V zadnjih letih so polprevodniške spojine silicijevega karbida v industriji deležne široke pozornosti. Vendar pa je silicijev karbid kot visokozmogljiv material le majhen del elektronskih naprav (diode, napajalne naprave). Uporablja se lahko tudi kot abraziv, rezalni material, konstrukcijski material, optični material, nosilci katalizatorjev in drugo. Danes predstavljamo predvsem silicijev karbidno keramiko, ki ima prednosti kemične stabilnosti, visoke temperaturne odpornosti, odpornosti proti obrabi, odpornosti proti koroziji, visoke toplotne prevodnosti, nizkega koeficienta toplotnega raztezanja, nizke gostote in visoke mehanske trdnosti. Široko se uporablja na področjih, kot so kemični stroji, energetika in varstvo okolja, polprevodniki, metalurgija, nacionalna obramba in vojaška industrija.
Silicijev karbid (SiC)Vsebuje silicij in ogljik ter je tipična večtipska strukturna spojina, ki vključuje predvsem dve kristalni obliki: α-SiC (vrsta, stabilna pri visokih temperaturah) in β-SiC (vrsta, stabilna pri nizkih temperaturah). Skupno obstaja več kot 200 večtipskih spojin, med katerimi so reprezentativni 3C SiC β-SiC ter 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC in 15R SiC α-SiC.
Slika SiC večtelesne strukture
Ko je temperatura pod 1600 ℃, obstaja SiC v obliki β-SiC in ga je mogoče pripraviti iz preproste mešanice silicija in ogljika pri približno 1450 ℃. Ko temperatura preseže 1600 ℃, se β-SiC počasi pretvori v različne polimorfe α-SiC. 4H SiC se zlahka tvori pri približno 2000 ℃; tako polimorfa 6H kot 15R zahtevata visoke temperature nad 2100 ℃ za enostavno tvorbo; 6H SiC lahko ostane zelo stabilen tudi pri temperaturah nad 2200 ℃, zaradi česar se pogosto uporablja v industrijskih aplikacijah.
Čisti silicijev karbid je brezbarven in prozoren kristal, medtem ko je industrijski silicijev karbid lahko brezbarven, bledo rumen, svetlo zelen, temno zelen, svetlo moder, temno moder ali celo črn, z padajočo stopnjo prosojnosti. Abrazivna industrija silicijev karbid glede na barvo razvršča v dve vrsti: črni silicijev karbid in zeleni silicijev karbid. Brezbarven do temno zelen silicijev karbid se uvršča med zelene silicijeve karbide, svetlo moder do črn silicijev karbid pa se uvršča med črne silicijeve karbide. Črni silicijev karbid in zeleni silicijev karbid sta oba heksagonalna kristala alfa SiC, zeleni mikro prah silicijevega karbida pa se običajno uporablja kot surovina za silicijev karbidno keramiko.
Učinkovitost silicijeve karbidne keramike, pripravljene z različnimi postopki
Vendar pa ima silicijev karbidna keramika pomanjkljivost nizke lomne žilavosti in visoke krhkosti. Zato so se v zadnjih letih postopoma pojavile kompozitne keramike na osnovi silicijevega karbida, kot so ojačitve z vlakni (ali brki), ojačanja z disperzijo heterogenih delcev in gradientni funkcionalni materiali, ki izboljšujejo žilavost in trdnost posameznih materialov.
Kot visokozmogljiv strukturni keramični visokotemperaturni material se silicijev karbid vse pogosteje uporablja v visokotemperaturnih pečeh, jeklarski metalurgiji, petrokemiji, mehanski elektroniki, vesoljski industriji, energetiki in varstvu okolja, jedrski energiji, avtomobilih in drugih področjih.
Leta 2022 naj bi velikost trga silicijeve karbidne konstrukcijske keramike na Kitajskem dosegla 18,2 milijarde juanov. Z nadaljnjo širitvijo področij uporabe in potrebami po rasti na nižji stopnji se ocenjuje, da bo velikost trga silicijeve karbidne konstrukcijske keramike do leta 2025 dosegla 29,6 milijarde juanov.
V prihodnosti se pričakuje, da se bo trg keramičnih izdelkov iz silicijevega karbida še naprej širil, saj se bo stopnja prodora novih energetskih vozil, energetike, industrije, komunikacij in drugih področij, pa tudi vse strožje zahteve za visoko natančne, visoko odporne proti obrabi in visoko zanesljive mehanske ali elektronske komponente na različnih področjih, med katerimi sta pomembna razvojna področja nova energetska vozila in fotovoltaika.
