ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา สารกึ่งตัวนำสารประกอบซิลิคอนคาร์ไบด์ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม ในฐานะวัสดุประสิทธิภาพสูง ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นเพียงส่วนเล็ก ๆ ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (ไดโอด อุปกรณ์กำลังไฟฟ้า) เท่านั้น นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นวัสดุขัดถู วัสดุตัด วัสดุโครงสร้าง วัสดุทางแสง ตัวเร่งปฏิกิริยา และอื่น ๆ อีกมากมาย ปัจจุบัน เราจะแนะนำเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นหลัก ซึ่งมีข้อดีคือ เสถียรภาพทางเคมี ทนต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการสึกหรอ ทนต่อการกัดกร่อน การนำความร้อนสูง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ ความหนาแน่นต่ำ และความแข็งแรงเชิงกลสูง จึงมีการใช้งานอย่างกว้างขวางในด้านต่าง ๆ เช่น เครื่องจักรเคมี พลังงานและการรักษาสิ่งแวดล้อม สารกึ่งตัวนำ โลหะวิทยา การป้องกันประเทศ และอุตสาหกรรมทางทหาร
ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)SiC ประกอบด้วยซิลิคอนและคาร์บอน และเป็นสารประกอบโครงสร้างหลายประเภททั่วไป ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยรูปแบบผลึกสองแบบ ได้แก่ α-SiC (ชนิดเสถียรที่อุณหภูมิสูง) และ β-SiC (ชนิดเสถียรที่อุณหภูมิต่ำ) มี SiC หลายประเภทมากกว่า 200 ชนิด โดยที่ 3C SiC ของ β-SiC และ 2H SiC, 4H SiC, 6H SiC และ 15R SiC ของ α-SiC เป็นตัวอย่างที่สำคัญ
ภาพโครงสร้างหลายส่วนของ SiC
เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 1600 ℃ ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) จะอยู่ในรูปของ β-SiC และสามารถเตรียมได้จากส่วนผสมของซิลิคอนและคาร์บอนอย่างง่ายที่อุณหภูมิประมาณ 1450 ℃ เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 1600 ℃ β-SiC จะค่อยๆ เปลี่ยนไปเป็น α-SiC ในรูปแบบต่างๆ 4H-SiC สามารถเกิดขึ้นได้ง่ายที่อุณหภูมิประมาณ 2000 ℃ ส่วน 6H และ 15R นั้นต้องการอุณหภูมิสูงกว่า 2100 ℃ จึงจะเกิดขึ้นได้ง่าย 6H-SiC สามารถคงสภาพได้ดีมากแม้ที่อุณหภูมิสูงกว่า 2200 ℃ ทำให้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม
ซิลิคอนคาร์ไบด์บริสุทธิ์เป็นผลึกที่ไม่มีสีและโปร่งใส ในขณะที่ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ใช้ในอุตสาหกรรมอาจมีสีตั้งแต่ไม่มีสี สีเหลืองอ่อน สีเขียวอ่อน สีเขียวเข้ม สีฟ้าอ่อน สีฟ้าเข้ม หรือแม้แต่สีดำ โดยระดับความโปร่งใสจะลดลงตามลำดับ อุตสาหกรรมขัดถูแบ่งซิลิคอนคาร์ไบด์ออกเป็นสองประเภทตามสี ได้แก่ ซิลิคอนคาร์ไบด์สีดำและซิลิคอนคาร์ไบด์สีเขียว ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ไม่มีสีถึงสีเขียวเข้มจัดเป็นซิลิคอนคาร์ไบด์สีเขียว ในขณะที่ซิลิคอนคาร์ไบด์สีฟ้าอ่อนถึงสีดำจัดเป็นซิลิคอนคาร์ไบด์สีดำ ทั้งซิลิคอนคาร์ไบด์สีดำและสีเขียวเป็นผลึกหกเหลี่ยมอัลฟา SiC และผงไมโครซิลิคอนคาร์ไบด์สีเขียวมักใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์
ประสิทธิภาพของเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ผลิตด้วยกระบวนการที่แตกต่างกัน
