Viime vuosina piikarbidiyhdistepuolijohteet ovat saaneet laajaa huomiota teollisuudessa. Korkean suorituskyvyn materiaalina piikarbidia käytetään kuitenkin vain pienenä osana elektronisia laitteita (diodit, teholaitteet). Sitä voidaan käyttää myös hioma-aineina, leikkausmateriaaleina, rakennemateriaaleina, optisina materiaaleina, katalyyttikantajina ja muissa vastaavissa. Nykyään esittelemme pääasiassa piikarbidikeraamisia tuotteita, joiden etuja ovat kemiallinen stabiilius, korkea lämmönkestävyys, kulutuskestävyys, korroosionkestävyys, korkea lämmönjohtavuus, alhainen lämpölaajenemiskerroin, alhainen tiheys ja korkea mekaaninen lujuus. Niitä käytetään laajalti esimerkiksi kemianteollisuudessa, energia- ja ympäristönsuojelussa, puolijohteissa, metallurgiassa, maanpuolustuksessa ja sotilasteollisuudessa.
Piikarbidi (SiC)Sisältää piitä ja hiiltä ja on tyypillinen monityyppinen rakenneyhdiste, joka koostuu pääasiassa kahdesta kidemuodosta: α-SiC (korkean lämpötilan kestävä tyyppi) ja β-SiC (matalan lämpötilan kestävä tyyppi). Monityyppisiä yhdisteitä on yhteensä yli 200, joista edustavia ovat β-SiC:n 3C-SiC sekä α-SiC:n 2H-, 4H-, 6H- ja 15R-SiC.
Kuva SiC-monirunkorakenteesta
Kun lämpötila on alle 1600 ℃, piikarbidi esiintyy β-SiC:n muodossa ja sitä voidaan valmistaa yksinkertaisesta piin ja hiilen seoksesta noin 1450 ℃:ssa. Kun lämpötila ylittää 1600 ℃, β-SiC muuttuu hitaasti erilaisiksi α-SiC:n polymorfeiksi. 4H-SiC:tä muodostuu helposti noin 2000 ℃:ssa; Sekä 6H- että 15R-polymorfit vaativat korkeita, yli 2100 ℃:n lämpötiloja helpon muodostumisen aikaansaamiseksi; 6H-SiC voi pysyä erittäin stabiilina jopa yli 2200 ℃:n lämpötiloissa, minkä vuoksi sitä käytetään laajalti teollisissa sovelluksissa.
Puhdas piikarbidi on väritön ja läpinäkyvä kide, kun taas teollinen piikarbidi voi olla väritöntä, vaaleankeltaista, vaaleanvihreää, tummanvihreää, vaaleansinistä, tummansinistä tai jopa mustaa, ja sen läpinäkyvyysaste laskee. Hiomateollisuus luokittelee piikarbidin kahteen tyyppiin värin perusteella: mustaan piikarbidiin ja vihreään piikarbidiin. Värittömästä tummanvihreään piikarbidi luokitellaan vihreäksi piikarbidiksi, kun taas vaaleansinisestä mustaan piikarbidi luokitellaan mustaksi piikarbidiksi. Sekä musta piikarbidi että vihreä piikarbidi ovat alfa-SiC-kuusikulmaisia kiteitä, ja vihreää piikarbidimikrojauhetta käytetään yleensä piikarbidikeraamien raaka-aineena.
Eri prosesseilla valmistettujen piikarbidikeraamojen suorituskyky
Piikarbidikeraameilla on kuitenkin haittanaan alhainen murtumissitkeys ja korkea hauraus. Siksi viime vuosina on syntynyt piikarbidikeraameihin perustuvia komposiittikeraamimateriaaleja, kuten kuitu- (tai viiksi)vahvisteita, heterogeenisen hiukkasdispersion vahvistavia materiaaleja ja gradienttifunktionaalisia materiaaleja, jotka parantavat yksittäisten materiaalien sitkeyttä ja lujuutta.
Korkean lämpötilan ja suorituskyvyn omaavana rakenteellisena keraamisena materiaalina piikarbidikeraamia on käytetty yhä enemmän korkean lämpötilan uuneissa, teräsmetallurgiassa, petrokemian teollisuudessa, mekaanisessa elektroniikassa, ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, energia- ja ympäristönsuojelussa, ydinenergiassa, autoteollisuudessa ja muilla aloilla.
Vuonna 2022 piikarbidirakenteisten keraamien markkinoiden koon Kiinassa odotetaan nousevan 18,2 miljardiin yuaniin. Sovellusalueiden laajentuessa ja alavirran kasvutarpeiden kasvaessa piikarbidirakenteisten keraamien markkinoiden koon arvioidaan nousevan 29,6 miljardiin yuaniin vuoteen 2025 mennessä.
Tulevaisuudessa uusien energiaajoneuvojen, energian, teollisuuden, viestinnän ja muiden alojen yleistyessä sekä eri alojen mekaanisten komponenttien tai elektronisten komponenttien tarkkuuden, kulutuskestävyyden ja luotettavuuden vaatimusten tiukentuessa piikarbidikeraamisten tuotteiden markkinakoon odotetaan kasvavan edelleen. Uusien energiaajoneuvojen ja aurinkosähkön odotetaan olevan tärkeitä kehitysalueita.
