Siliziumkarbid-Verbindungshalbleiter haben in den letzten Jahren in der Industrie große Aufmerksamkeit erregt. Als Hochleistungswerkstoff wird Siliziumkarbid jedoch nur in kleinen Mengen in elektronischen Geräten (Dioden, Leistungsbauelemente) eingesetzt. Es kann auch als Schleifmittel, Schneidstoff, Strukturwerkstoff, optisches Material, Katalysatorträger und mehr verwendet werden. Heute werden hauptsächlich Siliziumkarbidkeramiken eingesetzt, die sich durch chemische Stabilität, hohe Temperaturbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, geringe Dichte und hohe mechanische Festigkeit auszeichnen. Sie finden breite Anwendung in Bereichen wie Chemiemaschinenbau, Energie- und Umweltschutz, Halbleiterindustrie, Metallurgie, Landesverteidigung und Militärindustrie.
Siliziumkarbid (SiC)enthält Silizium und Kohlenstoff und ist eine typische Mehrstoff-Strukturverbindung, die hauptsächlich aus zwei Kristallformen besteht: α-SiC (hochtemperaturstabiler Typ) und β-SiC (niedrigtemperaturstabiler Typ). Insgesamt gibt es mehr als 200 Mehrstofftypen, darunter 3C SiC von β-SiC und 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC und 15R SiC von α-SiC.
Abbildung SiC-Mehrkörperstruktur
Bei Temperaturen unter 1600 °C liegt SiC in Form von β-SiC vor und kann bei etwa 1450 °C aus einer einfachen Mischung von Silizium und Kohlenstoff hergestellt werden. Über 1600 °C wandelt sich β-SiC langsam in verschiedene Polymorphe von α-SiC um. 4H-SiC entsteht leicht bei etwa 2000 °C; sowohl 6H- als auch 15R-Polymorphe benötigen für ihre Bildung hohe Temperaturen über 2100 °C; 6H-SiC bleibt selbst bei Temperaturen über 2200 °C sehr stabil und findet daher breite Anwendung in der Industrie.
Reines Siliziumkarbid ist ein farbloser und transparenter Kristall, während industrielles Siliziumkarbid farblos, blassgelb, hellgrün, dunkelgrün, hellblau, dunkelblau oder sogar schwarz sein kann, mit abnehmender Transparenz. Die Schleifmittelindustrie unterteilt Siliziumkarbid anhand seiner Farbe in zwei Typen: schwarzes Siliziumkarbid und grünes Siliziumkarbid. Farbloses bis dunkelgrünes Siliziumkarbid wird als grünes Siliziumkarbid klassifiziert, während hellblaues bis schwarzes Siliziumkarbid als schwarzes Siliziumkarbid klassifiziert wird. Schwarzes und grünes Siliziumkarbid sind beides hexagonale Alpha-SiC-Kristalle, und grünes Siliziumkarbid-Mikropulver wird im Allgemeinen als Rohstoff für Siliziumkarbidkeramik verwendet.
Leistung von Siliziumkarbidkeramiken, die mit verschiedenen Verfahren hergestellt wurden
Siliziumkarbidkeramiken weisen jedoch den Nachteil einer geringen Bruchzähigkeit und hohen Sprödigkeit auf. Daher sind in den letzten Jahren sukzessive Verbundkeramiken auf Basis von Siliziumkarbidkeramiken entstanden, wie z. B. Faser- (oder Whisker-)Verstärkungen, Verstärkungen durch heterogene Partikeldispersion und Gradientenfunktionsmaterialien, die die Zähigkeit und Festigkeit einzelner Materialien verbessern.
Als leistungsstarkes, strukturkeramisches Hochtemperaturmaterial wird Siliziumkarbidkeramik zunehmend in Hochtemperaturöfen, der Stahlmetallurgie, der Petrochemie, der mechanischen Elektronik, der Luft- und Raumfahrt, im Energie- und Umweltschutz, der Kernenergie, der Automobilindustrie und anderen Bereichen eingesetzt.
Im Jahr 2022 wird das Marktvolumen für Strukturkeramiken aus Siliziumkarbid in China voraussichtlich 18,2 Milliarden Yuan erreichen. Mit der weiteren Ausweitung der Anwendungsfelder und dem Bedarf an nachgelagertem Wachstum wird das Marktvolumen für Strukturkeramiken aus Siliziumkarbid bis 2025 voraussichtlich 29,6 Milliarden Yuan erreichen.
Angesichts der zunehmenden Verbreitung von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben in den Bereichen Energie, Industrie, Kommunikation und anderen Bereichen sowie der zunehmend strengeren Anforderungen an hochpräzise, verschleißfeste und hochzuverlässige mechanische oder elektronische Komponenten in verschiedenen Bereichen wird erwartet, dass der Markt für Siliziumkarbid-Keramikprodukte weiter wachsen wird. Dabei werden Fahrzeuge mit alternativen Antrieben und die Photovoltaik wichtige Entwicklungsbereiche sein.
