Τα τελευταία χρόνια, οι ημιαγωγοί από σύνθετο καρβίδιο του πυριτίου έχουν λάβει ευρεία προσοχή στη βιομηχανία. Ωστόσο, ως υλικό υψηλής απόδοσης, το καρβίδιο του πυριτίου αποτελεί μόνο ένα μικρό μέρος των ηλεκτρονικών συσκευών (δίοδοι, συσκευές ισχύος). Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως λειαντικό, υλικό κοπής, δομικό υλικό, οπτικό υλικό, φορέας καταλύτη και άλλα. Σήμερα, εισάγουμε κυρίως κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου, τα οποία έχουν τα πλεονεκτήματα της χημικής σταθερότητας, της αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες, της αντοχής στη φθορά, της αντοχής στη διάβρωση, της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, του χαμηλού συντελεστή θερμικής διαστολής, της χαμηλής πυκνότητας και της υψηλής μηχανικής αντοχής. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε τομείς όπως τα χημικά μηχανήματα, η ενέργεια και η προστασία του περιβάλλοντος, οι ημιαγωγοί, η μεταλλουργία, η εθνική άμυνα και η στρατιωτική βιομηχανία.
Καρβίδιο του πυριτίου (SiC)Περιέχει πυρίτιο και άνθρακα και είναι μια τυπική δομική ένωση πολλαπλών τύπων, που περιλαμβάνει κυρίως δύο κρυσταλλικές μορφές: α-SiC (σταθερός σε υψηλή θερμοκρασία τύπος) και β-SiC (σταθερός σε χαμηλή θερμοκρασία τύπος). Υπάρχουν συνολικά περισσότεροι από 200 πολλαπλοί τύποι, μεταξύ των οποίων αντιπροσωπευτικοί είναι ο 3C SiC του β-SiC και οι 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC και 15R SiC του α-SiC.
Σχήμα SiC Πολυσωματική Δομή
Όταν η θερμοκρασία είναι κάτω από 1600 ℃, το SiC υπάρχει με τη μορφή β-SiC και μπορεί να παρασκευαστεί από ένα απλό μείγμα πυριτίου και άνθρακα περίπου στους 1450 ℃. Όταν η θερμοκρασία υπερβεί τους 1600 ℃, το β-SiC μετασχηματίζεται αργά σε διάφορα πολύμορφα του α-SiC. Το 4H-SiC παράγεται εύκολα περίπου στους 2000 ℃. Τόσο τα πολύμορφα 6H όσο και τα 15R απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες άνω των 2100 ℃ για εύκολο σχηματισμό. Το 6H-SiC μπορεί να παραμείνει πολύ σταθερό ακόμη και σε θερμοκρασίες που υπερβαίνουν τους 2200 ℃, καθιστώντας το ευρέως χρησιμοποιούμενο σε βιομηχανικές εφαρμογές.
Το καθαρό καρβίδιο του πυριτίου είναι ένας άχρωμος και διαφανής κρύσταλλος, ενώ το βιομηχανικό καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να είναι άχρωμο, ανοιχτό κίτρινο, ανοιχτό πράσινο, σκούρο πράσινο, ανοιχτό μπλε, σκούρο μπλε ή ακόμα και μαύρο, με μειούμενα επίπεδα διαφάνειας. Η βιομηχανία λειαντικών κατηγοριοποιεί το καρβίδιο του πυριτίου σε δύο τύπους με βάση το χρώμα: μαύρο καρβίδιο του πυριτίου και πράσινο καρβίδιο του πυριτίου. Το άχρωμο έως σκούρο πράσινο καρβίδιο του πυριτίου ταξινομείται ως πράσινο καρβίδιο του πυριτίου, ενώ το ανοιχτό μπλε έως μαύρο καρβίδιο του πυριτίου ταξινομείται ως μαύρο καρβίδιο του πυριτίου. Το μαύρο καρβίδιο του πυριτίου και το πράσινο καρβίδιο του πυριτίου είναι και τα δύο εξαγωνικοί κρύσταλλοι άλφα SiC και η μικροσκόνη πράσινου καρβιδίου του πυριτίου χρησιμοποιείται γενικά ως πρώτη ύλη για κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου.
