der Stadt Weifang in der Provinz Shandong. Experten zufolge liegt dies daran, dass lokale Kohlebergbauunternehmen vor dem Bankrott stehen und eine Transformation anstreben. Einige Unternehmen haben entsprechende Anlagen aus Deutschland eingeführt, um mit der Forschung und Produktion von Siliziumkarbid zu beginnen.ZPC ist einer der größten Hersteller von reaktionsgesintertem Siliziumkarbid.
Beitragszeit: 09.11.2024