Under senare år har halvledare av kiselkarbidföreningar fått stor uppmärksamhet inom industrin. Men som ett högpresterande material är kiselkarbid bara en liten del av elektroniska apparater (dioder, kraftkomponenter). Det kan också användas som slipmedel, skärmaterial, strukturmaterial, optiska material, katalysatorbärare med mera. Idag introducerar vi främst kiselkarbidkeramik, som har fördelarna med kemisk stabilitet, hög temperaturbeständighet, slitstyrka, korrosionsbeständighet, hög värmeledningsförmåga, låg värmeutvidgningskoefficient, låg densitet och hög mekanisk hållfasthet. De används ofta inom områden som kemiska maskiner, energi- och miljöskydd, halvledare, metallurgi, nationellt försvar och militärindustri.
Kiselkarbid (SiC)innehåller kisel och kol, och är en typisk strukturell förening med flera typer, huvudsakligen bestående av två kristallformer: α-SiC (högtemperaturstabil typ) och β-SiC (lågtemperaturstabil typ). Det finns mer än 200 multityper totalt, bland vilka 3C SiC av β-SiC och 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC och 15R SiC av α-SiC är representativa.
Figur SiC flerkroppsstruktur
När temperaturen är under 1600 ℃ existerar SiC i form av β-SiC och kan framställas från en enkel blandning av kisel och kol vid cirka 1450 ℃. När temperaturen överstiger 1600 ℃ omvandlas β-SiC långsamt till olika polymorfer av α-SiC. 4H SiC genereras lätt vid cirka 2000 ℃; Både 6H- och 15R-polymorfer kräver höga temperaturer över 2100 ℃ för enkel bildning; 6H SiC kan förbli mycket stabil även vid temperaturer över 2200 ℃, vilket gör den till en flitigt använd industri.
Ren kiselkarbid är en färglös och transparent kristall, medan industriell kiselkarbid kan vara färglös, ljusgul, ljusgrön, mörkgrön, ljusblå, mörkblå eller till och med svart, med minskande transparensnivåer. Slipmedelsindustrin kategoriserar kiselkarbid i två typer baserat på färg: svart kiselkarbid och grön kiselkarbid. Färglös till mörkgrön kiselkarbid klassificeras som grön kiselkarbid, medan ljusblå till svart kiselkarbid klassificeras som svart kiselkarbid. Svart kiselkarbid och grön kiselkarbid är båda hexagonala alfa-SiC-kristaller, och grönt kiselkarbidmikropulver används vanligtvis som råmaterial för kiselkarbidkeramik.
Prestanda hos kiselkarbidkeramik framställd med olika processer
Kiselkarbidkeramik har emellertid nackdelen med låg brottseghet och hög sprödhet. Därför har kompositkeramik baserad på kiselkarbidkeramik, såsom fiberförstärkning (eller whiskerförstärkning), heterogen partikeldispersionsförstärkning och gradientfunktionella material, successivt framkommit, vilket förbättrar segheten och hållfastheten hos enskilda material.
Som ett högpresterande strukturellt keramiskt högtemperaturmaterial har kiselkarbidkeramik i allt större utsträckning använts inom högtemperaturugnar, stålmetallurgi, petrokemikalier, mekanisk elektronik, flyg- och rymdindustrin, energi- och miljöskydd, kärnkraft, bilindustrin och andra områden.
År 2022 förväntas marknadsstorleken för strukturkeramik av kiselkarbid i Kina uppgå till 18,2 miljarder yuan. Med ytterligare expansion av tillämpningsområden och behov av tillväxt i efterföljande led uppskattas marknadsstorleken för strukturkeramik av kiselkarbid uppgå till 29,6 miljarder yuan år 2025.
