W ostatnich latach półprzewodniki z węglika krzemu zyskały powszechną uwagę w przemyśle. Jednak jako materiał o wysokiej wydajności węglik krzemu stanowi tylko niewielką część urządzeń elektronicznych (diody, urządzenia mocy). Może być również stosowany jako materiały ścierne, materiały tnące, materiały konstrukcyjne, materiały optyczne, nośniki katalizatorów i wiele innych. Obecnie wprowadzamy głównie ceramikę z węglika krzemu, która ma zalety stabilności chemicznej, odporności na wysoką temperaturę, odporności na zużycie, odporności na korozję, wysokiej przewodności cieplnej, niskiego współczynnika rozszerzalności cieplnej, niskiej gęstości i wysokiej wytrzymałości mechanicznej. Są one szeroko stosowane w takich dziedzinach jak maszyny chemiczne, energetyka i ochrona środowiska, półprzewodniki, metalurgia, obronność narodowa i przemysł wojskowy.
Węglik krzemu (SiC)zawiera krzem i węgiel i jest typowym wielo-typowym związkiem strukturalnym, obejmującym głównie dwie formy krystaliczne: α – SiC (typ stabilny w wysokiej temperaturze) i β – SiC (typ stabilny w niskiej temperaturze). Istnieje w sumie ponad 200 wielo-typów, wśród których reprezentatywne są 3C SiC β – SiC oraz 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC i 15R SiC α – SiC.
Rysunek struktury wieloczłonowej SiC
Gdy temperatura jest niższa niż 1600 ℃, SiC występuje w formie β – SiC i można go przygotować z prostej mieszanki krzemu i węgla w temperaturze około 1450 ℃. Gdy temperatura przekroczy 1600 ℃, β – SiC powoli przekształca się w różne polimorfy α – SiC. 4H SiC łatwo powstaje w temperaturze około 2000 ℃; Zarówno polimorfy 6H, jak i 15R wymagają wysokich temperatur powyżej 2100 ℃ do łatwego formowania; 6H SiC może pozostać bardzo stabilny nawet w temperaturach przekraczających 2200 ℃, co sprawia, że jest szeroko stosowany w zastosowaniach przemysłowych.
Czysty węglik krzemu jest bezbarwnym i przezroczystym kryształem, podczas gdy przemysłowy węglik krzemu może być bezbarwny, bladożółty, jasnozielony, ciemnozielony, jasnoniebieski, ciemnoniebieski, a nawet czarny, ze zmniejszającym się poziomem przezroczystości. Przemysł ścierny dzieli węglik krzemu na dwa typy w zależności od koloru: czarny węglik krzemu i zielony węglik krzemu. Bezbarwny do ciemnozielonego węglik krzemu jest klasyfikowany jako zielony węglik krzemu, podczas gdy jasnoniebieski do czarnego węglik krzemu jest klasyfikowany jako czarny węglik krzemu. Czarny węglik krzemu i zielony węglik krzemu to heksagonalne kryształy alfa SiC, a zielony mikroproszek węglika krzemu jest powszechnie stosowany jako surowiec do ceramiki węglika krzemu.
Wydajność ceramiki z węglika krzemu przygotowanej różnymi procesami
Jednakże ceramika węglika krzemu ma wadę niskiej wytrzymałości na pękanie i wysokiej kruchości. Dlatego w ostatnich latach ceramika kompozytowa oparta na ceramice węglika krzemu, taka jak wzmocnienie włóknem (lub wiskerem), wzmocnienie dyspersją cząstek heterogenicznych i materiały gradientowo funkcjonalne, pojawiły się sukcesywnie, poprawiając wytrzymałość i wytrzymałość poszczególnych materiałów.
Jako wysokowydajny ceramiczny materiał konstrukcyjny odporny na wysokie temperatury, ceramika z węglika krzemu jest coraz częściej stosowana w piecach wysokotemperaturowych, metalurgii stali, przemyśle petrochemicznym, elektronice mechanicznej, przemyśle lotniczym, energetyce i ochronie środowiska, energetyce jądrowej, przemyśle samochodowym i innych dziedzinach.
Oczekuje się, że w 2022 r. wielkość rynku ceramiki konstrukcyjnej z węglika krzemu w Chinach osiągnie 18,2 mld juanów. Wraz z dalszą ekspansją obszarów zastosowań i potrzebami wzrostu downstream szacuje się, że wielkość rynku ceramiki konstrukcyjnej z węglika krzemu osiągnie 29,6 mld juanów do 2025 r.
