В последние годы полупроводниковые соединения на основе карбида кремния получили широкое распространение в промышленности. Однако, как высокоэффективный материал, карбид кремния занимает лишь небольшую долю в электронных устройствах (диоды, силовые приборы). Он также может использоваться в качестве абразива, режущего материала, конструкционного материала, оптического материала, носителя катализаторов и многого другого. Сегодня мы в основном рассматриваем керамику на основе карбида кремния, которая обладает преимуществами химической стабильности, высокой термостойкости, износостойкости, коррозионной стойкости, высокой теплопроводности, низкого коэффициента теплового расширения, низкой плотности и высокой механической прочности. Она широко используется в таких областях, как химическое машиностроение, энергетика и охрана окружающей среды, полупроводниковая промышленность, металлургия, оборонная промышленность и военная промышленность.
Карбид кремния (SiC)Содержит кремний и углерод и представляет собой типичное многотипное структурное соединение, в основном включающее две кристаллические формы: α-SiC (высокотемпературно стабильный тип) и β-SiC (низкотемпературно стабильный тип). Всего существует более 200 многотипных соединений, среди которых наиболее представительными являются 3C-SiC в составе β-SiC и 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC и 15R-SiC в составе α-SiC.
Рисунок Многокомпонентная структура SiC
При температуре ниже 1600 ℃ SiC существует в форме β-SiC и может быть получен из простой смеси кремния и углерода при температуре около 1450 ℃. При температуре выше 1600 ℃ β-SiC медленно трансформируется в различные полиморфы α-SiC. 4H-SiC легко образуется при температуре около 2000 ℃; для образования 6H- и 15R-полиморфов требуются высокие температуры выше 2100 ℃; 6H-SiC остается очень стабильным даже при температурах выше 2200 ℃, что делает его широко используемым в промышленности.
Чистый карбид кремния представляет собой бесцветный и прозрачный кристалл, тогда как промышленный карбид кремния может быть бесцветным, бледно-желтым, светло-зеленым, темно-зеленым, светло-голубым, темно-синим или даже черным, с уменьшающейся степенью прозрачности. В абразивной промышленности карбид кремния классифицируется на два типа по цвету: черный карбид кремния и зеленый карбид кремния. Бесцветный или темно-зеленый карбид кремния классифицируется как зеленый карбид кремния, а светло-голубой или черный карбид кремния — как черный карбид кремния. И черный, и зеленый карбид кремния представляют собой гексагональные кристаллы альфа-SiC, и микропорошок зеленого карбида кремния обычно используется в качестве сырья для керамики из карбида кремния.
Характеристики керамики из карбида кремния, полученной различными способами.
Однако керамика на основе карбида кремния имеет недостаток в виде низкой трещиностойкости и высокой хрупкости. Поэтому в последние годы последовательно появились композитные керамические материалы на основе карбида кремния, такие как армирование волокнами (или нитевидными кристаллами), упрочнение за счет гетерогенной дисперсии частиц и градиентные функциональные материалы, которые улучшают прочность и вязкость отдельных материалов.
В качестве высокоэффективного конструкционного высокотемпературного керамического материала керамика находит все более широкое применение в высокотемпературных печах, металлургии, нефтехимии, машиностроении, электронике, аэрокосмической отрасли, энергетике и охране окружающей среды, атомной энергетике, автомобилестроении и других областях.
В 2022 году объем рынка конструкционной керамики из карбида кремния в Китае, как ожидается, достигнет 18,2 млрд юаней. С учетом дальнейшего расширения областей применения и потребностей в росте конечных потребителей, прогнозируется, что к 2025 году объем рынка конструкционной керамики из карбида кремния достигнет 29,6 млрд юаней.
В будущем, с ростом доли электромобилей, энергетики, промышленности, связи и других отраслей, а также с ужесточением требований к высокоточным, износостойким и надежным механическим и электронным компонентам в различных областях, ожидается дальнейшее расширение рынка изделий из карбида кремния, среди которых важными направлениями развития являются электромобили и фотовольтаика.
Керамика из карбида кремния используется в керамических печах благодаря своим превосходным высокотемпературным механическим свойствам, огнестойкости и устойчивости к термическим ударам. Среди них роликовые печи в основном используются для сушки, спекания и термообработки материалов положительного и отрицательного электродов литий-ионных батарей, а также электролитов. Материалы положительного и отрицательного электродов литий-ионных батарей незаменимы для транспортных средств на новых источниках энергии. Керамическая фурнитура из карбида кремния является ключевым компонентом печей, позволяющим повысить производительность печей и значительно снизить энергопотребление.
Изделия из карбида кремния также широко используются в различных автомобильных компонентах. Кроме того, устройства на основе SiC в основном применяются в блоках управления питанием (PCU, таких как бортовые DC/DC-контроллеры) и зарядных устройствах (OBC) электромобилей. Устройства на основе SiC позволяют уменьшить вес и объем оборудования PCU, снизить потери при переключении, улучшить рабочую температуру и эффективность системы; также возможно повысить уровень мощности устройства, упростить структуру схемы, повысить удельную мощность и увеличить скорость зарядки при зарядке OBC. В настоящее время многие автомобильные компании по всему миру используют карбид кремния в различных моделях, и широкое внедрение карбида кремния стало тенденцией.
При использовании керамики из карбида кремния в качестве основных несущих материалов в процессе производства фотоэлектрических элементов, получаемые изделия, такие как опоры для лодок, корпуса для лодок и фитинги для труб, обладают хорошей термической стабильностью, не деформируются при высоких температурах и не выделяют вредных загрязняющих веществ. Они могут заменить широко используемые кварцевые опоры для лодок, корпуса для лодок и фитинги для труб, а также имеют значительные экономические преимущества.
Кроме того, рыночные перспективы для фотоэлектрических силовых устройств на основе карбида кремния (SiC) широки. Материалы SiC обладают более низким сопротивлением в открытом состоянии, зарядом затвора и характеристиками обратного восстановления заряда. Использование SiC Mosfet или SiC Mosfet в сочетании с фотоэлектрическими инверторами на основе SiC SBD может повысить эффективность преобразования с 96% до более чем 99%, снизить потери энергии более чем на 50% и увеличить срок службы оборудования в 50 раз.
Синтез керамики из карбида кремния восходит к 1890-м годам, когда карбид кремния в основном использовался в качестве материалов для механической шлифовки и огнеупорных материалов. С развитием технологий производства высокотехнологичные изделия из карбида кремния получили широкое распространение, и страны по всему миру уделяют все больше внимания индустриализации передовой керамики. Они больше не довольствуются производством традиционной керамики из карбида кремния. Предприятия, производящие высокотехнологичную керамику, развиваются все быстрее, особенно в развитых странах, где это явление наиболее значимо. К числу зарубежных производителей относятся такие компании, как 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 и др.
Развитие производства карбида кремния в Китае началось сравнительно поздно по сравнению с развитыми странами, такими как Европа и Америка. С момента постройки первой промышленной печи для производства SiC на Первом заводе шлифовальных кругов в июне 1951 года Китай начал производство карбида кремния. Отечественные производители керамики из карбида кремния в основном сосредоточены в городе Вэйфан, провинция Шаньдун. По мнению специалистов, это связано с тем, что местные угольные предприятия находятся на грани банкротства и стремятся к преобразованию. Некоторые компании закупили необходимое оборудование в Германии для начала исследований и производства карбида кремния.ZPC — один из крупнейших производителей реакционно-спеченного карбида кремния.
Дата публикации: 09.11.2024