В останні роки напівпровідникові сполуки карбіду кремнію отримали широку увагу в промисловості. Однак, як високопродуктивний матеріал, карбід кремнію є лише невеликою частиною електронних пристроїв (діоди, силові пристрої). Його також можна використовувати як абразиви, ріжучі матеріали, конструкційні матеріали, оптичні матеріали, носії каталізаторів тощо. Сьогодні ми в основному представляємо кераміку на основі карбіду кремнію, яка має такі переваги, як хімічна стабільність, стійкість до високих температур, зносостійкість, корозійна стійкість, висока теплопровідність, низький коефіцієнт теплового розширення, низька щільність та висока механічна міцність. Вона широко використовується в таких галузях, як хімічне машинобудування, енергетика та захист навколишнього середовища, напівпровідники, металургія, національна оборонна та військова промисловість.
Карбід кремнію (SiC)Містить кремній та вуглець і є типовою багатотиповою структурною сполукою, що включає переважно дві кристалічні форми: α-SiC (високотемпературна стабільна форма) та β-SiC (низькотемпературна стабільна форма). Загалом існує понад 200 багатотипових форм, серед яких репрезентативними є 3C SiC β-SiC та 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC та 15R SiC α-SiC.
Рисунок Багаточастинкова структура SiC
Коли температура нижче 1600 ℃, SiC існує у формі β-SiC і може бути отриманий з простої суміші кремнію та вуглецю приблизно за 1450 ℃. Коли температура перевищує 1600 ℃, β-SiC повільно перетворюється на різні поліморфи α-SiC. 4H SiC легко утворюється приблизно за 2000 ℃; поліморфи 6H та 15R потребують високих температур понад 2100 ℃ для легкого утворення; 6H SiC може залишатися дуже стабільним навіть за температур понад 2200 ℃, що робить його широко використовуваним у промисловості.
Чистий карбід кремнію — це безбарвний і прозорий кристал, тоді як промисловий карбід кремнію може бути безбарвним, блідо-жовтим, світло-зеленим, темно-зеленим, світло-блакитним, темно-синім або навіть чорним, зі зниженням рівня прозорості. Абразивна промисловість класифікує карбід кремнію на два типи залежно від кольору: чорний карбід кремнію та зелений карбід кремнію. Безбарвний до темно-зеленого карбіду кремнію класифікується як зелений карбід кремнію, тоді як світло-блакитний до чорного карбіду кремнію класифікується як чорний карбід кремнію. Чорний карбід кремнію та зелений карбід кремнію є гексагональними кристалами альфа-SiC, а мікропорошок зеленого карбіду кремнію зазвичай використовується як сировина для кераміки з карбіду кремнію.
Характеристики карбід-кремнієвої кераміки, виготовленої різними способами
Однак, карбідкремнієва кераміка має недоліки низької в'язкості розриву та високої крихкості. Тому в останні роки послідовно з'явилися композитні керамічні матеріали на основі карбідкремнієвої кераміки, такі як волокнисте (або вусне) армування, зміцнення гетерогенною дисперсією частинок та градієнтні функціональні матеріали, що покращують в'язкість та міцність окремих матеріалів.
Як високоефективний конструкційний керамічний високотемпературний матеріал, карбідкремнієва кераміка все частіше застосовується у високотемпературних печах, металургії сталі, нафтохімії, механічній електроніці, аерокосмічній промисловості, енергетиці та захисті навколишнього середовища, ядерній енергетиці, автомобілях та інших галузях.
Очікується, що у 2022 році обсяг ринку конструкційної кераміки з карбіду кремнію в Китаї досягне 18,2 мільярда юанів. З подальшим розширенням сфер застосування та потребами зростання в нижчих сегментах ринку, за оцінками, обсяг ринку конструкційної кераміки з карбіду кремнію досягне 29,6 мільярда юанів до 2025 року.
