În ultimii ani, semiconductorii compuși din carbură de siliciu au primit o atenție largă în industrie. Cu toate acestea, ca material de înaltă performanță, carbura de siliciu reprezintă doar o mică parte a dispozitivelor electronice (diode, dispozitive de alimentare). Poate fi utilizată și ca abraziv, material de tăiere, materiale structurale, materiale optice, suport de catalizator și multe altele. Astăzi, introducem în principal ceramica din carbură de siliciu, care prezintă avantajele stabilității chimice, rezistenței la temperaturi ridicate, rezistenței la uzură, rezistenței la coroziune, conductivității termice ridicate, coeficientului de dilatare termică scăzut, densității reduse și rezistenței mecanice ridicate. Sunt utilizați pe scară largă în domenii precum utilajele chimice, energia și protecția mediului, semiconductorii, metalurgia, apărarea națională și industria militară.
Carbură de siliciu (SiC)Conține siliciu și carbon și este un compus structural multitip tipic, incluzând în principal două forme cristaline: α-SiC (tip stabil la temperaturi ridicate) și β-SiC (tip stabil la temperaturi scăzute). Există peste 200 de tipuri multiple în total, printre care 3C SiC din β-SiC și 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC și 15R SiC din α-SiC sunt reprezentative.
Figura Structură multicorp SiC
Când temperatura este sub 1600 ℃, SiC există sub formă de β-SiC și poate fi preparat dintr-un amestec simplu de siliciu și carbon la aproximativ 1450 ℃. Când temperatura depășește 1600 ℃, β-SiC se transformă lent în diverse forme polimorfe de α-SiC. 4H SiC se generează ușor la aproximativ 2000 ℃; Atât polimorfele 6H, cât și cele 15R necesită temperaturi ridicate, peste 2100 ℃, pentru o formare ușoară; 6H SiC poate rămâne foarte stabil chiar și la temperaturi care depășesc 2200 ℃, ceea ce îl face utilizat pe scară largă în aplicații industriale.
Carbura de siliciu pură este un cristal incolor și transparent, în timp ce carbura de siliciu industrială poate fi incoloră, galben pal, verde deschis, verde închis, albastru deschis, albastru închis sau chiar neagră, cu niveluri de transparență descrescătoare. Industria abrazivă clasifică carbura de siliciu în două tipuri în funcție de culoare: carbură de siliciu neagră și carbură de siliciu verde. Carbura de siliciu incoloră până la verde închis este clasificată drept carbură de siliciu verde, în timp ce carbura de siliciu de la albastru deschis până la negru este clasificată drept carbură de siliciu neagră. Carbura de siliciu neagră și carbura de siliciu verde sunt ambele cristale hexagonale alfa SiC, iar micropulberea de carbură de siliciu verde este în general utilizată ca materie primă pentru ceramica de carbură de siliciu.
Performanța ceramicii din carbură de siliciu preparate prin diferite procese
Cu toate acestea, ceramica din carbură de siliciu prezintă dezavantajul unei tenacități reduse la fractură și al unei fragilități ridicate. Prin urmare, în ultimii ani, au apărut succesiv ceramici compozite pe bază de ceramică din carbură de siliciu, cum ar fi armarea cu fibre (sau whisker), întărirea cu dispersie eterogenă de particule și materialele funcționale cu gradient, îmbunătățind tenacitatea și rezistența materialelor individuale.
Ca material ceramic structural de înaltă performanță pentru temperaturi înalte, ceramica din carbură de siliciu a fost utilizată din ce în ce mai mult în cuptoare cu temperaturi înalte, metalurgia oțelului, petrochimie, electronică mecanică, industria aerospațială, energie și protecția mediului, energia nucleară, automobile și alte domenii.
În 2022, se așteaptă ca dimensiunea pieței ceramicii structurale din carbură de siliciu din China să ajungă la 18,2 miliarde de yuani. Odată cu extinderea în continuare a domeniilor de aplicare și a nevoilor de creștere în aval, se estimează că dimensiunea pieței ceramicii structurale din carbură de siliciu va ajunge la 29,6 miliarde de yuani până în 2025.
În viitor, odată cu creșterea ratei de penetrare a vehiculelor din surse energetice noi, a energiei, industriei, comunicațiilor și a altor domenii, precum și cu cerințele din ce în ce mai stricte privind componentele mecanice sau electronice de înaltă precizie, rezistență ridicată la uzură și fiabilitate ridicată în diverse domenii, se așteaptă ca dimensiunea pieței produselor ceramice din carbură de siliciu să continue să se extindă, printre care vehiculele din surse energetice noi și fotovoltaica sunt domenii importante de dezvoltare.
