Pēdējos gados silīcija karbīda savienojumu pusvadītāji ir saņēmuši plašu uzmanību rūpniecībā. Tomēr kā augstas veiktspējas materiāls silīcija karbīds ir tikai neliela daļa no elektroniskajām ierīcēm (diodēm, barošanas ierīcēm). To var izmantot arī kā abrazīvus, griešanas materiālus, konstrukcijas materiālus, optiskos materiālus, katalizatoru nesējus un citus. Mūsdienās galvenokārt tiek ieviesta silīcija karbīda keramika, kurai ir ķīmiskā stabilitāte, augsta temperatūras izturība, nodilumizturība, izturība pret koroziju, augsta siltumvadītspēja, zems termiskās izplešanās koeficients, zems blīvums un augsta mehāniskā izturība. Tos plaši izmanto tādās jomās kā ķīmiskās iekārtas, enerģētika un vides aizsardzība, pusvadītāji, metalurģija, valsts aizsardzība un militārā rūpniecība.
Silīcija karbīds (SiC)satur silīciju un oglekli, un tas ir tipisks daudztipu strukturāls savienojums, kas galvenokārt ietver divas kristāliskas formas: α-SiC (augstā temperatūrā stabils tips) un β-SiC (zemā temperatūrā stabils tips). Kopumā ir vairāk nekā 200 daudztipu, starp kuriem reprezentatīvi ir β-SiC 3C SiC un α-SiC 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC un 15R SiC.
Attēls SiC daudzķermeņu struktūra
Kad temperatūra ir zemāka par 1600 ℃, SiC pastāv β-SiC formā un to var iegūt no vienkārša silīcija un oglekļa maisījuma aptuveni 1450 ℃ temperatūrā. Kad temperatūra pārsniedz 1600 ℃, β-SiC lēnām pārvēršas dažādos α-SiC polimorfos. 4H SiC viegli rodas aptuveni 2000 ℃ temperatūrā; gan 6H, gan 15R polimorfiem vieglai veidošanās procesam nepieciešama augsta temperatūra virs 2100 ℃; 6H SiC var saglabāties ļoti stabils pat temperatūrā, kas pārsniedz 2200 ℃, tāpēc to plaši izmanto rūpnieciskos lietojumos.
Tīrs silīcija karbīds ir bezkrāsains un caurspīdīgs kristāls, savukārt rūpnieciskais silīcija karbīds var būt bezkrāsains, gaiši dzeltens, gaiši zaļš, tumši zaļš, gaiši zils, tumši zils vai pat melns, ar samazinātu caurspīdīguma līmeni. Abrazīvu materiālu rūpniecībā silīcija karbīdu iedala divos veidos, pamatojoties uz krāsu: melnais silīcija karbīds un zaļais silīcija karbīds. Bezkrāsains līdz tumši zaļš silīcija karbīds tiek klasificēts kā zaļais silīcija karbīds, savukārt gaiši zils līdz melns silīcija karbīds tiek klasificēts kā melnais silīcija karbīds. Gan melnais silīcija karbīds, gan zaļais silīcija karbīds ir alfa SiC sešstūra kristāli, un zaļā silīcija karbīda mikropulveris parasti tiek izmantots kā izejviela silīcija karbīda keramikai.
Dažādos procesos sagatavotas silīcija karbīda keramikas veiktspēja
Tomēr silīcija karbīda keramikai ir trūkums – zema lūzuma izturība un augsts trauslums. Tāpēc pēdējos gados ir pakāpeniski parādījusies uz silīcija karbīda keramikas bāzes veidota kompozītkeramika, piemēram, šķiedru (vai ūsu) stiegrojums, heterogēnu daļiņu dispersijas stiprināšana un gradientu funkcionālie materiāli, kas uzlabo atsevišķu materiālu izturību un stiprību.
Kā augstas veiktspējas strukturāls keramikas augstas temperatūras materiāls, silīcija karbīda keramika arvien vairāk tiek pielietota augstas temperatūras krāsnīs, tērauda metalurģijā, naftas ķīmijas rūpniecībā, mehāniskajā elektronikā, kosmosa, enerģētikas un vides aizsardzības, kodolenerģijas, automobiļu un citās jomās.
Paredzams, ka 2022. gadā silīcija karbīda strukturālās keramikas tirgus apjoms Ķīnā sasniegs 18,2 miljardus juaņu. Līdz ar turpmāku pielietojuma jomu paplašināšanos un lejupējās izaugsmes vajadzībām tiek lēsts, ka silīcija karbīda strukturālās keramikas tirgus apjoms līdz 2025. gadam sasniegs 29,6 miljardus juaņu.
Nākotnē, pieaugot jaunu enerģijas transportlīdzekļu, enerģētikas, rūpniecības, sakaru un citu jomu izplatībai, kā arī arvien stingrākām prasībām attiecībā uz augstas precizitātes, augstas nodilumizturības un augstas uzticamības mehāniskām sastāvdaļām vai elektroniskām sastāvdaļām dažādās jomās, paredzams, ka silīcija karbīda keramikas izstrādājumu tirgus apjoms turpinās paplašināties, starp kuriem jauni enerģijas transportlīdzekļi un fotoelektriskie elementi ir svarīgas attīstības jomas.
