Nos últimos anos, os semicondutores compostos de carbeto de silício têm recebido grande atenção na indústria. No entanto, como material de alto desempenho, o carbeto de silício é utilizado apenas em uma pequena parte dos dispositivos eletrônicos (diodos, dispositivos de potência). Ele também pode ser usado como abrasivo, material de corte, material estrutural, material óptico, suporte de catalisador e muito mais. Hoje, apresentaremos principalmente as cerâmicas de carbeto de silício, que possuem vantagens como estabilidade química, resistência a altas temperaturas, resistência ao desgaste, resistência à corrosão, alta condutividade térmica, baixo coeficiente de expansão térmica, baixa densidade e alta resistência mecânica. Elas são amplamente utilizadas em áreas como química, mecânica, energia e proteção ambiental, semicondutores, metalurgia, defesa nacional e indústria militar.
Carboneto de silício (SiC)Contém silício e carbono, e é um composto estrutural típico de múltiplos tipos, incluindo principalmente duas formas cristalinas: α-SiC (tipo estável em altas temperaturas) e β-SiC (tipo estável em baixas temperaturas). Existem mais de 200 tipos diferentes no total, entre os quais o 3C SiC do β-SiC e os 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC e 15R SiC do α-SiC são representativos.
Figura Estrutura Multicorpos de SiC
Quando a temperatura está abaixo de 1600 °C, o SiC existe na forma de β-SiC e pode ser preparado a partir de uma simples mistura de silício e carbono por volta de 1450 °C. Quando a temperatura excede 1600 °C, o β-SiC se transforma lentamente em vários polimorfos de α-SiC. O 4H-SiC é facilmente gerado por volta de 2000 °C; os polimorfos 6H e 15R requerem altas temperaturas acima de 2100 °C para sua fácil formação; o 6H-SiC pode permanecer muito estável mesmo em temperaturas superiores a 2200 °C, o que o torna amplamente utilizado em aplicações industriais.
O carbeto de silício puro é um cristal incolor e transparente, enquanto o carbeto de silício industrial pode ser incolor, amarelo pálido, verde claro, verde escuro, azul claro, azul escuro ou até mesmo preto, com níveis de transparência decrescentes. A indústria abrasiva categoriza o carbeto de silício em dois tipos com base na cor: carbeto de silício preto e carbeto de silício verde. O carbeto de silício incolor a verde escuro é classificado como carbeto de silício verde, enquanto o carbeto de silício azul claro a preto é classificado como carbeto de silício preto. Tanto o carbeto de silício preto quanto o carbeto de silício verde são cristais hexagonais de α-SiC, e o micropó de carbeto de silício verde é geralmente usado como matéria-prima para cerâmicas de carbeto de silício.
Desempenho de cerâmicas de carbeto de silício preparadas por diferentes processos
No entanto, as cerâmicas de carbeto de silício apresentam a desvantagem de baixa tenacidade à fratura e alta fragilidade. Portanto, nos últimos anos, cerâmicas compósitas à base de carbeto de silício, como as reforçadas com fibras (ou whiskers), as reforçadas por dispersão heterogênea de partículas e os materiais funcionais com gradiente, têm surgido sucessivamente, melhorando a tenacidade e a resistência dos materiais individuais.
Como um material cerâmico estrutural de alto desempenho para altas temperaturas, a cerâmica de carbeto de silício tem sido cada vez mais aplicada em fornos de alta temperatura, metalurgia do aço, petroquímica, eletrônica mecânica, aeroespacial, energia e proteção ambiental, energia nuclear, automóveis e outros campos.
Em 2022, o mercado de cerâmicas estruturais de carboneto de silício na China deverá atingir 18,2 bilhões de yuans. Com a expansão contínua dos campos de aplicação e o crescimento da cadeia produtiva, estima-se que o mercado de cerâmicas estruturais de carboneto de silício alcance 29,6 bilhões de yuans até 2025.
No futuro, com o aumento da penetração de veículos de novas energias, energia, indústria, comunicação e outros setores, bem como com as exigências cada vez mais rigorosas por componentes mecânicos ou eletrônicos de alta precisão, alta resistência ao desgaste e alta confiabilidade em diversas áreas, espera-se que o mercado de produtos cerâmicos de carboneto de silício continue a se expandir, sendo os veículos de novas energias e a energia fotovoltaica importantes áreas de desenvolvimento.