Ceramica din carbură de siliciu este utilizată în cuptoarele ceramice datorită proprietăților mecanice excelente la temperaturi ridicate, rezistenței la foc și rezistenței la șocuri termice. Printre acestea, cuptoarele cu role sunt utilizate în principal pentru uscarea, sinterizarea și tratamentul termic al materialelor pentru electrozii pozitivi ai bateriilor litiu-ion, materialelor pentru electrozii negativi și electroliților. Materialele pentru electrozii pozitivi și negativi ai bateriilor litiu sunt indispensabile pentru vehiculele cu energie nouă. Mobilierul ceramic al cuptoarelor din carbură de siliciu este o componentă cheie a cuptoarelor, putând îmbunătăți capacitatea de producție a cuptorului și reducând semnificativ consumul de energie.
Produsele ceramice din carbură de siliciu sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în diverse componente auto. În plus, dispozitivele SiC sunt utilizate în principal în PCU (unități de control al puterii, cum ar fi DC/DC la bord) și OBC (unități de încărcare) ale vehiculelor cu energie nouă. Dispozitivele SiC pot reduce greutatea și volumul echipamentelor PCU, pot reduce pierderile de comutare și pot îmbunătăți temperatura de lucru și eficiența sistemului dispozitivelor; De asemenea, este posibilă creșterea nivelului de putere al unității, simplificarea structurii circuitului, îmbunătățirea densității de putere și creșterea vitezei de încărcare în timpul încărcării OBC. În prezent, multe companii auto din întreaga lume au utilizat carbură de siliciu în mai multe modele, iar adoptarea pe scară largă a carburii de siliciu a devenit o tendință.
Atunci când ceramica din carbură de siliciu este utilizată ca material suport cheie în procesul de producție a celulelor fotovoltaice, produsele rezultate, cum ar fi suporturile pentru bărci, cutiile pentru bărci și fitingurile pentru țevi, au o bună stabilitate termică, nu se deformează atunci când sunt utilizate la temperaturi ridicate și nu produc poluanți nocivi. Acestea pot înlocui suporturile pentru bărci, cutiile pentru bărci și fitingurile pentru țevi din cuarț utilizate în mod obișnuit și prezintă avantaje semnificative în materie de costuri.
În plus, perspectivele de piață pentru dispozitivele fotovoltaice de alimentare din carbură de siliciu sunt largi. Materialele SiC au caracteristici mai scăzute de rezistență, sarcină de poartă și recuperare inversă a încărcării. Utilizarea tranzistoarelor SiC MOSFET sau SiC MOSFET combinate cu invertoare fotovoltaice SiC SBD poate crește eficiența conversiei de la 96% la peste 99%, poate reduce pierderile de energie cu peste 50% și poate crește durata de viață a echipamentului de 50 de ori.
Sinteza ceramicii din carbură de siliciu poate fi urmărită încă din anii 1890, când carbura de siliciu era utilizată în principal pentru măcinarea mecanică a materialelor și a materialelor refractare. Odată cu dezvoltarea tehnologiei de producție, produsele SiC de înaltă tehnologie au fost dezvoltate pe scară largă, iar țările din întreaga lume acordă o atenție sporită industrializării ceramicii avansate. Acestea nu se mai mulțumesc cu prepararea ceramicii tradiționale din carbură de siliciu. Întreprinderile producătoare de ceramică de înaltă tehnologie se dezvoltă mai rapid, în special în țările dezvoltate, unde acest fenomen este mai semnificativ. Printre producătorii străini se numără în principal 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.
Dezvoltarea carburii de siliciu în China a fost relativ târzie în comparație cu țările dezvoltate precum Europa și America. De la construirea primului cuptor industrial pentru fabricarea SiC la Prima Fabrică de Roți de șlefuit în iunie 1951, China a început să producă carbură de siliciu. Producătorii autohtoni de ceramică din carbură de siliciu sunt concentrați în principal în orașul Weifang, provincia Shandong. Potrivit specialiștilor, acest lucru se datorează faptului că întreprinderile locale de exploatare a cărbunelui se confruntă cu falimentul și caută transformare. Unele companii au introdus echipamente relevante din Germania pentru a începe cercetarea și producerea de carbură de siliciu.ZPC este unul dintre cei mai mari producători de carbură de siliciu sinterizată prin reacție.
Data publicării: 09 noiembrie 2024