Piikarbidikeraamia käytetään keraamisissa uuneissa niiden erinomaisten korkeiden lämpötilojen mekaanisten ominaisuuksien, palonkestävyyden ja lämpöshokin kestävyyden vuoksi. Näistä valssiuuneja käytetään pääasiassa litiumioniakkujen positiivisten ja negatiivisten elektrodien materiaalien sekä elektrolyyttien kuivaamiseen, sintraamiseen ja lämpökäsittelyyn. Litiumakkujen positiiviset ja negatiiviset elektrodimateriaalit ovat välttämättömiä uusille energialähteille. Piikarbidikeraamiset uunikalusteet ovat uunien keskeinen osa, ja ne voivat parantaa uunin tuotantokapasiteettia ja vähentää merkittävästi energiankulutusta.
Piikarbidikeraamisia tuotteita käytetään myös laajalti erilaisissa auton osissa. Lisäksi piikarbidilaitteita käytetään pääasiassa uusien energianlähteiden PCU-yksiköissä (tehonohjausyksiköt, kuten ajoneuvon DC/DC-yksiköt) ja OBC-yksiköissä (latausyksiköt). Piikarbidilaitteet voivat vähentää PCU-laitteiden painoa ja tilavuutta, vähentää kytkentähäviöitä sekä parantaa laitteiden käyttölämpötilaa ja järjestelmän tehokkuutta. On myös mahdollista lisätä yksikön tehotasoa, yksinkertaistaa piirirakennetta, parantaa tehotiheyttä ja lisätä latausnopeutta OBC-latauksen aikana. Tällä hetkellä monet autovalmistajat ympäri maailmaa ovat käyttäneet piikarbidia useissa malleissa, ja piikarbidin laajamittainen käyttöönotto on tullut trendiksi.
Kun piikarbidikeraamia käytetään keskeisinä kantoaineina aurinkokennojen tuotantoprosessissa, syntyvillä tuotteilla, kuten venetuilla, venelaatikoilla ja putkiliittimillä, on hyvä lämmönkestävyys, ne eivät muodonmuutu korkeissa lämpötiloissa eivätkä tuota haitallisia epäpuhtauksia. Ne voivat korvata yleisesti käytetyt kvartsiset venetuet, venelaatikot ja putkiliittimet ja niillä on merkittäviä kustannusetuja.
Lisäksi aurinkosähköisten piikarbiditeholaitteiden markkinanäkymät ovat laajat. Piikarbidimateriaaleilla on alhaisemmat resistanssi-, hilavaraus- ja käänteisen palautumisvarauksen ominaisuudet. Piikarbidi-Mosfetin tai piikarbidi-Mosfetin käyttö yhdessä piikarbidi-SBD-aurinkosähköinvertterien kanssa voi lisätä muuntotehokkuutta 96 prosentista yli 99 prosenttiin, vähentää energiahäviötä yli 50 prosentilla ja pidentää laitteiden käyttöikää 50-kertaisesti.
Piikarbidikeraamien synteesi voidaan jäljittää 1890-luvulle, jolloin piikarbidia käytettiin pääasiassa mekaanisiin hiomamateriaaleihin ja tulenkestävien materiaalien valmistukseen. Tuotantoteknologian kehittyessä korkean teknologian piikarbidituotteita on kehitetty laajalti, ja maat ympäri maailmaa kiinnittävät yhä enemmän huomiota edistyneiden keraamien teollistumiseen. Ne eivät enää tyydy perinteisen piikarbidikeraamien valmistukseen. Korkean teknologian keraamisia tuotteita valmistavat yritykset kehittyvät nopeammin, erityisesti kehittyneissä maissa, joissa tämä ilmiö on merkittävämpi. Ulkomaisia valmistajia ovat pääasiassa 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 jne.
Piikarbidin kehitys Kiinassa tapahtui suhteellisen myöhään verrattuna kehittyneisiin maihin, kuten Eurooppaan ja Amerikkaan. Kiina alkoi tuottaa piikarbidia siitä lähtien, kun ensimmäinen piikarbidin valmistukseen tarkoitettu teollinen uuni rakennettiin ensimmäiseen hiomalaikkatehtaaseen kesäkuussa 1951. Kotimaiset piikarbidikeraamien valmistajat ovat keskittyneet pääasiassa Weifangin kaupunkiin, Shandongin maakuntaan. Asiantuntijoiden mukaan tämä johtuu siitä, että paikalliset hiilikaivosyritykset ovat konkurssin partaalla ja hakevat muutosta. Jotkut yritykset ovat tuoneet Saksasta asiaankuuluvia laitteita aloittaakseen piikarbidin tutkimuksen ja tuotannon.ZPC on yksi suurimmista reaktiosintratun piikarbidin valmistajista.
Julkaisun aika: 09.11.2024