V posledných rokoch sa polovodičové zlúčeniny karbidu kremíka tešia v priemysle veľkej pozornosti. Ako vysokovýkonný materiál je však karbid kremíka len malou súčasťou elektronických zariadení (diódy, výkonové zariadenia). Môže sa tiež použiť ako abrazíva, rezné materiály, konštrukčné materiály, optické materiály, nosiče katalyzátorov a ďalšie. Dnes predstavujeme najmä keramiku na báze karbidu kremíka, ktorá má výhody chemickej stability, odolnosti voči vysokej teplote, odolnosti proti opotrebovaniu, odolnosti proti korózii, vysokej tepelnej vodivosti, nízkeho koeficientu tepelnej rozťažnosti, nízkej hustoty a vysokej mechanickej pevnosti. Široko sa používa v oblastiach, ako sú chemické stroje, energetika a ochrana životného prostredia, polovodiče, hutníctvo, národná obrana a vojenský priemysel.
Karbid kremíka (SiC)Obsahuje kremík a uhlík a je typickou viactypovou štrukturálnou zlúčeninou, ktorá zahŕňa najmä dve kryštálové formy: α-SiC (typ stabilný pri vysokých teplotách) a β-SiC (typ stabilný pri nízkych teplotách). Celkovo existuje viac ako 200 viactypových foriem, medzi ktorými sú reprezentatívne 3C SiC β-SiC a 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC a 15R SiC α-SiC.
Obrázok Viactelesová štruktúra SiC
Pri teplote pod 1600 ℃ existuje SiC vo forme β-SiC a možno ho pripraviť z jednoduchej zmesi kremíka a uhlíka pri teplote okolo 1450 ℃. Keď teplota prekročí 1600 ℃, β-SiC sa pomaly transformuje na rôzne polymorfy α-SiC. 4H SiC sa ľahko vytvára pri teplote okolo 2000 ℃; polymorfy 6H aj 15R vyžadujú vysoké teploty nad 2100 ℃ pre ľahkú tvorbu; 6H SiC môže zostať veľmi stabilný aj pri teplotách nad 2200 ℃, vďaka čomu sa široko používa v priemyselných aplikáciách.
Čistý karbid kremíka je bezfarebný a priehľadný kryštál, zatiaľ čo priemyselný karbid kremíka môže byť bezfarebný, bledožltý, svetlozelený, tmavozelený, svetlomodrý, tmavomodrý alebo dokonca čierny, s klesajúcou úrovňou priehľadnosti. Priemysel abrazívnych materiálov rozdeľuje karbid kremíka do dvoch typov na základe farby: čierny karbid kremíka a zelený karbid kremíka. Bezfarebný až tmavozelený karbid kremíka sa klasifikuje ako zelený karbid kremíka, zatiaľ čo svetlomodrý až čierny karbid kremíka sa klasifikuje ako čierny karbid kremíka. Čierny karbid kremíka aj zelený karbid kremíka sú šesťuholníkové kryštály alfa SiC a ako surovina na výrobu karbid kremíka sa všeobecne používa mikroprášok zeleného karbidu kremíka.
Výkonnosť karbidových keramických výrobkov z kremíka pripravených rôznymi procesmi
Karbid kremíka má však nevýhodu v podobe nízkej lomovej húževnatosti a vysokej krehkosti. Preto sa v posledných rokoch postupne objavili kompozitné keramiky na báze karbidu kremíka, ako napríklad vláknité (alebo fúzové) vystuženie, heterogénne disperzné spevnenie častíc a gradientné funkčné materiály, ktoré zlepšujú húževnatosť a pevnosť jednotlivých materiálov.
Ako vysokovýkonný konštrukčný keramický vysokoteplotný materiál sa karbid kremíka čoraz viac používa vo vysokoteplotných peciach, oceliarstve, petrochemickom priemysle, mechanickej elektronike, leteckom priemysle, energetike a ochrane životného prostredia, jadrovej energii, automobilovom priemysle a ďalších oblastiach.
Očakáva sa, že v roku 2022 dosiahne trhová veľkosť karbidu kremíka v Číne hodnotu 18,2 miliardy juanov. S ďalším rozširovaním oblastí použitia a potrebami rastu v nadväzujúcich odvetviach sa odhaduje, že trhová veľkosť karbidu kremíka dosiahne do roku 2025 hodnotu 29,6 miliardy juanov.