I framtiden, med den ökande penetrationsgraden för nya energifordon, energi, industri, kommunikation och andra områden, samt de allt strängare kraven på mekaniska komponenter eller elektroniska komponenter med hög precision, hög slitstyrka och hög tillförlitlighet inom olika områden, förväntas marknadsstorleken för kiselkarbidkeramikprodukter fortsätta att expandera, bland vilka nya energifordon och solceller är viktiga utvecklingsområden.
Kiselkarbidkeramik används i keramiska ugnar på grund av deras utmärkta mekaniska egenskaper vid höga temperaturer, brandbeständighet och termiska chockmotstånd. Bland dessa används valsugnar huvudsakligen för torkning, sintring och värmebehandling av positiva elektrodmaterial för litiumjonbatterier, negativa elektrodmaterial och elektrolyter. Positiva och negativa elektrodmaterial för litiumbatterier är oumbärliga för nya energifordon. Ugnsmöbler i kiselkarbidkeramik är en nyckelkomponent i ugnar, vilket kan förbättra ugnsproduktionskapaciteten och avsevärt minska energiförbrukningen.
Kiselkarbidkeramikprodukter används också i stor utsträckning i olika bilkomponenter. Dessutom används SiC-komponenter huvudsakligen i PCU:er (strömstyrningsenheter, såsom inbyggda DC/DC) och OBC:er (laddningsenheter) i nya energifordon. SiC-komponenter kan minska vikten och volymen på PCU-utrustning, minska brytarförluster och förbättra enheternas arbetstemperatur och systemeffektivitet. Det är också möjligt att öka enhetens effektnivå, förenkla kretsstrukturen, förbättra effekttätheten och öka laddningshastigheten under OBC-laddning. För närvarande har många bilföretag runt om i världen använt kiselkarbid i flera modeller, och storskalig användning av kiselkarbid har blivit en trend.
När kiselkarbidkeramik används som viktiga bärarmaterial i produktionsprocessen för solceller, har de resulterande produkterna, såsom båtstöd, båtlådor och rördelar, god termisk stabilitet, deformeras inte vid höga temperaturer och producerar inte skadliga föroreningar. De kan ersätta de vanligt förekommande båtstöden, båtlådorna och rördelarna i kvarts, och har betydande kostnadsfördelar.
Dessutom är marknadsutsikterna för fotovoltaiska kiselkarbiddrivna kraftenheter breda. SiC-material har lägre resistans, gate-laddning och omvänd återhämtningsladdning. Användning av SiC Mosfet eller SiC Mosfet i kombination med SiC SBD fotovoltaiska växelriktare kan öka omvandlingseffektiviteten från 96 % till över 99 %, minska energiförlusten med mer än 50 % och öka utrustningens livslängd med 50 gånger.
Syntesen av kiselkarbidkeramik kan spåras tillbaka till 1890-talet, då kiselkarbid huvudsakligen användes för mekaniska slipmaterial och eldfasta material. Med utvecklingen av produktionsteknik har högteknologiska SiC-produkter utvecklats i stor utsträckning, och länder runt om i världen ägnar mer uppmärksamhet åt industrialiseringen av avancerad keramik. De är inte längre nöjda med framställningen av traditionell kiselkarbidkeramik. Företag som producerar högteknologisk keramik utvecklas snabbare, särskilt i utvecklade länder där detta fenomen är mer betydande. Utländska tillverkare inkluderar främst 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.
Utvecklingen av kiselkarbid i Kina var relativt sen jämfört med utvecklade länder som Europa och Amerika. Sedan den första industriella ugnen för tillverkning av SiC byggdes vid den första sliphjulsfabriken i juni 1951 började Kina producera kiselkarbid. Inhemska tillverkare av kiselkarbidkeramik är huvudsakligen koncentrerade till Weifang City, Shandongprovinsen. Enligt experter beror detta på att lokala kolgruveföretag står inför konkurs och söker omvandling. Vissa företag har infört relevant utrustning från Tyskland för att börja forska och producera kiselkarbid.ZPC är en av de största tillverkarna av reaktionssintrad kiselkarbid.
Publiceringstid: 9 november 2024