Απόδοση κεραμικών καρβιδίου πυριτίου που παρασκευάζονται με διαφορετικές διεργασίες
Ωστόσο, τα κεραμικά από καρβίδιο του πυριτίου έχουν το μειονέκτημα της χαμηλής αντοχής σε θραύση και της υψηλής ευθραυστότητας. Επομένως, τα τελευταία χρόνια, έχουν εμφανιστεί διαδοχικά σύνθετα κεραμικά που βασίζονται σε κεραμικά από καρβίδιο του πυριτίου, όπως η ενίσχυση με ίνες (ή μουστάκια), η ενίσχυση με ετερογενή διασπορά σωματιδίων και τα υλικά με λειτουργική κλίση, βελτιώνοντας την ανθεκτικότητα και την αντοχή των μεμονωμένων υλικών.
Ως υλικό υψηλής απόδοσης για δομικά κεραμικά και υψηλές θερμοκρασίες, τα κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου εφαρμόζονται όλο και περισσότερο σε κλιβάνους υψηλής θερμοκρασίας, μεταλλουργία χάλυβα, πετροχημικά, μηχανολογικά ηλεκτρονικά, αεροδιαστημική, ενέργεια και προστασία του περιβάλλοντος, πυρηνική ενέργεια, αυτοκίνητα και άλλους τομείς.
Το 2022, το μέγεθος της αγοράς δομικών κεραμικών από καρβίδιο του πυριτίου στην Κίνα αναμένεται να φτάσει τα 18,2 δισεκατομμύρια γιουάν. Με την περαιτέρω επέκταση των πεδίων εφαρμογής και τις ανάγκες ανάπτυξης, εκτιμάται ότι το μέγεθος της αγοράς δομικών κεραμικών από καρβίδιο του πυριτίου θα φτάσει τα 29,6 δισεκατομμύρια γιουάν έως το 2025.
Στο μέλλον, με την αυξανόμενη διείσδυση νέων ενεργειακών οχημάτων, ενέργειας, βιομηχανίας, επικοινωνιών και άλλων τομέων, καθώς και τις ολοένα και πιο αυστηρές απαιτήσεις για μηχανικά εξαρτήματα υψηλής ακρίβειας, υψηλής αντοχής στη φθορά και υψηλής αξιοπιστίας ή ηλεκτρονικά εξαρτήματα σε διάφορους τομείς, το μέγεθος της αγοράς των κεραμικών προϊόντων από καρβίδιο του πυριτίου αναμένεται να συνεχίσει να επεκτείνεται, μεταξύ των οποίων τα νέα ενεργειακά οχήματα και τα φωτοβολταϊκά αποτελούν σημαντικούς τομείς ανάπτυξης.
Τα κεραμικά από καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιούνται σε κεραμικούς κλιβάνους λόγω των εξαιρετικών μηχανικών ιδιοτήτων τους σε υψηλές θερμοκρασίες, της αντοχής στη φωτιά και της αντοχής σε θερμικά σοκ. Μεταξύ αυτών, οι κλίβανοι με κυλινδρικό κλίβανο χρησιμοποιούνται κυρίως για την ξήρανση, την πυροσυσσωμάτωση και τη θερμική επεξεργασία υλικών θετικών ηλεκτροδίων μπαταριών ιόντων λιθίου, υλικών αρνητικών ηλεκτροδίων και ηλεκτρολυτών. Τα υλικά θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων μπαταριών λιθίου είναι απαραίτητα για τα νέα ενεργειακά οχήματα. Τα κεραμικά έπιπλα κλιβάνου από καρβίδιο του πυριτίου αποτελούν βασικό συστατικό των κλιβάνων, τα οποία μπορούν να βελτιώσουν την παραγωγική ικανότητα του κλιβάνου και να μειώσουν σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας.
Τα κεραμικά προϊόντα από καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως σε διάφορα εξαρτήματα αυτοκινήτων. Επιπλέον, οι συσκευές SiC χρησιμοποιούνται κυρίως σε PCU (μονάδες ελέγχου ισχύος, όπως ενσωματωμένες DC/DC) και OBC (μονάδες φόρτισης) οχημάτων νέας ενέργειας. Οι συσκευές SiC μπορούν να μειώσουν το βάρος και τον όγκο του εξοπλισμού PCU, να μειώσουν τις απώλειες διακοπτών και να βελτιώσουν τη θερμοκρασία λειτουργίας και την απόδοση του συστήματος των συσκευών. Είναι επίσης δυνατό να αυξηθεί το επίπεδο ισχύος της μονάδας, να απλοποιηθεί η δομή του κυκλώματος, να βελτιωθεί η πυκνότητα ισχύος και να αυξηθεί η ταχύτητα φόρτισης κατά τη φόρτιση OBC. Προς το παρόν, πολλές αυτοκινητοβιομηχανίες σε όλο τον κόσμο έχουν χρησιμοποιήσει καρβίδιο του πυριτίου σε πολλά μοντέλα και η μεγάλης κλίμακας υιοθέτησή του έχει γίνει τάση.