Silicijev karbidni keramični materiali se uporabljajo v keramičnih pečeh zaradi svojih odličnih mehanskih lastnosti pri visokih temperaturah, požarne odpornosti in odpornosti na toplotne udarce. Med njimi se valjčne peči uporabljajo predvsem za sušenje, sintranje in toplotno obdelavo pozitivnih in negativnih elektrod litijevih baterij ter elektrolitov. Pozitivne in negativne elektrode litijevih baterij so nepogrešljive za vozila z novimi viri energije. Okovje za peči iz silicijevega karbida je ključni sestavni del peči, saj lahko izboljša proizvodno zmogljivost peči in znatno zmanjša porabo energije.
Keramični izdelki iz silicijevega karbida se pogosto uporabljajo tudi v različnih avtomobilskih komponentah. Poleg tega se naprave SiC uporabljajo predvsem v PCU (enote za krmiljenje moči, kot so vgrajene DC/DC enote) in OBC (polnilne enote) vozil na nova energetska goriva. Naprave SiC lahko zmanjšajo težo in prostornino opreme PCU, zmanjšajo izgube stikal ter izboljšajo delovno temperaturo in učinkovitost sistema naprav; možno je tudi povečati raven moči enote, poenostaviti strukturo vezja, izboljšati gostoto moči in povečati hitrost polnjenja med polnjenjem OBC. Trenutno številna avtomobilska podjetja po vsem svetu uporabljajo silicijev karbid v več modelih, obsežna uporaba silicijevega karbida pa je postala trend.
Ko se silicijev karbidna keramika uporablja kot ključni nosilni material v proizvodnem procesu fotonapetostnih celic, imajo nastali izdelki, kot so nosilci za čolne, zaboji za čolne in cevni fitingi, dobro toplotno stabilnost, se pri uporabi pri visokih temperaturah ne deformirajo in ne proizvajajo škodljivih onesnaževal. Lahko nadomestijo pogosto uporabljene kremenčeve nosilce za čolne, zaboje za čolne in cevne fitinge ter imajo znatne stroškovne prednosti.
Poleg tega so tržne možnosti za fotovoltaične naprav iz silicijevega karbida široke. Materiali SiC imajo nižjo upornost, naboj na vratih in obratno regenerativno nabojno napetost. Uporaba SiC Mosfeta ali SiC Mosfeta v kombinaciji s fotovoltaičnimi razsmerniki SiC SBD lahko poveča učinkovitost pretvorbe z 96 % na več kot 99 %, zmanjša izgubo energije za več kot 50 % in podaljša življenjsko dobo opreme za 50-krat.
Sintezo silicijevega karbida lahko zasledimo v devetdesetih letih 19. stoletja, ko se je silicijev karbid uporabljal predvsem za mehansko brušenje materialov in ognjevzdržne materiale. Z razvojem proizvodne tehnologije so se visokotehnološki izdelki SiC široko razvili in države po vsem svetu posvečajo več pozornosti industrializaciji napredne keramike. Niso več zadovoljne s pripravo tradicionalne silicijevega karbidne keramike. Podjetja, ki proizvajajo visokotehnološko keramiko, se hitreje razvijajo, zlasti v razvitih državah, kjer je ta pojav bolj izrazit. Med tuje proizvajalce spadajo predvsem 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 itd.
Razvoj silicijevega karbida na Kitajskem je bil v primerjavi z razvitimi državami, kot sta Evropa in Amerika, relativno pozen. Kitajska je začela proizvajati silicijev karbid že od izgradnje prve industrijske peči za proizvodnjo SiC v tovarni First Grinding Wheels junija 1951. Domači proizvajalci silicijevega karbida so večinoma skoncentrirani v mestu Weifang v provinci Shandong. Po mnenju strokovnjakov je to zato, ker se lokalna premogovniška podjetja soočajo s stečajem in iščejo preobrazbo. Nekatera podjetja so iz Nemčije uvedla ustrezno opremo za začetek raziskav in proizvodnje silicijevega karbida.ZPC je eden največjih proizvajalcev reakcijsko sintranega silicijevega karbida.
Čas objave: 9. november 2024