A cerâmica de carbeto de silício é utilizada em fornos cerâmicos devido às suas excelentes propriedades mecânicas em altas temperaturas, resistência ao fogo e resistência ao choque térmico. Entre eles, os fornos de rolos são utilizados principalmente para secagem, sinterização e tratamento térmico de materiais de eletrodo positivo e negativo de baterias de íon-lítio, bem como de eletrólitos. Os materiais de eletrodo positivo e negativo de baterias de íon-lítio são indispensáveis para veículos de novas energias. Os componentes de cerâmica de carbeto de silício para fornos são fundamentais, podendo aumentar a capacidade de produção e reduzir significativamente o consumo de energia.
Os produtos cerâmicos de carboneto de silício também são amplamente utilizados em diversos componentes automotivos. Além disso, os dispositivos de SiC são usados principalmente em PCUs (unidades de controle de potência, como conversores CC/CC de bordo) e OBCs (unidades de carregamento) de veículos de novas energias. Os dispositivos de SiC podem reduzir o peso e o volume dos equipamentos da PCU, diminuir as perdas de comutação e melhorar a temperatura de operação e a eficiência do sistema. Também é possível aumentar a potência da unidade, simplificar a estrutura do circuito, melhorar a densidade de potência e aumentar a velocidade de carregamento durante o carregamento do OBC. Atualmente, muitas montadoras em todo o mundo utilizam carboneto de silício em diversos modelos, e a adoção em larga escala desse material tornou-se uma tendência.
Quando cerâmicas de carbeto de silício são utilizadas como materiais de suporte essenciais no processo de produção de células fotovoltaicas, os produtos resultantes, como suportes, invólucros e conexões de tubos, apresentam boa estabilidade térmica, não se deformam em altas temperaturas e não produzem poluentes nocivos. Podem substituir os suportes, invólucros e conexões de tubos de quartzo comumente utilizados, oferecendo vantagens significativas em termos de custo.
Além disso, as perspectivas de mercado para dispositivos fotovoltaicos de carbeto de silício são amplas. Os materiais de SiC apresentam menor resistência, carga de porta e características de recuperação de carga reversa. O uso de MOSFETs de SiC ou MOSFETs de SiC combinados com diodos Schottky de SiC em inversores fotovoltaicos pode aumentar a eficiência de conversão de 96% para mais de 99%, reduzir a perda de energia em mais de 50% e aumentar a vida útil do equipamento em 50 vezes.
A síntese de cerâmicas de carbeto de silício remonta à década de 1890, quando o carbeto de silício era usado principalmente como material para moagem mecânica e refratário. Com o desenvolvimento da tecnologia de produção, produtos de SiC de alta tecnologia foram amplamente desenvolvidos, e países ao redor do mundo estão dando mais atenção à industrialização de cerâmicas avançadas. Eles não se contentam mais com a preparação de cerâmicas de carbeto de silício tradicionais. Empresas produtoras de cerâmicas de alta tecnologia estão se desenvolvendo mais rapidamente, especialmente em países desenvolvidos, onde esse fenômeno é mais significativo. Entre os principais fabricantes estrangeiros, destacam-se 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.
O desenvolvimento do carboneto de silício na China foi relativamente tardio em comparação com países desenvolvidos como a Europa e os Estados Unidos. A produção de carboneto de silício na China começou em junho de 1951, com a construção do primeiro forno industrial para fabricação de SiC na Primeira Fábrica de Rebolos. Os fabricantes nacionais de cerâmica de carboneto de silício estão concentrados principalmente na cidade de Weifang, província de Shandong. Segundo especialistas, isso se deve ao fato de as empresas locais de mineração de carvão estarem enfrentando falência e buscando reestruturação. Algumas empresas importaram equipamentos da Alemanha para iniciar a pesquisa e a produção de carboneto de silício.A ZPC é uma das maiores fabricantes de carbeto de silício sinterizado por reação.
Data da publicação: 09/11/2024