Όταν τα κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου χρησιμοποιούνται ως βασικά υλικά μεταφοράς στη διαδικασία παραγωγής φωτοβολταϊκών κυψελών, τα προϊόντα που προκύπτουν, όπως στηρίγματα σκαφών, κουτιά σκαφών και εξαρτήματα σωληνώσεων, έχουν καλή θερμική σταθερότητα, δεν παραμορφώνονται όταν χρησιμοποιούνται σε υψηλές θερμοκρασίες και δεν παράγουν επιβλαβείς ρύπους. Μπορούν να αντικαταστήσουν τα συνήθως χρησιμοποιούμενα στηρίγματα σκαφών, κουτιά σκαφών και εξαρτήματα σωληνώσεων από χαλαζία και έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα κόστους.
Επιπλέον, οι προοπτικές της αγοράς για φωτοβολταϊκές συσκευές ισχύος από καρβίδιο του πυριτίου είναι ευρείες. Τα υλικά SiC έχουν χαμηλότερα χαρακτηριστικά αντίστασης, φορτίου πύλης και φορτίου αντίστροφης ανάκτησης. Η χρήση SiC Mosfet ή SiC Mosfet σε συνδυασμό με φωτοβολταϊκούς μετατροπείς SiC SBD μπορεί να αυξήσει την απόδοση μετατροπής από 96% σε πάνω από 99%, να μειώσει την απώλεια ενέργειας κατά περισσότερο από 50% και να αυξήσει τη διάρκεια ζωής του εξοπλισμού κατά 50 φορές.
Η σύνθεση κεραμικών από καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να εντοπιστεί από τη δεκαετία του 1890, όταν το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιούνταν κυρίως για μηχανικά υλικά λείανσης και πυρίμαχα υλικά. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας παραγωγής, τα προϊόντα SiC υψηλής τεχνολογίας έχουν αναπτυχθεί ευρέως και οι χώρες σε όλο τον κόσμο δίνουν μεγαλύτερη προσοχή στη βιομηχανοποίηση προηγμένων κεραμικών. Δεν είναι πλέον ικανοποιημένες με την παρασκευή παραδοσιακών κεραμικών από καρβίδιο του πυριτίου. Οι επιχειρήσεις που παράγουν κεραμικά υψηλής τεχνολογίας αναπτύσσονται ταχύτερα, ειδικά στις ανεπτυγμένες χώρες όπου αυτό το φαινόμενο είναι πιο σημαντικό. Οι ξένοι κατασκευαστές περιλαμβάνουν κυρίως τις 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, κ.λπ.
Η ανάπτυξη του καρβιδίου του πυριτίου στην Κίνα ήταν σχετικά καθυστερημένη σε σύγκριση με ανεπτυγμένες χώρες όπως η Ευρώπη και η Αμερική. Από την κατασκευή του πρώτου βιομηχανικού κλιβάνου για την παραγωγή SiC στο πρώτο εργοστάσιο τροχών λείανσης τον Ιούνιο του 1951, η Κίνα άρχισε να παράγει καρβίδιο του πυριτίου. Οι εγχώριοι κατασκευαστές κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου συγκεντρώνονται κυρίως στην πόλη Weifang, στην επαρχία Shandong. Σύμφωνα με τους επαγγελματίες, αυτό συμβαίνει επειδή οι τοπικές επιχειρήσεις εξόρυξης άνθρακα αντιμετωπίζουν πτώχευση και επιδιώκουν μετασχηματισμό. Ορισμένες εταιρείες έχουν εισαγάγει σχετικό εξοπλισμό από τη Γερμανία για να ξεκινήσουν την έρευνα και την παραγωγή καρβιδίου του πυριτίου.Η ZPC είναι ένας από τους μεγαλύτερους κατασκευαστές καρβιδίου του πυριτίου με πυροσυσσωματώματα αντίδρασης.
Ώρα δημοσίευσης: 09 Νοεμβρίου 2024