Silīcija karbīda keramiku izmanto keramikas krāsnīs, pateicoties tās lieliskajām augstas temperatūras mehāniskajām īpašībām, ugunsizturībai un termiskajam triecienizturībai. Veltņu krāsnis galvenokārt tiek izmantotas litija jonu akumulatoru pozitīvo elektrodu materiālu, negatīvo elektrodu materiālu un elektrolītu žāvēšanai, saķepināšanai un termiskai apstrādei. Litija akumulatoru pozitīvo un negatīvo elektrodu materiāli ir neaizstājami jauniem enerģijas transportlīdzekļiem. Silīcija karbīda keramikas krāsns mēbeles ir galvenā krāsniņu sastāvdaļa, kas var uzlabot krāsniņu ražošanas jaudu un ievērojami samazināt enerģijas patēriņu.
Silīcija karbīda keramikas izstrādājumi tiek plaši izmantoti arī dažādās automobiļu detaļās. Turklāt SiC ierīces galvenokārt tiek izmantotas jaunu enerģijas transportlīdzekļu PCU (jaudas vadības blokos, piemēram, borta DC/DC) un OBC (uzlādes blokos). SiC ierīces var samazināt PCU iekārtu svaru un tilpumu, samazināt slēdžu zudumus un uzlabot ierīču darba temperatūru un sistēmas efektivitāti; ir iespējams arī palielināt ierīces jaudas līmeni, vienkāršot shēmas struktūru, uzlabot jaudas blīvumu un palielināt uzlādes ātrumu OBC uzlādes laikā. Pašlaik daudzi automašīnu ražotāji visā pasaulē ir izmantojuši silīcija karbīdu vairākos modeļos, un silīcija karbīda plaša mēroga ieviešana ir kļuvusi par tendenci.
Ja fotoelektrisko elementu ražošanas procesā kā galvenos nesējmateriālus izmanto silīcija karbīda keramiku, iegūtajiem produktiem, piemēram, laivu balstiem, laivu kastēm un cauruļu veidgabaliem, ir laba termiskā stabilitāte, tie nedeformējas, lietojot augstā temperatūrā, un nerada kaitīgus piesārņotājus. Tie var aizstāt parasti izmantotos kvarca laivu balstus, laivu kastes un cauruļu veidgabalus, un tiem ir ievērojamas izmaksu priekšrocības.
Turklāt fotoelektrisko silīcija karbīda jaudas ierīču tirgus perspektīvas ir plašas. SiC materiāliem ir zemākas pretestības, vārtu lādiņa un reversās atgūšanas lādiņa īpašības. Izmantojot SiC Mosfet vai SiC Mosfet kombinācijā ar SiC SBD fotoelektriskajiem invertoriem, var palielināt konversijas efektivitāti no 96% līdz vairāk nekā 99%, samazināt enerģijas zudumus par vairāk nekā 50% un palielināt iekārtu cikla kalpošanas laiku 50 reizes.
Silīcija karbīda keramikas sintēzes pirmsākumi meklējami 19. gadsimta 90. gados, kad silīcija karbīdu galvenokārt izmantoja mehāniskās slīpēšanas materiāliem un ugunsizturīgiem materiāliem. Attīstoties ražošanas tehnoloģijām, ir plaši izstrādāti augsto tehnoloģiju SiC produkti, un valstis visā pasaulē pievērš lielāku uzmanību progresīvas keramikas industrializācijai. Vairs neapmierinās tikai ar tradicionālās silīcija karbīda keramikas sagatavošanu. Uzņēmumi, kas ražo augsto tehnoloģiju keramiku, attīstās straujāk, īpaši attīstītajās valstīs, kur šī parādība ir nozīmīgāka. Ārvalstu ražotāju vidū galvenokārt ir 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 u.c.
Silīcija karbīda attīstība Ķīnā notika salīdzinoši vēlu, salīdzinot ar attīstītajām valstīm, piemēram, Eiropu un Ameriku. Kopš pirmās rūpnieciskās krāsns SiC ražošanai tika uzbūvēta Pirmajā slīpripu rūpnīcā 1951. gada jūnijā, Ķīna sāka ražot silīcija karbīdu. Vietējie silīcija karbīda keramikas ražotāji galvenokārt ir koncentrēti Veifangas pilsētā, Šaņdunas provincē. Pēc speciālistu domām, tas ir tāpēc, ka vietējie ogļu ieguves uzņēmumi saskaras ar bankrotu un meklē pārveidi. Daži uzņēmumi ir ieveduši atbilstošu aprīkojumu no Vācijas, lai sāktu silīcija karbīda izpēti un ražošanu.ZPC ir viens no lielākajiem reakcijas saķepinātā silīcija karbīda ražotājiem.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 9. novembris