Negli ultimi anni, i semiconduttori composti in carburo di silicio hanno ricevuto ampia attenzione nel settore. Tuttavia, essendo un materiale ad alte prestazioni, il carburo di silicio è impiegato solo in minima parte nei dispositivi elettronici (diodi, dispositivi di potenza). Può essere utilizzato anche come abrasivo, materiale da taglio, materiale strutturale, materiale ottico, vettore di catalizzatori e altro ancora. Oggi, introduciamo principalmente ceramiche in carburo di silicio, che presentano i vantaggi di stabilità chimica, resistenza alle alte temperature, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione, elevata conduttività termica, basso coefficiente di dilatazione termica, bassa densità ed elevata resistenza meccanica. Sono ampiamente utilizzate in settori quali macchinari chimici, energia e protezione ambientale, semiconduttori, metallurgia, difesa nazionale e industria militare.
Carburo di silicio (SiC)Contiene silicio e carbonio ed è un tipico composto strutturale multitipo, che comprende principalmente due forme cristalline: α-SiC (stabile alle alte temperature) e β-SiC (stabile alle basse temperature). Esistono più di 200 multitipi in totale, tra cui il SiC 3C di β-SiC e i SiC 2H, 4H, 6H e 15R di α-SiC.
Figura Struttura multicorpo SiC
A temperature inferiori a 1600 °C, il SiC esiste sotto forma di β-SiC e può essere preparato da una semplice miscela di silicio e carbonio a circa 1450 °C. Superati i 1600 °C, il β-SiC si trasforma lentamente in vari polimorfi di α-SiC. Il SiC 4H viene facilmente generato a circa 2000 °C; sia i polimorfi 6H che 15R richiedono temperature elevate, superiori a 2100 °C, per una facile formazione; il SiC 6H può rimanere molto stabile anche a temperature superiori a 2200 °C, il che lo rende ampiamente utilizzato in applicazioni industriali.
Il carburo di silicio puro è un cristallo incolore e trasparente, mentre il carburo di silicio industriale può essere incolore, giallo pallido, verde chiaro, verde scuro, azzurro, blu scuro o persino nero, con livelli di trasparenza decrescenti. L'industria degli abrasivi classifica il carburo di silicio in due tipologie in base al colore: carburo di silicio nero e carburo di silicio verde. Il carburo di silicio incolore o verde scuro è classificato come carburo di silicio verde, mentre il carburo di silicio azzurro o nero è classificato come carburo di silicio nero. Il carburo di silicio nero e il carburo di silicio verde sono entrambi cristalli esagonali di SiC alfa e la micropolvere di carburo di silicio verde è generalmente utilizzata come materia prima per le ceramiche al carburo di silicio.
Prestazioni della ceramica al carburo di silicio preparata con diversi processi
Tuttavia, le ceramiche al carburo di silicio presentano lo svantaggio di una bassa tenacità alla frattura e di un'elevata fragilità. Pertanto, negli ultimi anni, sono emersi compositi ceramici a base di carburo di silicio, come il rinforzo in fibre (o whisker), il rinforzo con dispersione eterogenea di particelle e i materiali funzionali a gradiente, migliorando la tenacità e la resistenza dei singoli materiali.
In quanto materiale ceramico strutturale ad alte prestazioni e ad alta temperatura, la ceramica al carburo di silicio ha trovato sempre più applicazione nei forni ad alta temperatura, nella metallurgia dell'acciaio, nella petrolchimica, nell'elettronica meccanica, nell'industria aerospaziale, nella protezione energetica e ambientale, nell'energia nucleare, nell'industria automobilistica e in altri settori.
Nel 2022, si prevede che il mercato cinese delle ceramiche strutturali al carburo di silicio raggiungerà i 18,2 miliardi di yuan. Con l'ulteriore espansione dei campi di applicazione e le esigenze di crescita a valle, si stima che il mercato delle ceramiche strutturali al carburo di silicio raggiungerà i 29,6 miliardi di yuan entro il 2025.
In futuro, con il crescente tasso di penetrazione dei nuovi veicoli energetici, dell'energia, dell'industria, delle comunicazioni e di altri settori, nonché con i requisiti sempre più rigorosi per componenti meccanici o elettronici ad alta precisione, elevata resistenza all'usura ed elevata affidabilità in vari campi, si prevede che le dimensioni del mercato dei prodotti ceramici in carburo di silicio continueranno ad espandersi, tra cui i nuovi veicoli energetici e il fotovoltaico rappresentano importanti aree di sviluppo.
