Der Markt für Siliziumkarbidfasern

Der Markt für Siliciumcarbidfasern lässt sich nach seiner Form in Endlosfasern und gewebte Siliciumcarbidfasern unterteilen. Mit erhöhter industrieller Produktion aus der Luft-und Raumfahrt & Verteidigung Sektoren und Energieindustrie mit kontinuierlichen Siliziumkarbid-Faser für die Schaffung von Kernreaktoren als Haupttreiber.

Hochtemperaturbeständig

Die hohe Temperaturbeständigkeit von Siliciumcarbidfasern macht sie zu einem ausgezeichneten Verstärkungsmaterial für Metalle und Kunststoffe, wodurch Verbundwerkstoffe mit hoher Zugfestigkeit und hohem Elastizitätsmodul entstehen. Darüber hinaus werden Elektroden aus Siliziumkarbidfasern in Öfen und Induktionsherden als industrielle Heizquelle verwendet; außerdem kann es mit Stickstoff, Phosphor, Aluminium oder Gallium dotiert werden, um n- und p-Halbleiter herzustellen.

Siliziumkarbid hält hohen Temperaturen stand und ist gleichzeitig chemisch stabil und formstabil, was es zu einem ausgezeichneten Material für Wafer-Tray-Träger und Paddles in Halbleiteröfen sowie für Ofenauskleidungen, Verschleißplatten und Auskleidungsrohre in Elektronikfertigungsanlagen macht.

Der Bau von Nuklearanlagen schreitet sowohl in den Industrie- als auch in den Entwicklungsländern schnell voran, was die Nachfrage nach Energie- und Kraftwerkskomponenten, die Siliziumkarbidfaser-Isoliermaterialien enthalten, erhöhen könnte, z. B. in Leistungsreaktoren, die diese in großem Umfang als Isoliermaterial verwenden.

Verfahren zur Herstellung hochtemperaturbeständiger Siliciumcarbidfasern bestehen aus drei Schritten: Gewinnung von Vorläuferfasern durch Polycarbosilan-Schmelzspinnen, Eintauchen dieser Vorläuferfasern in Reaktionsmonomere zur Tränkung und Aushärtungsbehandlung, um ein ideales Verhältnis zwischen Vernetzungsschichtdicke und Faserdurchmesser von 0,1-0,99 zu erreichen, und schließlich Cracken unter Inertgas, um SiC-Fasern zu erhalten, die eine ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit sowie geringere Herstellungskosten und geeignete Biegeeigenschaften aufweisen. Die Endprodukte verfügen über eine ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit, niedrige Herstellungskosten und gute Biegeeigenschaften für ihre Anwendungen.

Verstärkungsmaterial

Siliziumkarbidfasern werden als Verstärkungsmaterial in Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix (CMC) verwendet. Aufgrund ihrer Eigenschaften eignet sie sich für viele Anwendungen in der Energiewirtschaft, etwa in Kohlekraftwerken und Kernreaktoren, sowie für hitzebeständige Vorhänge und Gurte. Die Widerstandsfähigkeit von Siliziumkarbidfasern gegenüber hohen Temperaturen und ihre Langlebigkeit machen sie zu einer ausgezeichneten Wahl als Bestandteil von CMC-Verstärkungsmaterialien, wie z. B. hitzebeständige Vorhänge oder Bänder.

Seit 2008 wurden bei den Herstellungsverfahren für Siliziumkarbidfasern erhebliche Fortschritte erzielt, die zu nahezu stöchiometrischen Fasern mit kleinem Durchmesser geführt haben, deren Eigenschaften für die meisten Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMC) und nuklearen Anwendungen geeignet sind. Leider schränken die Herstellungskosten ihre Verwendung immer noch ein.

Die Nachfrage nach Siliziumkarbidfasern in Nordamerika steigt schnell, da die Luft- und Raumfahrt- sowie die Militärindustrie expandieren, angetrieben durch die starke Nachfrage nach Verkehrsflugzeugen und die steigenden Verteidigungsausgaben in der Region. Höhere Ausgaben sollten zu mehr hybriden Aluminium-Metallmatrix-Verbundwerkstoffen führen, die mit Siliziumkarbidfasern verstärkt sind.