V budúcnosti sa očakáva, že s rastúcou mierou penetrácie nových energetických vozidiel, energetiky, priemyslu, komunikácií a ďalších oblastí, ako aj s čoraz prísnejšími požiadavkami na vysoko presné, vysoko odolné voči opotrebovaniu a vysoko spoľahlivé mechanické alebo elektronické komponenty v rôznych oblastiach, veľkosť trhu s keramickými výrobkami z karbidu kremíka bude naďalej rozširovať, medzi ktorými sú nové energetické vozidlá a fotovoltaika dôležitými oblasťami rozvoja.
Karbid kremíka sa používa v keramických peciach vďaka svojim vynikajúcim mechanickým vlastnostiam pri vysokých teplotách, ohňovzdornosti a odolnosti voči tepelným šokom. Valcové pece sa používajú hlavne na sušenie, spekanie a tepelné spracovanie materiálov kladných elektród, materiálov záporných elektród a elektrolytov lítium-iónových batérií. Materiály kladných a záporných elektród lítium-iónových batérií sú nevyhnutné pre vozidlá s novými energetickými zdrojmi. Karbid kremíka ako keramický nábytok do pecí je kľúčovou súčasťou pecí, môže zlepšiť výrobnú kapacitu pece a výrazne znížiť spotrebu energie.
Keramické výrobky z karbidu kremíka sa tiež široko používajú v rôznych automobilových súčiastkach. Okrem toho sa zariadenia SiC používajú hlavne v PCU (jednotky riadenia výkonu, ako napríklad palubné DC/DC) a OBC (nabíjacie jednotky) vozidiel s novými energetickými zdrojmi. Zariadenia SiC môžu znížiť hmotnosť a objem zariadení PCU, znížiť straty spínačov a zlepšiť prevádzkovú teplotu a systémovú účinnosť zariadení; je tiež možné zvýšiť úroveň výkonu jednotky, zjednodušiť štruktúru obvodu, zlepšiť hustotu výkonu a zvýšiť rýchlosť nabíjania počas nabíjania OBC. V súčasnosti mnoho automobiliek na celom svete používa karbid kremíka vo viacerých modeloch a rozsiahle využívanie karbidu kremíka sa stalo trendom.
Keď sa ako kľúčový nosný materiál vo výrobnom procese fotovoltaických článkov použije karbid kremíka, výsledné produkty, ako sú podpery lodí, lodné boxy a potrubné tvarovky, majú dobrú tepelnú stabilitu, nedeformujú sa pri použití pri vysokých teplotách a neprodukujú škodlivé znečisťujúce látky. Môžu nahradiť bežne používané kremenné podpery lodí, lodné boxy a potrubné tvarovky a majú značné cenové výhody.
Okrem toho sú trhové vyhliadky pre fotovoltaické zariadenia na báze karbidu kremíka široké. Materiály SiC majú nižší odpor, hradlový náboj a charakteristiky spätného náboja. Použitie SiC MOSFET alebo SiC MOSFET v kombinácii s fotovoltaickými invertormi SiC SBD môže zvýšiť účinnosť konverzie z 96 % na viac ako 99 %, znížiť straty energie o viac ako 50 % a 50-násobne predĺžiť životnosť zariadenia.
Syntéza karbidu kremíka a keramiky siaha až do 90. rokov 19. storočia, keď sa karbid kremíka používal hlavne na mechanické brúsenie materiálov a žiaruvzdorných materiálov. S rozvojom výrobnej technológie sa široko rozvíjali high-tech produkty SiC a krajiny na celom svete venujú väčšiu pozornosť industrializácii pokročilej keramiky. Už nie sú spokojné s prípravou tradičnej karbidu kremíka a keramiky. Podniky vyrábajúce high-tech keramiku sa rozvíjajú rýchlejšie, najmä v rozvinutých krajinách, kde je tento jav výraznejší. Medzi zahraničných výrobcov patria najmä 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 atď.
Vývoj karbidu kremíka v Číne bol v porovnaní s rozvinutými krajinami, ako je Európa a Amerika, relatívne oneskorený. Čína začala s výrobou karbidu kremíka od júna 1951, keď bola v Prvej továrni na brúsne kotúče postavená prvá priemyselná pec na výrobu SiC. Domáci výrobcovia keramiky z karbidu kremíka sú sústredení najmä v meste Weifang v provincii Shandong. Podľa odborníkov je to preto, že miestne uhoľné ťažobné podniky čelia bankrotu a snažia sa o transformáciu. Niektoré spoločnosti zaviedli príslušné zariadenia z Nemecka, aby začali s výskumom a výrobou karbidu kremíka.ZPC je jedným z najväčších výrobcov reakčne spekaného karbidu kremíka.
Čas uverejnenia: 9. novembra 2024