อย่างไรก็ตาม เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์มีข้อเสียคือความทนทานต่อการแตกหักต่ำและเปราะสูง ดังนั้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เซรามิกคอมโพสิตที่ใช้เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นพื้นฐาน เช่น การเสริมแรงด้วยเส้นใย (หรือหนวด) การเสริมความแข็งแรงด้วยการกระจายอนุภาคที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน และวัสดุที่มีคุณสมบัติไล่ระดับ ได้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งช่วยปรับปรุงความทนทานและความแข็งแรงของวัสดุแต่ละชนิด
เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุเซรามิกโครงสร้างประสิทธิภาพสูงที่ทนต่ออุณหภูมิสูง จึงมีการประยุกต์ใช้เพิ่มมากขึ้นในเตาเผาอุณหภูมิสูง อุตสาหกรรมเหล็ก ปิโตรเคมี เครื่องกลและอิเล็กทรอนิกส์ การบินและอวกาศ พลังงานและการรักษาสิ่งแวดล้อม พลังงานนิวเคลียร์ ยานยนต์ และสาขาอื่นๆ
ในปี 2022 คาดว่าขนาดตลาดของเซรามิกโครงสร้างซิลิคอนคาร์ไบด์ในประเทศจีนจะสูงถึง 18.2 พันล้านหยวน และด้วยการขยายตัวของขอบเขตการใช้งานและความต้องการการเติบโตของอุตสาหกรรมปลายน้ำ คาดว่าขนาดตลาดของเซรามิกโครงสร้างซิลิคอนคาร์ไบด์จะสูงถึง 29.6 พันล้านหยวนภายในปี 2025
ในอนาคต ด้วยอัตราการใช้งานรถยนต์พลังงานใหม่ที่เพิ่มขึ้น พลังงาน อุตสาหกรรม การสื่อสาร และสาขาอื่นๆ รวมถึงความต้องการที่เข้มงวดมากขึ้นสำหรับชิ้นส่วนเครื่องจักรกลหรือชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความแม่นยำสูง ทนทานต่อการสึกหรอสูง และเชื่อถือได้สูงในสาขาต่างๆ คาดว่าขนาดตลาดของผลิตภัณฑ์เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์จะยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งรถยนต์พลังงานใหม่และพลังงานแสงอาทิตย์ซึ่งเป็นพื้นที่การพัฒนาที่สำคัญ
เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ถูกนำมาใช้ในเตาเผาเซรามิกเนื่องจากมีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยมที่อุณหภูมิสูง ทนไฟ และทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เตาเผาแบบลูกกลิ้งถูกใช้สำหรับการอบแห้ง การเผาผนึก และการอบชุบความร้อนของวัสดุขั้วบวก วัสดุขั้วลบ และอิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน วัสดุขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่ลิเธียมเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับรถยนต์พลังงานใหม่ อุปกรณ์เตาเผาเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นส่วนประกอบสำคัญของเตาเผา ซึ่งสามารถเพิ่มกำลังการผลิตของเตาเผาและลดการใช้พลังงานได้อย่างมาก
ผลิตภัณฑ์เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ยังถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในชิ้นส่วนยานยนต์ต่างๆ นอกจากนี้ อุปกรณ์ SiC ยังถูกใช้เป็นหลักใน PCU (หน่วยควบคุมพลังงาน เช่น DC/DC ในรถยนต์) และ OBC (หน่วยชาร์จ) ของรถยนต์พลังงานใหม่ อุปกรณ์ SiC สามารถลดน้ำหนักและปริมาตรของอุปกรณ์ PCU ลดการสูญเสียจากการสวิตช์ และปรับปรุงอุณหภูมิการทำงานและประสิทธิภาพของระบบของอุปกรณ์ได้ นอกจากนี้ยังสามารถเพิ่มระดับพลังงานของหน่วย ลดความซับซ้อนของโครงสร้างวงจร ปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงาน และเพิ่มความเร็วในการชาร์จระหว่างการชาร์จ OBC ได้อีกด้วย ปัจจุบัน บริษัทรถยนต์หลายแห่งทั่วโลกได้ใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์ในรถยนต์หลายรุ่น และการนำซิลิคอนคาร์ไบด์มาใช้ในวงกว้างได้กลายเป็นกระแสที่ได้รับความนิยม
