V posledních letech se polovodičové sloučeniny karbidu křemíku v průmyslu těší velké pozornosti. Jako vysoce výkonný materiál je však karbid křemíku pouze malou částí elektronických zařízení (diody, výkonová zařízení). Může být také použit jako abrazivní materiál, řezný materiál, konstrukční materiály, optické materiály, nosiče katalyzátorů a další. Dnes představujeme především keramiku na bázi karbidu křemíku, která má výhody chemické stability, vysoké teplotní odolnosti, odolnosti proti opotřebení, odolnosti proti korozi, vysoké tepelné vodivosti, nízkého koeficientu tepelné roztažnosti, nízké hustoty a vysoké mechanické pevnosti. Široce se používá v oblastech, jako jsou chemické stroje, energetika a ochrana životního prostředí, polovodiče, metalurgie, obrana a vojenský průmysl.
Karbid křemíku (SiC)Obsahuje křemík a uhlík a je typickou vícetypovou strukturní sloučeninou, která zahrnuje hlavně dvě krystalové formy: α-SiC (typ stabilní za vysokých teplot) a β-SiC (typ stabilní za nízkých teplot). Celkem existuje více než 200 vícetypových forem, mezi nimiž jsou reprezentativní 3C SiC β-SiC a 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC a 15R SiC α-SiC.
Obrázek Vícetělová struktura SiC
Při teplotě nižší než 1600 °C existuje SiC ve formě β-SiC a lze jej připravit z jednoduché směsi křemíku a uhlíku při teplotě okolo 1450 °C. Při teplotě vyšší než 1600 °C se β-SiC pomalu transformuje na různé polymorfy α-SiC. 4H SiC se snadno tvoří při teplotě okolo 2000 °C; polymorfy 6H i 15R vyžadují pro snadnou tvorbu vysoké teploty nad 2100 °C; 6H SiC může zůstat velmi stabilní i při teplotách přesahujících 2200 °C, což ho činí široce používaným v průmyslových aplikacích.
Čistý karbid křemíku je bezbarvý a průhledný krystal, zatímco průmyslový karbid křemíku může být bezbarvý, světle žlutý, světle zelený, tmavě zelený, světle modrý, tmavě modrý nebo dokonce černý, s klesající úrovní průhlednosti. Brusný průmysl rozděluje karbid křemíku do dvou typů na základě barvy: černý karbid křemíku a zelený karbid křemíku. Bezbarvý až tmavě zelený karbid křemíku se klasifikuje jako zelený karbid křemíku, zatímco světle modrý až černý karbid křemíku se klasifikuje jako černý karbid křemíku. Černý karbid křemíku i zelený karbid křemíku jsou oba hexagonální krystaly alfa SiC a zelený mikroprášek karbidu křemíku se obecně používá jako surovina pro keramiku z karbidu křemíku.
Výkonnost karbidových keramických materiálů připravených různými postupy
Karbid křemíku má však nevýhodu v podobě nízké lomové houževnatosti a vysoké křehkosti. Proto se v posledních letech postupně objevují kompozitní keramiky na bázi karbidu křemíku, jako jsou vláknité (nebo whiskerové) výztuže, zpevnění heterogenní disperzí částic a gradientní funkční materiály, které zlepšují houževnatost a pevnost jednotlivých materiálů.
Jako vysoce výkonný strukturální keramický vysokoteplotní materiál se karbid křemíku stále častěji používá ve vysokoteplotních pecích, ocelářství, petrochemii, mechanické elektronice, letectví, energetice a ochraně životního prostředí, jaderné energii, automobilovém průmyslu a dalších oblastech.
V roce 2022 se očekává, že velikost trhu s karbid-křemíkovou konstrukční keramikou v Číně dosáhne 18,2 miliardy juanů. S dalším rozšířením oblastí použití a potřebami růstu v navazujících odvětvích se odhaduje, že velikost trhu s karbid-křemíkovou konstrukční keramikou dosáhne do roku 2025 29,6 miliardy juanů.