Le ceramiche al carburo di silicio vengono utilizzate nei forni per ceramica grazie alle loro eccellenti proprietà meccaniche ad alta temperatura, alla resistenza al fuoco e agli shock termici. Tra questi, i forni a rulli sono principalmente utilizzati per l'essiccazione, la sinterizzazione e il trattamento termico dei materiali per elettrodi positivi e negativi delle batterie agli ioni di litio e degli elettroliti. I materiali per elettrodi positivi e negativi delle batterie al litio sono indispensabili per i veicoli a energia rinnovabile. Le attrezzature per forni in ceramica al carburo di silicio sono un componente chiave dei forni, in grado di migliorarne la capacità produttiva e ridurre significativamente il consumo energetico.
I prodotti ceramici in carburo di silicio sono ampiamente utilizzati anche in vari componenti automobilistici. Inoltre, i dispositivi SiC sono utilizzati principalmente nelle PCU (unità di controllo della potenza, come i sistemi DC/DC di bordo) e nelle OBC (unità di ricarica) dei veicoli a nuova energia. I dispositivi SiC possono ridurre il peso e il volume delle apparecchiature PCU, ridurre le perdite di commutazione e migliorare la temperatura di esercizio e l'efficienza del sistema dei dispositivi; è anche possibile aumentare il livello di potenza dell'unità, semplificare la struttura del circuito, migliorare la densità di potenza e aumentare la velocità di ricarica durante la ricarica OBC. Attualmente, molte case automobilistiche in tutto il mondo utilizzano il carburo di silicio in diversi modelli e la sua adozione su larga scala è diventata una tendenza.
Quando le ceramiche al carburo di silicio vengono utilizzate come materiali di supporto chiave nel processo di produzione delle celle fotovoltaiche, i prodotti risultanti, come supporti per imbarcazioni, scatole per imbarcazioni e raccordi per tubi, presentano una buona stabilità termica, non si deformano se utilizzati ad alte temperature e non producono inquinanti nocivi. Possono sostituire i supporti per imbarcazioni, le scatole per imbarcazioni e i raccordi per tubi in quarzo comunemente utilizzati, con significativi vantaggi in termini di costi.
Inoltre, le prospettive di mercato per i dispositivi di potenza fotovoltaici in carburo di silicio sono ampie. I materiali SiC presentano caratteristiche di resistenza di ingresso, carica di gate e carica di recupero inversa inferiori. L'utilizzo di MOSFET SiC o MOSFET SiC in combinazione con inverter fotovoltaici SBD SiC può aumentare l'efficienza di conversione dal 96% a oltre il 99%, ridurre le perdite di energia di oltre il 50% e aumentare la durata del ciclo di vita delle apparecchiature di 50 volte.
La sintesi di ceramiche al carburo di silicio risale al 1890, quando il carburo di silicio veniva utilizzato principalmente per la macinazione meccanica di materiali e materiali refrattari. Con lo sviluppo delle tecnologie di produzione, i prodotti SiC ad alta tecnologia sono stati ampiamente sviluppati e i paesi di tutto il mondo stanno prestando maggiore attenzione all'industrializzazione delle ceramiche avanzate. Non si accontentano più della preparazione delle tradizionali ceramiche al carburo di silicio. Le aziende produttrici di ceramiche ad alta tecnologia si stanno sviluppando più rapidamente, soprattutto nei paesi sviluppati, dove questo fenomeno è più significativo. Tra i produttori esteri figurano principalmente 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, ecc.
Lo sviluppo del carburo di silicio in Cina è avvenuto relativamente tardi rispetto a paesi sviluppati come Europa e America. Da quando il primo forno industriale per la produzione di SiC fu costruito presso la First Grinding Wheel Factory nel giugno del 1951, la Cina iniziò a produrre carburo di silicio. I produttori nazionali di ceramiche al carburo di silicio sono concentrati principalmente nella città di Weifang, nella provincia dello Shandong. Secondo gli esperti, ciò è dovuto al fatto che le imprese locali di estrazione del carbone stanno affrontando il fallimento e cercano una trasformazione. Alcune aziende hanno importato attrezzature specifiche dalla Germania per avviare la ricerca e la produzione di carburo di silicio.ZPC è uno dei maggiori produttori di carburo di silicio sinterizzato tramite reazione.
Data di pubblicazione: 09-11-2024