Ces dernières années, les semi-conducteurs à base de carbure de silicium ont suscité un vif intérêt dans l'industrie. Cependant, en tant que matériau hautes performances, le carbure de silicium ne représente qu'une faible part dans les dispositifs électroniques (diodes, composants de puissance). Il peut également être utilisé comme abrasifs, matériaux de coupe, matériaux de structure, matériaux optiques, supports de catalyseurs, etc. Aujourd'hui, nous introduisons principalement des céramiques à base de carbure de silicium, qui présentent les avantages suivants : stabilité chimique, résistance aux hautes températures, résistance à l'usure, résistance à la corrosion, conductivité thermique élevée, faible coefficient de dilatation thermique, faible densité et résistance mécanique élevée. Elles sont largement utilisées dans des domaines tels que les machines chimiques, l'énergie et la protection de l'environnement, les semi-conducteurs, la métallurgie, la défense nationale et l'industrie militaire.
Carbure de silicium (SiC)Contient du silicium et du carbone. C'est un composé structural multitype typique, comprenant principalement deux formes cristallines : α-SiC (type stable à haute température) et β-SiC (type stable à basse température). Il existe plus de 200 multitypes au total, parmi lesquels le 3C SiC du β-SiC et les 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC et 15R SiC du α-SiC sont représentatifs.
Figure Structure multicorps en SiC
Français Lorsque la température est inférieure à 1600 ℃, le SiC existe sous la forme de β-SiC et peut être préparé à partir d'un simple mélange de silicium et de carbone à environ 1450 ℃. Lorsque la température dépasse 1600 ℃, le β-SiC se transforme lentement en divers polymorphes d'α-SiC. Le 4H SiC est facilement généré à environ 2000 ℃ ; les polymorphes 6H et 15R nécessitent des températures élevées supérieures à 2100 ℃ pour une formation facile ; le 6H SiC peut rester très stable même à des températures supérieures à 2200 ℃, ce qui le rend largement utilisé dans les applications industrielles.
Le carbure de silicium pur est un cristal incolore et transparent, tandis que le carbure de silicium industriel peut être incolore, jaune pâle, vert clair, vert foncé, bleu clair, bleu foncé, voire noir, avec des degrés de transparence décroissants. L'industrie des abrasifs classe le carbure de silicium en deux types selon sa couleur : le carbure de silicium noir et le carbure de silicium vert. Le carbure de silicium incolore à vert foncé est classé comme carbure de silicium vert, tandis que le carbure de silicium bleu clair à noir est classé comme carbure de silicium noir. Le carbure de silicium noir et le carbure de silicium vert sont tous deux des cristaux hexagonaux alpha-SiC, et la micropoudre de carbure de silicium vert est généralement utilisée comme matière première pour les céramiques en carbure de silicium.
Performances des céramiques en carbure de silicium préparées par différents procédés
Cependant, les céramiques en carbure de silicium présentent l'inconvénient d'une faible ténacité à la rupture et d'une grande fragilité. C'est pourquoi, ces dernières années, des céramiques composites à base de carbure de silicium, telles que le renforcement par fibres (ou whiskers), le renforcement par dispersion de particules hétérogènes et les matériaux fonctionnels à gradient, ont fait leur apparition successivement, améliorant la ténacité et la résistance de chaque matériau.
En tant que matériau céramique structurel haute performance à haute température, la céramique en carbure de silicium est de plus en plus utilisée dans les fours à haute température, la métallurgie de l'acier, la pétrochimie, l'électronique mécanique, l'aérospatiale, la protection de l'énergie et de l'environnement, l'énergie nucléaire, l'automobile et d'autres domaines.
En 2022, le marché chinois des céramiques structurelles en carbure de silicium devrait atteindre 18,2 milliards de yuans. Avec l'expansion des domaines d'application et la croissance des besoins en aval, on estime que ce marché atteindra 29,6 milliards de yuans d'ici 2025.