V budoucnu se očekává, že s rostoucí mírou pronikání nových energetických vozidel, energetiky, průmyslu, komunikací a dalších oblastí, jakož i s rostoucími přísnějšími požadavky na vysoce přesné, vysoce odolné proti opotřebení a vysoce spolehlivé mechanické nebo elektronické součástky v různých oblastech, bude velikost trhu s keramickými výrobky z karbidu křemíku nadále rozšiřovat, mezi nimiž jsou důležitými oblastmi rozvoje nová energetická vozidla a fotovoltaika.
Karbid křemíku se v keramických pecích používá díky svým vynikajícím mechanickým vlastnostem za vysokých teplot, ohnivzdornosti a odolnosti proti tepelným šokům. Válcové pece se používají hlavně k sušení, spékání a tepelnému zpracování materiálů kladných a záporných elektrod lithium-iontových baterií a elektrolytů. Materiály kladných a záporných elektrod lithiových baterií jsou nepostradatelné pro vozidla s novými zdroji energie. Karbid křemíku jako keramický nábytek pro pece je klíčovou součástí pecí, která může zlepšit výrobní kapacitu pece a výrazně snížit spotřebu energie.
Keramické výrobky z karbidu křemíku se také široce používají v různých automobilových součástkách. Kromě toho se součástky SiC používají hlavně v jednotkách řízení výkonu (PCU, například palubní DC/DC) a nabíjecích jednotkách (OBC) vozidel s novými energetickými zdroji. Součásti SiC mohou snížit hmotnost a objem zařízení PCU, snížit ztráty spínačů a zlepšit provozní teplotu a účinnost systému zařízení. Je také možné zvýšit úroveň výkonu jednotky, zjednodušit strukturu obvodu, zlepšit hustotu výkonu a zvýšit rychlost nabíjení během nabíjení OBC. V současné době mnoho automobilek po celém světě používá karbid křemíku v různých modelech a jeho rozsáhlé využívání se stalo trendem.
Pokud se v procesu výroby fotovoltaických článků jako klíčový nosný materiál používají keramické materiály z karbidu křemíku, výsledné produkty, jako jsou podpěry lodí, lodní boxy a potrubní tvarovky, mají dobrou tepelnou stabilitu, nedeformují se při používání za vysokých teplot a neprodukují škodlivé znečišťující látky. Mohou nahradit běžně používané křemenné podpěry lodí, lodní boxy a potrubní tvarovky a mají značné cenové výhody.
Tržní vyhlídky pro fotovoltaická zařízení z karbidu křemíku jsou navíc široké. Materiály SiC mají nižší odpor, nižší náboj hradla a charakteristiky zpětného náboje. Použití SiC MOSFET nebo SiC MOSFET v kombinaci s fotovoltaickými střídači SiC SBD může zvýšit účinnost přeměny z 96 % na více než 99 %, snížit energetické ztráty o více než 50 % a prodloužit životnost zařízení 50krát.
Syntéza karbidu křemíku z keramiky sahá až do 90. let 19. století, kdy se karbid křemíku používal hlavně pro mechanické broušení materiálů a žáruvzdorných materiálů. S rozvojem výrobních technologií se široce rozvíjely high-tech produkty SiC a země po celém světě věnují větší pozornost industrializaci pokročilé keramiky. Již se nespokojují s přípravou tradiční karbidu křemíku z keramiky. Podniky vyrábějící high-tech keramiku se rozvíjejí rychleji, zejména v rozvinutých zemích, kde je tento jev významnější. Mezi zahraniční výrobce patří zejména 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 atd.
Vývoj karbidu křemíku v Číně byl ve srovnání s rozvinutými zeměmi, jako je Evropa a Amerika, relativně pozdě. Čína začala s výrobou karbidu křemíku již od června 1951, kdy byla v první továrně na brusné kotouče postavena první průmyslová pec na výrobu SiC. Domácí výrobci keramiky z karbidu křemíku se soustřeďují hlavně ve městě Weifang v provincii Šan-tung. Podle odborníků je to proto, že místní uhelné těžební podniky čelí bankrotu a usilují o transformaci. Některé společnosti zavedly z Německa příslušné zařízení, aby zahájily výzkum a výrobu karbidu křemíku.ZPC je jedním z největších výrobců reakčně slinutého karbidu křemíku.
Čas zveřejnění: 9. listopadu 2024