Trong những năm gần đây, chất bán dẫn hợp chất silicon carbide đã nhận được sự quan tâm rộng rãi trong ngành công nghiệp. Tuy nhiên, là một vật liệu hiệu năng cao, silicon carbide chỉ chiếm một phần nhỏ trong các thiết bị điện tử (điốt, thiết bị công suất). Nó cũng có thể được sử dụng làm chất mài mòn, vật liệu cắt gọt, vật liệu kết cấu, vật liệu quang học, chất mang xúc tác, và nhiều ứng dụng khác. Hôm nay, chúng tôi chủ yếu giới thiệu gốm silicon carbide, có những ưu điểm như tính ổn định hóa học, khả năng chịu nhiệt độ cao, khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn, độ dẫn nhiệt cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, mật độ thấp và độ bền cơ học cao. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như máy móc hóa chất, năng lượng và bảo vệ môi trường, chất bán dẫn, luyện kim, quốc phòng và công nghiệp quân sự.
Cacbua silic (SiC)SiC chứa silic và cacbon, là một hợp chất cấu trúc đa dạng điển hình, chủ yếu bao gồm hai dạng tinh thể: α – SiC (loại ổn định ở nhiệt độ cao) và β – SiC (loại ổn định ở nhiệt độ thấp). Tổng cộng có hơn 200 loại đa dạng, trong đó 3C SiC của β – SiC và 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC, và 15R SiC của α – SiC là những ví dụ tiêu biểu.
Hình ảnh cấu trúc đa thân SiC
Khi nhiệt độ dưới 1600 ℃, SiC tồn tại ở dạng β – SiC và có thể được điều chế từ hỗn hợp đơn giản gồm silic và cacbon ở khoảng 1450 ℃. Khi nhiệt độ vượt quá 1600 ℃, β – SiC dần chuyển hóa thành các dạng thù hình khác nhau của α – SiC. 4H SiC dễ dàng được tạo ra ở khoảng 2000 ℃; cả hai dạng thù hình 6H và 15R đều cần nhiệt độ cao trên 2100 ℃ để dễ hình thành; 6H SiC có thể duy trì rất ổn định ngay cả ở nhiệt độ trên 2200 ℃, do đó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp.
Silicon carbide nguyên chất là một tinh thể không màu và trong suốt, trong khi silicon carbide công nghiệp có thể không màu, vàng nhạt, xanh lục nhạt, xanh lục đậm, xanh lam nhạt, xanh lam đậm, hoặc thậm chí đen, với độ trong suốt giảm dần. Ngành công nghiệp vật liệu mài mòn phân loại silicon carbide thành hai loại dựa trên màu sắc: silicon carbide đen và silicon carbide xanh. Silicon carbide không màu đến xanh lục đậm được phân loại là silicon carbide xanh, trong khi silicon carbide xanh lam nhạt đến đen được phân loại là silicon carbide đen. Cả silicon carbide đen và silicon carbide xanh đều là tinh thể lục giác alpha SiC, và bột siêu mịn silicon carbide xanh thường được sử dụng làm nguyên liệu thô cho gốm silicon carbide.
Tính chất của gốm cacbua silic được chế tạo bằng các quy trình khác nhau
Tuy nhiên, gốm silicon carbide có nhược điểm là độ bền nứt thấp và độ giòn cao. Do đó, trong những năm gần đây, các loại gốm composite dựa trên gốm silicon carbide, chẳng hạn như gia cường bằng sợi (hoặc tinh thể), tăng cường bằng phân tán hạt không đồng nhất và vật liệu chức năng gradient, đã liên tục xuất hiện, giúp cải thiện độ bền và độ dẻo dai của từng vật liệu riêng lẻ.
Là một loại vật liệu gốm chịu nhiệt cao cấp có cấu trúc hiệu năng cao, gốm silicon carbide ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lò nung nhiệt độ cao, luyện kim thép, hóa dầu, điện tử cơ khí, hàng không vũ trụ, năng lượng và bảo vệ môi trường, năng lượng hạt nhân, ô tô và các lĩnh vực khác.
Năm 2022, quy mô thị trường gốm cấu trúc silicon carbide tại Trung Quốc dự kiến đạt 18,2 tỷ nhân dân tệ. Với sự mở rộng hơn nữa các lĩnh vực ứng dụng và nhu cầu tăng trưởng ở các ngành công nghiệp hạ nguồn, ước tính quy mô thị trường gốm cấu trúc silicon carbide sẽ đạt 29,6 tỷ nhân dân tệ vào năm 2025.
Trong tương lai, với tỷ lệ thâm nhập ngày càng tăng của xe năng lượng mới, năng lượng, công nghiệp, truyền thông và các lĩnh vực khác, cũng như các yêu cầu ngày càng khắt khe đối với các linh kiện cơ khí hoặc điện tử có độ chính xác cao, khả năng chống mài mòn cao và độ tin cậy cao trong nhiều lĩnh vực, quy mô thị trường sản phẩm gốm silicon carbide dự kiến sẽ tiếp tục mở rộng, trong đó xe năng lượng mới và quang điện là những lĩnh vực phát triển quan trọng.