W przyszłości, biorąc pod uwagę rosnącą penetrację rynku nowych pojazdów energetycznych, energetyki, przemysłu, komunikacji i innych dziedzin, a także coraz bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące komponentów mechanicznych lub elektronicznych o wysokiej precyzji, odporności na zużycie i niezawodności w różnych dziedzinach, można się spodziewać dalszego wzrostu rynku wyrobów ceramicznych z węglika krzemu, a ważnymi obszarami rozwoju są nowe pojazdy energetyczne i fotowoltaika.
Ceramika z węglika krzemu jest stosowana w piecach ceramicznych ze względu na doskonałe właściwości mechaniczne w wysokiej temperaturze, odporność na ogień i odporność na szok termiczny. Spośród nich piece rolkowe są głównie używane do suszenia, spiekania i obróbki cieplnej materiałów dodatnich elektrod baterii litowo-jonowych, materiałów elektrod ujemnych i elektrolitów. Materiały dodatnich i ujemnych elektrod baterii litowych są niezbędne w przypadku nowych pojazdów energetycznych. Wyposażenie pieca ceramicznego z węglika krzemu jest kluczowym elementem pieców, który może poprawić wydajność produkcji pieca i znacznie zmniejszyć zużycie energii.
Produkty ceramiczne z węglika krzemu są również szeroko stosowane w różnych komponentach samochodowych. Ponadto urządzenia SiC są głównie stosowane w PCU (jednostkach sterowania mocą, takich jak pokładowe DC/DC) i OBC (jednostkach ładowania) nowych pojazdów energetycznych. Urządzenia SiC mogą zmniejszyć wagę i objętość sprzętu PCU, zmniejszyć straty przełączania i poprawić temperaturę roboczą i wydajność systemu urządzeń; Możliwe jest również zwiększenie poziomu mocy jednostki, uproszczenie struktury obwodu, poprawa gęstości mocy i zwiększenie prędkości ładowania podczas ładowania OBC. Obecnie wiele firm samochodowych na całym świecie stosuje węglik krzemu w wielu modelach, a masowe przyjęcie węglika krzemu stało się trendem.
Gdy ceramika z węglika krzemu jest używana jako kluczowy materiał nośny w procesie produkcji ogniw fotowoltaicznych, powstałe produkty, takie jak podpory łodzi, skrzynki łodzi i złączki rurowe, mają dobrą stabilność termiczną, nie odkształcają się podczas użytkowania w wysokich temperaturach i nie wytwarzają szkodliwych zanieczyszczeń. Mogą zastąpić powszechnie stosowane kwarcowe podpory łodzi, skrzynki łodzi i złączki rurowe, a także mają znaczące zalety kosztowe.
Ponadto perspektywy rynkowe dla fotowoltaicznych urządzeń zasilających z węglika krzemu są szerokie. Materiały SiC mają niższe charakterystyki rezystancji, ładunku bramki i ładunku odzyskiwania wstecznego. Zastosowanie SiC Mosfet lub SiC Mosfet w połączeniu z falownikami fotowoltaicznymi SiC SBD może zwiększyć wydajność konwersji z 96% do ponad 99%, zmniejszyć straty energii o ponad 50% i wydłużyć cykl życia sprzętu o 50 razy.
Początki syntezy ceramiki węglika krzemu sięgają lat 90. XIX wieku, kiedy to węglik krzemu był stosowany głównie do materiałów do mechanicznego mielenia i materiałów ogniotrwałych. Wraz z rozwojem technologii produkcji, produkty SiC o wysokiej technologii zostały szeroko rozwinięte, a kraje na całym świecie zwracają większą uwagę na industrializację zaawansowanej ceramiki. Nie zadowalają się już przygotowaniem tradycyjnej ceramiki węglika krzemu. Przedsiębiorstwa produkujące ceramikę o wysokiej technologii rozwijają się szybciej, szczególnie w krajach rozwiniętych, gdzie zjawisko to jest bardziej znaczące. Do zagranicznych producentów należą głównie 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 itp.
Rozwój węglika krzemu w Chinach nastąpił stosunkowo późno w porównaniu do krajów rozwiniętych, takich jak Europa i Ameryka. Od czasu zbudowania pierwszego pieca przemysłowego do produkcji SiC w pierwszej fabryce kół szlifierskich w czerwcu 1951 r. Chiny rozpoczęły produkcję węglika krzemu. Krajowi producenci ceramiki z węglika krzemu są skoncentrowani głównie w mieście Weifang w prowincji Shandong. Według specjalistów wynika to z faktu, że lokalne przedsiębiorstwa górnicze stoją w obliczu bankructwa i szukają transformacji. Niektóre firmy wprowadziły odpowiedni sprzęt z Niemiec, aby rozpocząć badania i produkcję węglika krzemu.ZPC jest jednym z największych producentów węglika krzemu spiekanego reaktywnie.
Czas publikacji: 09-11-2024