เมื่อใช้เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุหลักในกระบวนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ ผลิตภัณฑ์ที่ได้ เช่น ตัวรองรับเรือ กล่องเรือ และข้อต่อท่อ จะมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดี ไม่เสียรูปเมื่อใช้งานที่อุณหภูมิสูง และไม่ก่อให้เกิดมลพิษที่เป็นอันตราย สามารถใช้ทดแทนตัวรองรับเรือ กล่องเรือ และข้อต่อท่อที่ทำจากควอตซ์ซึ่งใช้กันทั่วไปได้ และมีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนอย่างมาก
นอกจากนี้ โอกาสทางการตลาดสำหรับอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ยังกว้างขวาง วัสดุ SiC มีคุณสมบัติความต้านทานขณะเปิดวงจร ประจุที่เกต และประจุการฟื้นตัวย้อนกลับที่ต่ำกว่า การใช้ SiC Mosfet หรือ SiC Mosfet ร่วมกับอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ SiC SBD สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานจาก 96% เป็นมากกว่า 99% ลดการสูญเสียพลังงานได้มากกว่า 50% และเพิ่มอายุการใช้งานของอุปกรณ์ได้ถึง 50 เท่า
การสังเคราะห์เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถสืบย้อนไปได้ถึงช่วงทศวรรษ 1890 ซึ่งในเวลานั้นซิลิคอนคาร์ไบด์ถูกนำมาใช้เป็นหลักสำหรับวัสดุบดเชิงกลและวัสดุทนไฟ ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิต ผลิตภัณฑ์ SiC เทคโนโลยีขั้นสูงจึงได้รับการพัฒนาอย่างกว้างขวาง และประเทศต่างๆ ทั่วโลกต่างให้ความสำคัญกับการพัฒนาอุตสาหกรรมเซรามิกขั้นสูงมากขึ้น พวกเขาไม่พอใจกับการผลิตเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์แบบดั้งเดิมอีกต่อไป บริษัทผู้ผลิตเซรามิกเทคโนโลยีขั้นสูงจึงพัฒนาอย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะในประเทศที่พัฒนาแล้วซึ่งปรากฏการณ์นี้มีความสำคัญมากยิ่งขึ้น ผู้ผลิตต่างประเทศที่สำคัญ ได้แก่ 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 เป็นต้น
การพัฒนาซิลิคอนคาร์ไบด์ในประเทศจีนค่อนข้างล่าช้าเมื่อเทียบกับประเทศที่พัฒนาแล้ว เช่น ยุโรปและอเมริกา นับตั้งแต่มีการสร้างเตาหลอมอุตสาหกรรมแห่งแรกสำหรับการผลิต SiC ที่โรงงานผลิตล้อเจียรแห่งแรกในเดือนมิถุนายน ปี 1951 จีนก็เริ่มผลิตซิลิคอนคาร์ไบด์ ผู้ผลิตเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ในประเทศส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในเมืองเหวยฟาง มณฑลชานตง ตามที่ผู้เชี่ยวชาญกล่าวไว้ นี่เป็นเพราะว่าวิสาหกิจเหมืองถ่านหินในท้องถิ่นกำลังประสบปัญหาล้มละลายและกำลังมองหาการเปลี่ยนแปลง บริษัทบางแห่งได้นำเข้าอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องจากเยอรมนีเพื่อเริ่มต้นการวิจัยและผลิตซิลิคอนคาร์ไบด์ZPC เป็นหนึ่งในผู้ผลิตซิลิคอนคาร์ไบด์แบบเผาผนึกด้วยปฏิกิริยารายใหญ่ที่สุด
วันที่เผยแพร่: 9 พฤศจิกายน 2024