Siliziumkarbidkeramik wird aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen, ihrer Feuerbeständigkeit und ihrer Temperaturwechselbeständigkeit in Keramiköfen eingesetzt. Rollenöfen werden hauptsächlich zum Trocknen, Sintern und zur Wärmebehandlung von positiven und negativen Elektrodenmaterialien sowie Elektrolyten von Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Positive und negative Elektrodenmaterialien von Lithium-Batterien sind für Fahrzeuge mit alternativer Energie unverzichtbar. Brennhilfsmittel aus Siliziumkarbidkeramik sind eine Schlüsselkomponente von Öfen, die die Produktionskapazität steigern und den Energieverbrauch deutlich senken können.
Siliziumkarbid-Keramikprodukte finden auch in verschiedenen Automobilkomponenten breite Anwendung. Darüber hinaus werden SiC-Bauelemente hauptsächlich in PCUs (Power Control Units, z. B. On-Board-DC/DC-Wandlern) und OBCs (Ladegeräten) von Fahrzeugen mit alternativer Antriebstechnik eingesetzt. SiC-Bauelemente können Gewicht und Volumen von PCUs reduzieren, Schaltverluste verringern und die Betriebstemperatur sowie den Systemwirkungsgrad der Geräte verbessern. Darüber hinaus können die Leistung der Geräte erhöht, die Schaltungsstruktur vereinfacht, die Leistungsdichte verbessert und die Ladegeschwindigkeit beim Laden des OBCs erhöht werden. Viele Automobilhersteller weltweit setzen Siliziumkarbid bereits in mehreren Modellen ein, und die großflächige Einführung von Siliziumkarbid ist ein Trend.
Wenn Siliziumkarbidkeramiken als Hauptträgermaterial im Produktionsprozess von Photovoltaikzellen verwendet werden, weisen die resultierenden Produkte wie Bootsträger, Bootskästen und Rohrverbindungen eine gute thermische Stabilität auf, verformen sich nicht bei hohen Temperaturen und produzieren keine schädlichen Schadstoffe. Sie können die üblicherweise verwendeten Bootsträger, Bootskästen und Rohrverbindungen aus Quarz ersetzen und bieten erhebliche Kostenvorteile.
Darüber hinaus sind die Marktaussichten für Photovoltaik-Siliziumkarbid-Leistungsbauelemente gut. SiC-Materialien weisen einen geringeren Durchlasswiderstand, eine geringere Gate-Ladung und geringere Sperrverzögerungseigenschaften auf. Der Einsatz von SiC-MOSFETs oder SiC-MOSFETs in Kombination mit SiC-SBD-Photovoltaik-Wechselrichtern kann den Umwandlungswirkungsgrad von 96 % auf über 99 % steigern, den Energieverlust um mehr als 50 % reduzieren und die Lebensdauer der Geräte um das 50-fache erhöhen.
Die Synthese von Siliziumkarbidkeramik lässt sich bis in die 1890er Jahre zurückverfolgen, als Siliziumkarbid hauptsächlich für mechanische Schleifmittel und feuerfeste Materialien verwendet wurde. Mit der Entwicklung der Produktionstechnologie wurden hochtechnologische SiC-Produkte in großem Umfang entwickelt, und Länder auf der ganzen Welt widmen der Industrialisierung von Hochleistungskeramiken zunehmend Aufmerksamkeit. Sie geben sich nicht mehr mit der Herstellung herkömmlicher Siliziumkarbidkeramiken zufrieden. Unternehmen, die Hochleistungskeramik herstellen, entwickeln sich rasant, insbesondere in Industrieländern, in denen dieses Phänomen stärker ausgeprägt ist. Zu den ausländischen Herstellern zählen vor allem 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 usw.
Die Entwicklung von Siliziumkarbid in China erfolgte im Vergleich zu Industrieländern wie Europa und Amerika relativ spät. Mit dem Bau des ersten Industrieofens zur Herstellung von SiC im Juni 1951 in der ersten Schleifscheibenfabrik begann China mit der Produktion von Siliziumkarbid. Inländische Hersteller von Siliziumkarbidkeramik konzentrieren sich hauptsächlich in der Stadt Weifang in der Provinz Shandong. Experten zufolge liegt dies daran, dass die lokalen Kohlebergbauunternehmen vor dem Bankrott stehen und eine Umstrukturierung anstreben. Einige Unternehmen haben entsprechende Ausrüstung aus Deutschland eingeführt, um mit der Forschung und Produktion von Siliziumkarbid zu beginnen.ZPC ist einer der größten Hersteller von reaktionsgesintertem Siliziumkarbid.
Beitragszeit: 09.11.2024