В последние годы полупроводниковые соединения на основе карбида кремния привлекают широкое внимание в промышленности. Однако, будучи высокопроизводительным материалом, карбид кремния занимает лишь малую часть электронных устройств (диодов, силовых приборов). Он также может использоваться в качестве абразивных материалов, режущих материалов, конструкционных материалов, оптических материалов, носителей катализаторов и других. Сегодня мы в основном представляем керамику на основе карбида кремния, которая обладает такими преимуществами, как химическая стабильность, высокая термостойкость, износостойкость, коррозионная стойкость, высокая теплопроводность, низкий коэффициент теплового расширения, малая плотность и высокая механическая прочность. Она широко используется в таких областях, как химическое машиностроение, энергетика и охрана окружающей среды, производство полупроводников, металлургия, национальная оборона и военная промышленность.
Карбид кремния (SiC)Содержит кремний и углерод и является типичным многотипным структурным соединением, включающим в основном две кристаллические формы: α-SiC (стабильный при высоких температурах) и β-SiC (стабильный при низких температурах). Всего существует более 200 многотипных форм, среди которых 3C SiC β-SiC, а также 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC и 15R SiC α-SiC являются типичными.
Рисунок SiC многотельной структуры
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 превращается в различные полиморфные модификации α-SiC. 4H SiC легко образуется при температуре около 2000 ℃; для образования полиморфных модификаций 6H и 15R требуются высокие температуры, превышающие 2100 ℃; 6H SiC может оставаться очень стабильным даже при температурах, превышающих 2200 ℃, что делает его широко используемым в промышленности.
Чистый карбид кремния – бесцветный и прозрачный кристалл, в то время как промышленный карбид кремния может быть бесцветным, бледно-желтым, светло-зеленым, темно-зеленым, светло-голубым, темно-синим или даже черным, с уменьшением степени прозрачности. В абразивной промышленности карбид кремния классифицируют на два типа в зависимости от цвета: черный карбид кремния и зеленый карбид кремния. Бесцветный или темно-зеленый карбид кремния классифицируется как зеленый карбид кремния, а карбид кремния от светло-голубого до черного цвета – как черный карбид кремния. Черный и зеленый карбид кремния представляют собой гексагональные кристаллы альфа-карбида кремния, а микропорошок зеленого карбида кремния обычно используется в качестве сырья для керамики из карбида кремния.
Характеристики керамики из карбида кремния, изготовленной различными способами
Однако керамика на основе карбида кремния обладает такими недостатками, как низкая вязкость разрушения и высокая хрупкость. Поэтому в последние годы появились композиционные материалы на основе карбида кремния, такие как армированные волокнами (или нитевидными кристаллами), материалы с гетерогенным дисперсионным упрочнением и материалы с градиентным функционалом, которые повышают прочность и ударную вязкость отдельных материалов.
Карбидокремниевая керамика, являясь высокоэффективным конструкционным керамическим высокотемпературным материалом, находит все более широкое применение в высокотемпературных печах, сталелитейной промышленности, нефтехимии, машиностроении, электронике, аэрокосмической промышленности, энергетике и охране окружающей среды, атомной энергетике, автомобилестроении и других областях.
Ожидается, что к 2022 году объём рынка конструкционной керамики на основе карбида кремния в Китае достигнет 18,2 млрд юаней. С учётом дальнейшего расширения сфер применения и потребностей в развитии перерабатывающей промышленности объём рынка конструкционной керамики на основе карбида кремния, по оценкам, к 2025 году достигнет 29,6 млрд юаней.
В будущем, в связи с ростом проникновения новых видов транспорта на энергии в энергетику, промышленность, связь и другие сферы, а также с ужесточением требований к высокоточным, износостойким и надежным механическим компонентам или электронным компонентам в различных областях, ожидается, что объем рынка изделий из карбидкремниевой керамики будет продолжать расти, среди которых важными направлениями развития являются новые виды транспорта на энергии и фотоэлектрические системы.
Керамика из карбида кремния используется в керамических печах благодаря своим превосходным высокотемпературным механическим свойствам, огнестойкости и стойкости к тепловым ударам. Роликовые печи, в частности, используются для сушки, спекания и термической обработки материалов положительных и отрицательных электродов литий-ионных аккумуляторов, а также электролитов. Материалы положительных и отрицательных электродов литиевых аккумуляторов незаменимы для автомобилей на новых источниках энергии. Керамическая фурнитура для печей из карбида кремния является ключевым компонентом печей, позволяя повысить их производительность и значительно снизить энергопотребление.
Керамические изделия из карбида кремния также широко используются в различных автомобильных компонентах. Кроме того, устройства из карбида кремния (SiC) в основном используются в блоках управления питанием (PCU) и зарядных устройствах (OBC) новых энергетических транспортных средств. Устройства из карбида кремния позволяют снизить вес и объем оборудования PCU, снизить потери при переключении, а также повысить рабочую температуру и эффективность системы устройств. Кроме того, возможно повысить мощность устройства, упростить структуру схемы, улучшить плотность мощности и увеличить скорость зарядки при зарядке OBC. В настоящее время многие автомобильные компании по всему миру используют карбид кремния в различных моделях, и его широкое внедрение стало тенденцией.
При использовании карбидкремниевой керамики в качестве основного материала-носителя в процессе производства фотоэлектрических элементов получаемые изделия, такие как опоры лодок, боксы для лодок и фитинги для труб, обладают хорошей термостойкостью, не деформируются при высоких температурах и не выделяют вредных веществ. Они могут заменить обычно используемые кварцевые опоры лодок, боксы для лодок и фитинги для труб, а также обладают значительными экономическими преимуществами.
Кроме того, рыночные перспективы фотоэлектрических силовых устройств на основе карбида кремния весьма обширны. Материалы SiC обладают более низким сопротивлением, зарядом затвора и характеристиками обратного восстановления. Использование SiC MOSFET или SiC MOSFET в сочетании с фотоэлектрическими инверторами SiC SBD позволяет 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 карбидкремниевой керамики берет свое начало в 1890-х годах, когда карбид кремния использовался в основном для изготовления материалов для механического шлифования 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 современной керамики. Они больше не довольствуются получением традиционной карбидкремниевой керамики. Предприятия, выпускающие высокотехнологичную керамику, развиваются стремительными темпами, особенно в развитых странах, где это явление более значимо. К зарубежным производителям относятся, в основном, 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.
Разработка карбида кремния в Китае началась относительно поздно по сравнению с развитыми странами, такими как Европа и Америка. С момента строительства первой промышленной печи для производства карбида кремния на Первом заводе шлифовальных кругов в июне 1951 года, Китай начал производство карбида кремния. Китайские производители карбидкремниевой керамики сосредоточены в основном в городе Вэйфан провинции Шаньдун. По мнению специалистов, это связано с тем, что местные угледобывающие предприятия столкнулись с банкротством и стремятся к трансформации. Некоторые компании закупили соответствующее оборудование из Германии, чтобы начать исследования и производство карбида кремния.ZPC — один из крупнейших производителей реакционно-спеченного карбида кремния.
Время публикации: 09 ноября 2024 г.