À l'avenir, avec le taux de pénétration croissant des véhicules à énergie nouvelle, de l'énergie, de l'industrie, des communications et d'autres domaines, ainsi que les exigences de plus en plus strictes en matière de composants mécaniques ou électroniques de haute précision, de haute résistance à l'usure et de haute fiabilité dans divers domaines, la taille du marché des produits en céramique de carbure de silicium devrait continuer à se développer, parmi lesquels les véhicules à énergie nouvelle et le photovoltaïque sont des domaines de développement importants.
Les céramiques en carbure de silicium sont utilisées dans les fours à céramique en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques à haute température, de leur résistance au feu et aux chocs thermiques. Parmi eux, les fours à rouleaux sont principalement utilisés pour le séchage, le frittage et le traitement thermique des matériaux d'électrodes positives et négatives des batteries lithium-ion, ainsi que des électrolytes. Ces matériaux sont indispensables aux véhicules à énergies nouvelles. Les supports de four en céramique en carbure de silicium sont un élément clé des fours, permettant d'améliorer leur capacité de production et de réduire considérablement leur consommation d'énergie.
Les produits céramiques en carbure de silicium sont également largement utilisés dans divers composants automobiles. De plus, les composants SiC sont principalement utilisés dans les unités de contrôle de puissance (PCU, comme les CC/CC embarqués) et les unités de charge (OBC) des véhicules à énergies nouvelles. Les composants SiC permettent de réduire le poids et le volume des équipements PCU, de diminuer les pertes de commutation et d'améliorer la température de fonctionnement et l'efficacité système des appareils. Il est également possible d'augmenter la puissance de l'unité, de simplifier la structure du circuit, d'améliorer la densité de puissance et d'augmenter la vitesse de charge lors de la charge OBC. Actuellement, de nombreux constructeurs automobiles à travers le monde utilisent le carbure de silicium dans de nombreux modèles, et son adoption à grande échelle est devenue une tendance.
Lorsque les céramiques en carbure de silicium sont utilisées comme matériaux porteurs clés dans la production de cellules photovoltaïques, les produits obtenus, tels que les supports de nacelle, les caissons de nacelle et les raccords de tuyauterie, présentent une bonne stabilité thermique, ne se déforment pas à haute température et ne produisent pas de polluants nocifs. Ils peuvent remplacer les supports de nacelle, caissons de nacelle et raccords de tuyauterie en quartz couramment utilisés, et présentent des avantages économiques significatifs.
De plus, les perspectives de marché des dispositifs photovoltaïques en carbure de silicium sont vastes. Les matériaux SiC présentent une résistance à l'état passant, une charge de grille et une charge de recouvrement inverse plus faibles. L'utilisation de Mosfets SiC ou de Mosfets SiC combinés à des onduleurs photovoltaïques SBD SiC permet d'augmenter le rendement de conversion de 96 % à plus de 99 %, de réduire les pertes énergétiques de plus de 50 % et de multiplier par 50 la durée de vie des équipements.
La synthèse des céramiques en carbure de silicium remonte aux années 1890, époque à laquelle le carbure de silicium était principalement utilisé pour les matériaux de meulage mécanique et les matériaux réfractaires. Avec le développement des technologies de production, les produits SiC de haute technologie ont été largement développés, et les pays du monde entier accordent une attention accrue à l'industrialisation des céramiques avancées. Ils ne se contentent plus de la préparation traditionnelle des céramiques en carbure de silicium. Les entreprises produisant des céramiques de haute technologie se développent plus rapidement, notamment dans les pays développés où ce phénomène est plus important. Parmi les principaux fabricants étrangers figurent 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.
Le développement du carbure de silicium en Chine a été relativement tardif par rapport à celui de pays développés comme l'Europe et l'Amérique. Depuis la construction du premier four industriel de fabrication de SiC dans la première usine de meules en juin 1951, la Chine a commencé à produire du carbure de silicium. Les fabricants nationaux de céramiques à base de carbure de silicium sont principalement concentrés dans la ville de Weifang, dans la province du Shandong. Selon les professionnels, cela s'explique par le fait que les entreprises minières locales sont menacées de faillite et cherchent à se transformer. Certaines entreprises ont importé des équipements allemands pour se lancer dans la recherche et la production de carbure de silicium.ZPC est l'un des plus grands fabricants de carbure de silicium fritté par réaction.
Date de publication : 9 novembre 2024