En los últimos años, los semiconductores compuestos de carburo de silicio han recibido gran atención en la industria. Sin embargo, como material de alto rendimiento, el carburo de silicio solo representa una pequeña parte de los dispositivos electrónicos (diodos, dispositivos de potencia). También se puede utilizar como abrasivo, material de corte, material estructural, material óptico, portador de catalizadores, etc. Actualmente, presentamos principalmente cerámicas de carburo de silicio, que ofrecen las ventajas de estabilidad química, resistencia a altas temperaturas, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, alta conductividad térmica, bajo coeficiente de expansión térmica, baja densidad y alta resistencia mecánica. Se utilizan ampliamente en campos como maquinaria química, energía y protección ambiental, semiconductores, metalurgia, defensa nacional e industria militar.
carburo de silicio (SiC)Contiene silicio y carbono, y es un compuesto estructural multitipo típico, que incluye principalmente dos formas cristalinas: α-SiC (tipo estable a alta temperatura) y β-SiC (tipo estable a baja temperatura). Existen más de 200 multitipos en total, entre los que destacan el 3C SiC del β-SiC y los 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC y 15R SiC del α-SiC.
Figura Estructura multicuerpo de SiC
Cuando la temperatura es inferior a 1600 °C, el SiC se presenta en forma de β-SiC y puede prepararse a partir de una simple mezcla de silicio y carbono a aproximadamente 1450 °C. Cuando la temperatura supera los 1600 °C, el β-SiC se transforma lentamente en diversos polimorfos de α-SiC. El 4H-SiC se genera fácilmente a aproximadamente 2000 °C; los polimorfos 6H y 15R requieren temperaturas superiores a 2100 °C para su fácil formación; el 6H-SiC puede mantenerse muy estable incluso a temperaturas superiores a 2200 °C, lo que lo hace ampliamente utilizado en aplicaciones industriales.
El carburo de silicio puro es un cristal incoloro y transparente, mientras que el carburo de silicio industrial puede ser incoloro, amarillo pálido, verde claro, verde oscuro, azul claro, azul oscuro o incluso negro, con niveles de transparencia decrecientes. La industria abrasiva clasifica el carburo de silicio en dos tipos según su color: carburo de silicio negro y carburo de silicio verde. El carburo de silicio de incoloro a verde oscuro se clasifica como carburo de silicio verde, mientras que el carburo de silicio de azul claro a negro se clasifica como carburo de silicio negro. Tanto el carburo de silicio negro como el carburo de silicio verde son cristales hexagonales de SiC alfa, y el micropolvo de carburo de silicio verde se utiliza generalmente como materia prima para la cerámica de carburo de silicio.
Rendimiento de cerámicas de carburo de silicio preparadas mediante diferentes procesos
Sin embargo, las cerámicas de carburo de silicio presentan la desventaja de su baja tenacidad a la fractura y su alta fragilidad. Por ello, en los últimos años han surgido sucesivamente cerámicas compuestas basadas en carburo de silicio, como el refuerzo de fibras (o whiskers), el refuerzo por dispersión de partículas heterogéneas y los materiales con función gradiente, que mejoran la tenacidad y la resistencia de cada material.
Como material cerámico estructural de alto rendimiento y alta temperatura, la cerámica de carburo de silicio se ha aplicado cada vez más en hornos de alta temperatura, metalurgia del acero, petroquímicos, electrónica mecánica, aeroespacial, protección energética y ambiental, energía nuclear, automóviles y otros campos.
En 2022, se espera que el mercado de cerámica estructural de carburo de silicio en China alcance los 18.200 millones de yuanes. Con la mayor expansión de los campos de aplicación y las necesidades de crecimiento posteriores, se estima que el mercado de cerámica estructural de carburo de silicio alcanzará los 29.600 millones de yuanes para 2025.
En el futuro, con la creciente tasa de penetración de nuevos vehículos de energía, energía, industria, comunicación y otros campos, así como los requisitos cada vez más estrictos de alta precisión, alta resistencia al desgaste y alta confiabilidad de componentes mecánicos o componentes electrónicos en varios campos, se espera que el tamaño del mercado de productos cerámicos de carburo de silicio continúe expandiéndose, entre los cuales los nuevos vehículos de energía y la energía fotovoltaica son áreas de desarrollo importantes.
