De afgelopen jaren hebben halfgeleiders op basis van siliciumcarbide veel aandacht gekregen in de industrie. Siliciumcarbide is echter als hoogwaardig materiaal slechts een klein onderdeel van elektronische componenten (diodes, vermogenscomponenten). Het kan ook worden gebruikt als schuurmiddel, snijmateriaal, constructiemateriaal, optisch materiaal, katalysatordrager en meer. Vandaag bespreken we voornamelijk siliciumcarbidekeramiek, dat voordelen biedt zoals chemische stabiliteit, hoge temperatuurbestendigheid, slijtvastheid, corrosiebestendigheid, hoge thermische geleidbaarheid, lage thermische uitzettingscoëfficiënt, lage dichtheid en hoge mechanische sterkte. Het wordt veelvuldig toegepast in sectoren zoals de chemische industrie, energie- en milieubescherming, halfgeleiders, metallurgie, defensie en de militaire industrie.
Siliciumcarbide (SiC)SiC bevat silicium en koolstof en is een typische multi-type structuurverbinding, die hoofdzakelijk twee kristalvormen omvat: α-SiC (hogetemperatuurstabiel type) en β-SiC (lagetemperatuurstabiel type). Er zijn in totaal meer dan 200 multi-typen, waaronder de 3C SiC van β-SiC en de 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC en 15R SiC van α-SiC als representatieve voorbeelden.
Figuur SiC meerlichaamsstructuur
Bij temperaturen onder de 1600 ℃ bestaat SiC in de vorm van β-SiC en kan het worden bereid uit een eenvoudig mengsel van silicium en koolstof bij ongeveer 1450 ℃. Boven de 1600 ℃ transformeert β-SiC langzaam in verschillende polymorfen van α-SiC. 4H-SiC wordt gemakkelijk gevormd bij ongeveer 2000 ℃; zowel de 6H- als de 15R-polymorfen vereisen hoge temperaturen boven de 2100 ℃ voor een gemakkelijke vorming; 6H-SiC blijft zeer stabiel, zelfs bij temperaturen boven de 2200 ℃, waardoor het veelvuldig wordt gebruikt in industriële toepassingen.
Zuiver siliciumcarbide is een kleurloos en transparant kristal, terwijl industrieel siliciumcarbide kleurloos, lichtgeel, lichtgroen, donkergroen, lichtblauw, donkerblauw of zelfs zwart kan zijn, met een afnemende transparantie. De schuurmiddelenindustrie categoriseert siliciumcarbide op basis van kleur in twee typen: zwart siliciumcarbide en groen siliciumcarbide. Kleurloos tot donkergroen siliciumcarbide wordt geclassificeerd als groen siliciumcarbide, terwijl lichtblauw tot zwart siliciumcarbide wordt geclassificeerd als zwart siliciumcarbide. Zowel zwart als groen siliciumcarbide zijn hexagonale alfa-SiC-kristallen, en groen siliciumcarbide-micropoeder wordt over het algemeen gebruikt als grondstof voor siliciumcarbidekeramiek.
Prestaties van siliciumcarbidekeramiek bereid via verschillende processen
Siliciumcarbidekeramiek heeft echter als nadeel een lage breuktaaiheid en een hoge brosheid. Daarom zijn er de laatste jaren steeds meer composietkeramieken op basis van siliciumcarbidekeramiek ontwikkeld, zoals vezelversterking (of whiskerversterking), versterking door heterogene deeltjesdispersie en functionele materialen met een gradiënt, die de taaiheid en sterkte van de afzonderlijke materialen verbeteren.
Siliciumcarbidekeramiek is een hoogwaardig structureel keramisch materiaal dat bestand is tegen hoge temperaturen en wordt steeds vaker toegepast in ovens met hoge temperaturen, de staalindustrie, de petrochemie, de mechanische elektronica, de lucht- en ruimtevaart, de energie- en milieubescherming, de kernenergie, de automobielindustrie en andere sectoren.
Naar verwachting zal de markt voor structurele siliciumcarbidekeramiek in China in 2022 een omvang van 18,2 miljard yuan bereiken. Met verdere uitbreiding van toepassingsgebieden en groeiende vraag vanuit de downstreammarkt zal de markt naar schatting in 2025 een omvang van 29,6 miljard yuan bereiken.