У майбутньому, зі зростанням темпів проникнення транспортних засобів на нових джерелах енергії, в енергетиці, промисловості, зв'язку та інших галузях, а також зі все більш суворими вимогами до високоточних, зносостійких та надійних механічних або електронних компонентів у різних галузях, очікується, що обсяг ринку керамічних виробів з карбіду кремнію продовжуватиме розширюватися, серед яких важливими напрямками розвитку є транспортні засоби на нових джерелах енергії та фотоелектричні системи.
Карбідкремнієва кераміка використовується в керамічних печах завдяки своїм чудовим механічним властивостям за високих температур, вогнестійкості та стійкості до термічних ударів. Серед них роликові печі в основному використовуються для сушіння, спікання та термічної обробки матеріалів позитивних електродів, матеріалів негативних електродів та електролітів літій-іонних акумуляторів. Матеріали позитивних та негативних електродів літієвих акумуляторів є незамінними для транспортних засобів на нових джерелах енергії. Карбідкремнієва керамічна начинка печей є ключовим компонентом печей, що може покращити виробничу потужність печей та значно зменшити споживання енергії.
Керамічні вироби з карбіду кремнію також широко використовуються в різних автомобільних компонентах. Крім того, пристрої з карбіду кремнію в основному використовуються в блоках керування живленням (PCU) та зарядних пристроях (OBC) транспортних засобів на нових джерелах енергії. Пристрої з карбіду кремнію можуть зменшити вагу та об'єм обладнання PCU, зменшити втрати на перемикання, а також підвищити робочу температуру та ефективність системи пристроїв; також можливо збільшити рівень потужності пристрою, спростити структуру схеми, покращити щільність потужності та збільшити швидкість заряджання під час заряджання OBC. Наразі багато автомобільних компаній по всьому світу використовують карбід кремнію в різних моделях, і масове впровадження карбіду кремнію стало тенденцією.
Коли карбідкремнієва кераміка використовується як ключовий несучий матеріал у процесі виробництва фотоелектричних елементів, отримані вироби, такі як опори для човнів, ящики для човнів та трубопровідна арматура, мають добру термостійкість, не деформуються при використанні за високих температур та не виробляють шкідливих забруднюючих речовин. Вони можуть замінити поширені кварцові опори для човнів, ящики для човнів та трубопровідну арматуру, а також мають значні переваги у вартості.
Крім того, ринкові перспективи для фотоелектричних силових пристроїв на основі карбіду кремнію широкі. Матеріали SiC мають нижчий опір, характеристики заряду затвора та зворотного відновлення заряду. Використання SiC MOSFET або SiC MOSFET у поєднанні з фотоелектричними інверторами SiC SBD може підвищити ефективність перетворення з 96% до понад 99%, зменшити втрати енергії більш ніж на 50% та збільшити термін служби обладнання у 50 разів.
Синтез карбідокремнієвої кераміки можна простежити з 1890-х років, коли карбід кремнію використовувався переважно для механічного шліфування матеріалів та вогнетривких матеріалів. З розвитком технології виробництва широко розвивалися високотехнологічні продукти з карбіду кремнію, і країни світу приділяють більше уваги індустріалізації передової кераміки. Вони більше не задовольняються виробництвом традиційної карбідокремнієвої кераміки. Підприємства, що виробляють високотехнологічну кераміку, розвиваються швидше, особливо в розвинених країнах, де це явище є більш значним. До іноземних виробників в основному належать 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 тощо.
Розвиток карбіду кремнію в Китаї відбувся відносно пізно порівняно з розвиненими країнами, такими як Європа та Америка. З червня 1951 року на Першому заводі шліфувальних кругів було побудовано першу промислову піч для виробництва SiC. Вітчизняні виробники карбідокремнієвої кераміки зосереджені переважно в місті Вейфан провінції Шаньдун. На думку фахівців, це пов'язано з тим, що місцеві вугледобувні підприємства стикаються з банкрутством і прагнуть трансформації. Деякі компанії запровадили відповідне обладнання з Німеччини, щоб розпочати дослідження та виробництво карбіду кремнію.ZPC є одним з найбільших виробників реакційно-спеченого карбіду кремнію.
Час публікації: 09 листопада 2024 р.