La cerámica de carburo de silicio se utiliza en hornos cerámicos debido a sus excelentes propiedades mecánicas a alta temperatura, resistencia al fuego y al choque térmico. Los hornos de rodillos se emplean principalmente para el secado, la sinterización y el tratamiento térmico de materiales para electrodos positivos y negativos de baterías de iones de litio, así como de electrolitos. Los materiales para electrodos positivos y negativos de baterías de litio son indispensables para los vehículos de nuevas energías. El mobiliario cerámico de carburo de silicio es un componente clave de los hornos, ya que puede mejorar su capacidad de producción y reducir significativamente el consumo energético.
Los productos cerámicos de carburo de silicio también se utilizan ampliamente en diversos componentes automotrices. Además, los dispositivos de SiC se emplean principalmente en las PCU (unidades de control de potencia, como las de CC/CC a bordo) y las OBC (unidades de carga) de vehículos de nueva energía. Los dispositivos de SiC pueden reducir el peso y el volumen de los equipos de la PCU, reducir las pérdidas de conmutación y mejorar la temperatura de trabajo y la eficiencia del sistema de los dispositivos. Además, permiten aumentar la potencia de la unidad, simplificar la estructura del circuito, mejorar la densidad de potencia y aumentar la velocidad de carga durante la carga de las OBC. Actualmente, muchas compañías automotrices de todo el mundo han utilizado carburo de silicio en múltiples modelos, y su adopción a gran escala se ha convertido en una tendencia.
Cuando se utilizan cerámicas de carburo de silicio como materiales de soporte clave en el proceso de producción de células fotovoltaicas, los productos resultantes, como soportes para embarcaciones, cajas para embarcaciones y accesorios para tuberías, presentan buena estabilidad térmica, no se deforman al usarse a altas temperaturas y no producen contaminantes nocivos. Pueden reemplazar los soportes para embarcaciones, cajas para embarcaciones y accesorios para tuberías de cuarzo, comúnmente utilizados, y ofrecen importantes ventajas en cuanto a costos.
Además, las perspectivas de mercado para los dispositivos de potencia fotovoltaicos de carburo de silicio son amplias. Los materiales de SiC presentan características de resistencia, carga de puerta y carga de recuperación inversa más bajas. El uso de MOSFET de SiC o MOSFET de SiC combinados con inversores fotovoltaicos SBD de SiC puede aumentar la eficiencia de conversión del 96 % a más del 99 %, reducir la pérdida de energía en más del 50 % y aumentar la vida útil del equipo 50 veces.
La síntesis de cerámica de carburo de silicio se remonta a la década de 1890, cuando este material se utilizaba principalmente para materiales de molienda mecánica y refractarios. Con el desarrollo de la tecnología de producción, se han desarrollado ampliamente productos de SiC de alta tecnología, y países de todo el mundo están prestando mayor atención a la industrialización de cerámicas avanzadas. Ya no se conforman con la preparación de cerámica tradicional de carburo de silicio. Las empresas productoras de cerámica de alta tecnología se están desarrollando a un ritmo más rápido, especialmente en países desarrollados, donde este fenómeno es más significativo. Entre los fabricantes extranjeros se encuentran principalmente 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, etc.
El desarrollo del carburo de silicio en China fue relativamente tardío en comparación con países desarrollados como Europa y América. Desde la construcción del primer horno industrial para la fabricación de SiC en la Primera Fábrica de Muelas Rectificadoras en junio de 1951, China comenzó a producir carburo de silicio. Los fabricantes nacionales de cerámica de carburo de silicio se concentran principalmente en la ciudad de Weifang, provincia de Shandong. Según los profesionales, esto se debe a que las empresas mineras locales de carbón se enfrentan a la quiebra y buscan una transformación. Algunas empresas han introducido equipos relevantes de Alemania para iniciar la investigación y la producción de carburo de silicio.ZPC es uno de los mayores fabricantes de carburo de silicio sinterizado por reacción.
Hora de publicación: 09-nov-2024