In de toekomst zal de markt voor siliciumcarbidekeramische producten naar verwachting blijven groeien, met de toenemende penetratie van elektrische voertuigen, energie, industrie, communicatie en andere sectoren, en de steeds strengere eisen aan zeer nauwkeurige, slijtvaste en betrouwbare mechanische en elektronische componenten in diverse sectoren. Elektrische voertuigen en fotovoltaïsche systemen vormen hierbij belangrijke ontwikkelingsgebieden.
Siliciumcarbidekeramiek wordt in keramische ovens gebruikt vanwege de uitstekende mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen, de brandwerendheid en de thermische schokbestendigheid. Met name walsovens worden gebruikt voor het drogen, sinteren en warmtebehandelen van positieve en negatieve elektrodematerialen voor lithium-ionbatterijen, evenals elektrolyten. Deze positieve en negatieve elektrodematerialen zijn onmisbaar voor elektrische voertuigen. De keramische ovenbekleding van siliciumcarbide is een essentieel onderdeel van ovens, waarmee de productiecapaciteit kan worden verhoogd en het energieverbruik aanzienlijk kan worden verlaagd.
Keramische siliciumcarbideproducten worden ook veelvuldig gebruikt in diverse auto-onderdelen. Daarnaast worden SiC-componenten voornamelijk toegepast in PCU's (power control units, zoals on-board DC/DC-omvormers) en OBC's (chargers) van elektrische voertuigen. SiC-componenten kunnen het gewicht en volume van PCU-apparatuur verminderen, schakelverliezen beperken en de bedrijfstemperatuur en systeemefficiëntie verbeteren. Bovendien is het mogelijk om het vermogen van de component te verhogen, de circuitstructuur te vereenvoudigen, de vermogensdichtheid te verbeteren en de laadsnelheid tijdens het opladen via een OBC te verhogen. Momenteel gebruiken veel autofabrikanten wereldwijd siliciumcarbide in diverse modellen en is de grootschalige toepassing ervan een trend geworden.
Wanneer siliciumcarbidekeramiek wordt gebruikt als belangrijk dragermateriaal in het productieproces van fotovoltaïsche cellen, hebben de resulterende producten, zoals bootsteunen, bootbehuizingen en buisfittingen, een goede thermische stabiliteit, vervormen ze niet bij gebruik bij hoge temperaturen en produceren ze geen schadelijke stoffen. Ze kunnen de veelgebruikte kwarts bootsteunen, bootbehuizingen en buisfittingen vervangen en bieden aanzienlijke kostenvoordelen.
Bovendien zijn de marktvooruitzichten voor fotovoltaïsche siliciumcarbide (SiC) vermogenscomponenten breed. SiC-materialen hebben een lagere aanweerstand, gate-lading en omgekeerde herstellading. Het gebruik van SiC MOSFET's of SiC MOSFET's in combinatie met SiC SBD-fotovoltaïsche omvormers kan de conversie-efficiëntie verhogen van 96% tot meer dan 99%, het energieverlies met meer dan 50% verminderen en de levensduur van de apparatuur met een factor 50 verlengen.
De synthese van siliciumcarbidekeramiek gaat terug tot de jaren 1890, toen siliciumcarbide voornamelijk werd gebruikt voor mechanische slijpmaterialen en vuurvaste materialen. Met de ontwikkeling van productietechnologie zijn hoogwaardige SiC-producten op grote schaal ontwikkeld en besteden landen over de hele wereld steeds meer aandacht aan de industrialisatie van geavanceerde keramiek. Ze nemen geen genoegen meer met de productie van traditionele siliciumcarbidekeramiek. Bedrijven die hoogwaardige keramiek produceren, ontwikkelen zich steeds sneller, vooral in ontwikkelde landen waar dit fenomeen het meest significant is. Buitenlandse fabrikanten zijn onder andere 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, enzovoort.
De ontwikkeling van siliciumcarbide in China kwam relatief laat op gang in vergelijking met ontwikkelde landen zoals Europa en Amerika. Sinds de bouw van de eerste industriële oven voor de productie van SiC in juni 1951 in de Eerste Slijpschijffabriek, is China begonnen met de productie van siliciumcarbide. De binnenlandse producenten van siliciumcarbidekeramiek zijn voornamelijk geconcentreerd in Weifang, in de provincie Shandong. Volgens deskundigen komt dit doordat lokale kolenmijnbouwbedrijven met faillissementen worden geconfronteerd en transformatie nastreven. Sommige bedrijven hebben relevante apparatuur uit Duitsland geïmporteerd om onderzoek te doen naar en siliciumcarbide te produceren.ZPC is een van de grootste fabrikanten van reactiegesinterd siliciumcarbide.
Geplaatst op: 09-11-2024