Der globale Siliziumkarbidfasermarkt kann nach Form und Anwendung unterteilt werden. Endlos-Siliziumkarbidfasern hielten 2023 den größten Marktanteil und werden von 2024 bis 2030 ein durchschnittliches jährliches Wachstum mit einer erwarteten durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 35,9% erfahren. Diese einfach zu verarbeitenden Fasern können leicht in komplex geformte Komponenten integriert werden, während ihre Strahlungsbeständigkeit die Aufmerksamkeit der Kernkraftwerksindustrie auf sich zieht.

Metallmatrix-Verbundwerkstoffe

Siliziumkarbidfasern können Flugzeugtriebwerken zu Gewichts- und Kosteneinsparungen verhelfen, da weniger gewichtstragende Materialien verwendet werden. Die Herstellung von Siliziumkarbidfasern stellt jedoch eine Reihe von Herausforderungen dar, z. B. die Fähigkeit, hohen Temperaturen ohne Rissbildung standzuhalten, sowie die Korrosions- und Ermüdungsbeständigkeit der Werkstoffe.

Eine Möglichkeit zur Verbesserung von Verbundwerkstoffen wäre die Entwicklung neuer Metalle, die eine bessere Übereinstimmung zwischen Verstärkungsmaterialien und Verstärkungsmetallen ermöglichen, was zu stärkeren und haltbareren Verbundwerkstoffen führt. Ein anderer Ansatz könnte die Verwendung von keramischen Matrizen sein, die die Verbundwerkstoffe leichter machen und es dennoch ermöglichen, die Fasern in verschiedene Formen zu bringen.

Borfaserverstärkte Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe, die für Triebwerkskomponenten hergestellt werden, haben den Vorteil, dass sie zweimal fester und hitzebeständiger sind als Nickelbasislegierungen, aber in der Herstellung etwa $100 weniger pro Pfund kosten - eine erhebliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Nickellegierungen, die derzeit bei den meisten Flugzeugkomponenten Standard sind.

Zur Herstellung von borverstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen müssen die Siliziumkarbidfasern zunächst mit Metall beschichtet werden, um ihre Benetzbarkeit mit dem Matrixmetall zu verbessern, und dann gestapelt und unter Druck erhitzt werden, bevor sie mit einem mit einem organischen Bindemittel gemischten Matrixmetallpulver zwischen die einzelnen Stapel gefüllt werden.

Anwendungen

Siliziumkarbidfasern sind eine Form von feuerfestem Material, das in zahlreichen Anwendungen eingesetzt wird, darunter hitzebeständige Materialien für Düsentriebwerke und Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix, Verstärkungsmaterial für Hochtemperaturbänder und Filtertücher, Filterung von Hochtemperaturgasen oder -metallen durch Filtertücher und Hauptbestandteil von mit Siliziumkarbid verstärkten Verbundwerkstoffen mit metallischer Matrix - Anwendungen, die erheblich zum Umsatzwachstum auf dem Markt beitragen dürften.

Bis 2024 werden gewebte Siliziumkarbidfasern aufgrund ihrer überlegenen mechanischen Eigenschaften und ihrer Flexibilität bei der Herstellung wahrscheinlich den Weltmarkt dominieren. Gewebte Siliziumkarbidfasern lassen sich leicht zu verschiedenen Strukturen wie Schläuchen, Rohren oder Beuteln verweben und weisen eine hervorragende Verschleißfestigkeit auf, was sie zur ersten Wahl für Automobilteile macht.

Siliziumkarbidfasern können herkömmliche Superlegierungen auf Nickelbasis in den Schatten stellen, da sie doppelt so stark und 20% leichter sind und über eine bessere chemische Stabilität, chemische Beständigkeit, Wärmebeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Haltbarkeit verfügen. Außerdem kann die kristalline Struktur von SiC höheren Zugbelastungen standhalten, ohne sich zu verformen oder zu brechen.

American Elements bietet in den USA eine beeindruckende Palette fortschrittlicher Materialien für die Luft- und Raumfahrt und die Elektronik an. Dazu gehören SiC-Fasern von Sylramic, die von COI Ceramics Inc. hergestellt und auf 3-Zoll-Kartonspulen verpackt werden; sie können nach individuellen Kundenwünschen in verschiedenen Webmustern gewebt oder geklebt werden; außerdem sind sie in verschiedenen Größen und Längen erhältlich und bieten so höchste Flexibilität.