В последние годы полупроводники на основе карбида кремния получили широкое внимание в промышленности. Однако, как высокопроизводительный материал, карбид кремния составляет лишь небольшую часть электронных устройств (диодов, силовых устройств). Он также может использоваться в качестве абразивов, режущих материалов, конструкционных материалов, оптических материалов, носителей катализаторов и многого другого. Сегодня мы в основном представляем керамику на основе карбида кремния, которая обладает преимуществами химической стабильности, высокой термостойкости, износостойкости, коррозионной стойкости, высокой теплопроводности, низкого коэффициента теплового расширения, низкой плотности и высокой механической прочности. Они широко используются в таких областях, как химическое машиностроение, энергетика и защита окружающей среды, полупроводники, металлургия, национальная оборона и военная промышленность.
Карбид кремния (SiC)содержит кремний и углерод и является типичным многотипным структурным соединением, в основном включающим две кристаллические формы: α – SiC (высокотемпературный стабильный тип) и β – SiC (низкотемпературный стабильный тип). Всего существует более 200 многотипов, среди которых 3C SiC β – SiC и 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC и 15R SiC α – SiC являются репрезентативными.
Рисунок SiC многотельная структура
При температуре ниже 1600 ℃ SiC существует в форме β – SiC и может быть получен из простой смеси кремния и углерода при температуре около 1450 ℃. Когда температура превышает 1600 ℃, β – SiC медленно превращается в различные полиморфы α – SiC. 4H SiC легко образуется при температуре около 2000 ℃; для полиморфов 6H и 15R требуются высокие температуры выше 2100 ℃ для легкого образования; 6H SiC может оставаться очень стабильным даже при температурах, превышающих 2200 ℃, что делает его широко используемым в промышленных приложениях.
Чистый карбид кремния — бесцветный и прозрачный кристалл, в то время как промышленный карбид кремния может быть бесцветным, бледно-желтым, светло-зеленым, темно-зеленым, светло-голубым, темно-синим или даже черным, с уменьшающимися уровнями прозрачности. Абразивная промышленность классифицирует карбид кремния на два типа в зависимости от цвета: черный карбид кремния и зеленый карбид кремния. Бесцветный или темно-зеленый карбид кремния классифицируется как зеленый карбид кремния, в то время как светло-синий или черный карбид кремния классифицируется как черный карбид кремния. Черный карбид кремния и зеленый карбид кремния — это гексагональные кристаллы альфа-SiC, а микропорошок зеленого карбида кремния обычно используется в качестве сырья для керамики из карбида кремния.
Характеристики керамики на основе карбида кремния, полученной различными способами
Однако керамика из карбида кремния имеет недостаток в виде низкой вязкости разрушения и высокой хрупкости. Поэтому в последние годы последовательно появились композитные керамики на основе керамики из карбида кремния, такие как армирование волокнами (или нитевидными кристаллами), упрочнение гетерогенной дисперсией частиц и градиентные функциональные материалы, которые повышают вязкость и прочность отдельных материалов.
Керамика на основе карбида кремния, являясь высокоэффективным конструкционным керамическим высокотемпературным материалом, находит все более широкое применение в высокотемпературных печах, сталелитейной промышленности, нефтехимии, машиностроении, электронике, аэрокосмической промышленности, энергетике и охране окружающей среды, ядерной энергетике, автомобилестроении и других областях.
Ожидается, что в 2022 году объем рынка конструкционной керамики из карбида кремния в Китае достигнет 18,2 млрд юаней. С учетом дальнейшего расширения областей применения и потребностей в росте в нисходящей цепочке, по оценкам, объем рынка конструкционной керамики из карбида кремния к 2025 году достигнет 29,6 млрд юаней.
В будущем, с ростом темпов проникновения новых энергетических транспортных средств в энергетику, промышленность, связь и другие сферы, а также с ужесточением требований к высокоточным, износостойким и надежным механическим компонентам или электронным компонентам в различных областях, ожидается, что объем рынка изделий из карбидкремниевой керамики продолжит расти, среди которых важными направлениями развития являются новые энергетические транспортные средства и фотоэлектрические системы.
Керамика из карбида кремния используется в керамических печах из-за ее превосходных высокотемпературных механических свойств, огнестойкости и стойкости к тепловому удару. Среди них роликовые печи в основном используются для сушки, спекания и термической обработки материалов положительных электродов литий-ионных аккумуляторов, материалов отрицательных электродов и электролитов. Материалы положительных и отрицательных электродов литиевых аккумуляторов незаменимы для новых энергетических транспортных средств. Керамическая фурнитура из карбида кремния является ключевым компонентом печей, который может улучшить производительность печи и значительно снизить потребление энергии.
Керамические изделия из карбида кремния также широко используются в различных автомобильных компонентах. Кроме того, устройства SiC в основном используются в PCU (блоки управления питанием, такие как бортовые DC/DC) и OBC (зарядные устройства) новых энергетических транспортных средств. Устройства SiC могут уменьшить вес и объем оборудования PCU, уменьшить потери переключения и улучшить рабочую температуру и эффективность системы устройств; также возможно увеличить уровень мощности блока, упростить структуру схемы, улучшить плотность мощности и увеличить скорость зарядки во время зарядки OBC. В настоящее время многие автомобильные компании по всему миру используют карбид кремния в нескольких моделях, и широкомасштабное внедрение карбида кремния стало тенденцией.
При использовании керамики из карбида кремния в качестве основных материалов-носителей в процессе производства фотоэлектрических элементов, получаемые изделия, такие как опоры для лодок, лодочные ящики и фитинги для труб, обладают хорошей термостойкостью, не деформируются при использовании при высоких температурах и не выделяют вредных загрязняющих веществ. Они могут заменить обычно используемые кварцевые опоры для лодок, лодочные ящики и фитинги для труб и имеют значительные преимущества в плане стоимости.
Кроме того, перспективы рынка для фотоэлектрических силовых устройств на основе карбида кремния широки. Материалы SiC имеют более низкие характеристики сопротивления, заряда затвора и обратного восстановления заряда. Использование SiC Mosfet или SiC Mosfet в сочетании с фотоэлектрическими инверторами SiC SBD может повысить эффективность преобразования с 96% до более чем 99%, сократить потери энергии более чем на 50% и увеличить срок службы оборудования в 50 раз.
Синтез керамики из карбида кремния можно проследить до 1890-х годов, когда карбид кремния в основном использовался для механических шлифовальных материалов и огнеупорных материалов. С развитием технологий производства высокотехнологичные изделия из SiC получили широкое развитие, и страны по всему миру уделяют все больше внимания индустриализации передовой керамики. Они больше не довольствуются получением традиционной керамики из карбида кремния. Предприятия, производящие высокотехнологичную керамику, развиваются более быстрыми темпами, особенно в развитых странах, где это явление более значимо. К зарубежным производителям в основном относятся 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 и др.
Разработка карбида кремния в Китае произошла относительно поздно по сравнению с развитыми странами, такими как Европа и Америка. С тех пор, как в июне 1951 года на Первом заводе шлифовальных кругов была построена первая промышленная печь для производства SiC, Китай начал производить карбид кремния. Отечественные производители керамики из карбида кремния в основном сосредоточены в городе Вэйфан провинции Шаньдун. По словам специалистов, это связано с тем, что местные угледобывающие предприятия сталкиваются с банкротством и стремятся к трансформации. Некоторые компании ввезли соответствующее оборудование из Германии, чтобы начать исследования и производство карбида кремния.ZPC — один из крупнейших производителей реакционно-спеченного карбида кремния.
Время публикации: 09.11.2024