Gốm silicon carbide được sử dụng trong lò nung gốm nhờ các đặc tính cơ học ở nhiệt độ cao tuyệt vời, khả năng chịu lửa và chịu sốc nhiệt. Trong đó, lò nung trục lăn chủ yếu được sử dụng để sấy khô, thiêu kết và xử lý nhiệt các vật liệu điện cực dương, điện cực âm và chất điện phân của pin lithium-ion. Vật liệu điện cực dương và âm của pin lithium là không thể thiếu đối với xe năng lượng mới. Nội thất lò nung bằng gốm silicon carbide là một bộ phận quan trọng của lò nung, có thể nâng cao năng suất của lò và giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng.
Các sản phẩm gốm silicon carbide cũng được sử dụng rộng rãi trong nhiều linh kiện ô tô. Ngoài ra, các thiết bị SiC chủ yếu được sử dụng trong các PCU (bộ điều khiển nguồn, chẳng hạn như bộ chuyển đổi DC/DC trên xe) và OBC (bộ sạc) của xe năng lượng mới. Các thiết bị SiC có thể giảm trọng lượng và thể tích của thiết bị PCU, giảm tổn thất chuyển mạch và cải thiện nhiệt độ hoạt động và hiệu suất hệ thống của thiết bị; đồng thời cũng có thể tăng mức công suất của thiết bị, đơn giản hóa cấu trúc mạch, cải thiện mật độ công suất và tăng tốc độ sạc trong quá trình sạc OBC. Hiện nay, nhiều hãng xe trên thế giới đã sử dụng silicon carbide trong nhiều mẫu xe và việc ứng dụng silicon carbide trên quy mô lớn đã trở thành một xu hướng.
Khi gốm silicon carbide được sử dụng làm vật liệu mang chính trong quá trình sản xuất pin quang điện, các sản phẩm thu được như giá đỡ thuyền, hộp thuyền và phụ kiện đường ống có độ ổn định nhiệt tốt, không bị biến dạng khi sử dụng ở nhiệt độ cao và không tạo ra các chất gây ô nhiễm độc hại. Chúng có thể thay thế các giá đỡ thuyền, hộp thuyền và phụ kiện đường ống bằng thạch anh thường được sử dụng, và có lợi thế đáng kể về chi phí.
Ngoài ra, triển vọng thị trường cho các thiết bị điện năng lượng mặt trời sử dụng silicon carbide (SiC) rất rộng mở. Vật liệu SiC có điện trở bật, điện tích cổng và đặc tính điện tích phục hồi ngược thấp hơn. Việc sử dụng MOSFET SiC hoặc MOSFET SiC kết hợp với bộ biến tần quang điện SBD SiC có thể tăng hiệu suất chuyển đổi từ 96% lên hơn 99%, giảm tổn thất năng lượng hơn 50% và tăng tuổi thọ thiết bị lên 50 lần.
Việc tổng hợp gốm silicon carbide có thể bắt nguồn từ những năm 1890, khi silicon carbide chủ yếu được sử dụng làm vật liệu mài cơ khí và vật liệu chịu lửa. Với sự phát triển của công nghệ sản xuất, các sản phẩm SiC công nghệ cao đã được phát triển rộng rãi, và các quốc gia trên thế giới đang ngày càng chú trọng đến việc công nghiệp hóa gốm sứ tiên tiến. Họ không còn hài lòng với việc sản xuất gốm silicon carbide truyền thống. Các doanh nghiệp sản xuất gốm sứ công nghệ cao đang phát triển nhanh chóng hơn, đặc biệt là ở các nước phát triển, nơi hiện tượng này càng rõ rệt hơn. Các nhà sản xuất nước ngoài chủ yếu bao gồm 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, v.v.
So với các nước phát triển như châu Âu và Mỹ, sự phát triển của silicon carbide ở Trung Quốc tương đối muộn. Từ khi lò công nghiệp đầu tiên sản xuất SiC được xây dựng tại Nhà máy Đá mài số 1 vào tháng 6 năm 1951, Trung Quốc đã bắt đầu sản xuất silicon carbide. Các nhà sản xuất gốm silicon carbide trong nước chủ yếu tập trung ở thành phố Weifang, tỉnh Sơn Đông. Theo các chuyên gia, điều này là do các doanh nghiệp khai thác than địa phương đang đối mặt với nguy cơ phá sản và tìm cách chuyển đổi. Một số công ty đã nhập khẩu thiết bị liên quan từ Đức để bắt đầu nghiên cứu và sản xuất silicon carbide.ZPC là một trong những nhà sản xuất silicon carbide thiêu kết phản ứng lớn nhất.
Thời gian đăng bài: 09/11/2024