Tržišče silicijevega karbida

Glede na obliko lahko trg silicijevega karbida razdelimo na kontinuirane in tkane izdelke iz silicijevega karbida. S povečano industrijsko proizvodnjo, ki izhaja iz letalskega in obrambnega sektorja ter energetske industrije, ki uporablja kontinuirana silicijeva karbidna vlakna za izdelavo jedrskih reaktorjev, sta glavni gonilni sili.

Odpornost na visoke temperature

Silicijev karbid je zaradi svoje visoke temperaturne odpornosti odličen material za ojačitev kovin in plastike, saj omogoča izdelavo kompozitov z visoko natezno trdnostjo in modulom elastičnosti. Poleg tega se elektrode iz vlaken silicijevega karbida pogosto uporabljajo v pečeh in indukcijskih štedilnikih kot industrijski vir ogrevanja; poleg tega jih je mogoče dopirati z dušikovimi, fosforjevimi, aluminijevimi ali galijevimi dopanti za proizvodnjo polprevodnikov n- in p-tipa.

Silicijev karbid dobro prenaša visoke temperature, hkrati pa je kemično stabilen in dimenzijsko stabilen, zato je odličen material za nosilce pladnjev za rezine in lopatice v polprevodniških pečeh, uporablja pa se tudi za obloge peči, obrabne plošče in obložne cevi v obratih za proizvodnjo elektronike.

Gradnja jedrskih objektov v razvitih državah in državah v razvoju hitro napreduje, kar bi lahko povečalo povpraševanje po komponentah za energijo in moč, ki vsebujejo izolacijske materiale iz vlaken silicijevega karbida, kot so energetski reaktorji, ki jih pogosto uporabljajo kot izolacijski material.

Metode za izdelavo visokotemperaturno odpornih vlaken iz silicijevega karbida so sestavljene iz treh korakov: pridobivanje predhodnih vlaken z vrtenjem polikarbosilana v talini, potopitev teh predhodnih vlaken v reakcijske monomere za namakanje in strjevanje, da se doseže idealno razmerje med debelino plasti zamreženja in premerom vlaken 0,1-0,99, ter končno krekiranje v inertnem plinu za pridobitev SiC vlaken z odlično temperaturno odpornostjo ter nižjimi proizvodnimi stroški in ustreznimi upogibnimi lastnostmi. Končni izdelki imajo odlično visokotemperaturno odpornost, nizke proizvodne stroške in dobre upogibne lastnosti za njihovo uporabo.

Material za ojačitev

Vlakna iz silicijevega karbida se uporabljajo kot ojačitveni material v kompozitih s keramično matrico (CMC). Zaradi svojih lastnosti so primerna za uporabo v številnih aplikacijah v energetski industriji, kot so premogovne elektrarne in jedrski reaktorji, ter v toplotno odpornih zavesah in pasovih. Zaradi odpornosti na visoke temperature in trajnosti so vlakna silicijevega karbida odlična izbira kot sestavina v ojačitvenih materialih CMC, kot so toplotno odporne zavese ali pasovi.

Od leta 2008 je bil dosežen velik napredek v tehnikah izdelave vlaken iz silicijevega karbida, kar je privedlo do skoraj stehiometričnih vlaken majhnega premera z lastnostmi, primernimi za večino kompozitov s keramično matrico (CMC) in jedrskih aplikacij. Žal pa stroški proizvodnje še vedno omejujejo njihovo uporabo.

Povpraševanje po silicijevem karbidu v Severni Ameriki hitro narašča zaradi širitve letalske in vojaške industrije, kar je posledica velikega povpraševanja po komercialnih letalih in naraščajočih izdatkov za obrambo v regiji. Povečana poraba naj bi spodbudila povečanje hibridnih kompozitov s kovinsko matrico iz aluminija, ojačanih z vlakni iz silicijevega karbida.

Svetovni trg silicijevega karbida se lahko razdeli glede na obliko in uporabo. Največji tržni delež leta 2023 so imela kontinuirana silicijeva karbidna vlakna, za katera se pričakuje, da bodo v obdobju 2024-2030 dosegala sestavljeno letno stopnjo rasti v višini 35,9%. Ta enostavna vlakna je mogoče zlahka vgraditi v komponente kompleksnih oblik, njihova odpornost na sevanje pa pritegne pozornost industrije za proizvodnjo jedrske energije.

Kompoziti s kovinsko matrico

Vlakna iz silicijevega karbida lahko pomagajo letalskim motorjem zmanjšati težo in stroške z zmanjšanjem uporabe materialov, ki nosijo težo. Vendar pa njegova proizvodnja prinaša vrsto izzivov, kot so odpornost na visoke temperature brez razpok ter odpornost na korozijo in utrujenost materialov.

Ena od možnosti za izboljšanje kompozitov bi bila izdelava novih kovin, ki bi zagotavljale boljše ujemanje med materiali za ojačitev in kovinami za ojačitev, kar bi omogočilo močnejše in trajnejše kompozite. Drug pristop bi lahko vključeval uporabo keramičnih matric, zaradi katerih bi bili kompoziti lažji, hkrati pa bi še vedno omogočali oblikovanje vlaken v različne oblike.

Prednost kompozitov iz aluminijaste matrice, ojačanih z borovimi vlakni, ki se proizvajajo za komponente reaktivnih motorjev, je, da so dvakrat močnejši in bolj odporni proti vročini kot zlitine na osnovi niklja, hkrati pa njihova proizvodnja stane približno $100 manj na kilogram, kar pomeni znatno izboljšanje v primerjavi z običajnimi nikljevimi zlitinami, ki so trenutno standard za večino letalskih komponent.

Za izdelavo z borom ojačanih kompozitov s kovinsko matrico je treba vlakna iz silicijevega karbida najprej prevleči s kovino, da se poveča njihova omočljivost s kovinsko matrico, nato pa jih je treba zložiti na kupe in segreti pod pritiskom, preden se zapolnijo med vsak kup z uporabo prahu kovinske matrice, pomešanega z organskim vezivom.

Aplikacije

Vlakna iz silicijevega karbida so oblika ognjevzdržnega materiala, ki se uporablja v številnih aplikacijah, vključno s toplotno odpornimi materiali za reaktivne motorje in kompozite s keramično matrico, ojačitvenim materialom za visokotemperaturne pasove in filtrirne tkanine, filtriranjem plinov ali kovin pri visokih temperaturah skozi filtrirne tkanine in ključno sestavino kompozitov s kovinsko matrico, ojačanih s silicijevim karbidom - aplikacije, ki bi morale znatno prispevati k rasti prihodkov na trgu.

Do leta 2024 bodo na svetovnem trgu verjetno prevladovala tkana vlakna iz silicijevega karbida zaradi svojih odličnih mehanskih lastnosti in proizvodne prilagodljivosti. Tkana vlakna iz silicijevega karbida je mogoče enostavno tkati v različne strukture, kot so cevi, cevke ali vrečke, in imajo odlično odpornost proti obrabi, zaradi česar so najboljša izbira za avtomobilske dele.

Silicijeva karbidna vlakna lahko zasenčijo tradicionalne superzlitine na osnovi niklja, saj so dvakrat močnejša in 20% lažja, z izboljšano kemijsko stabilnostjo, kemijsko obstojnostjo, toplotno odpornostjo, toplotno prevodnostjo in trajnostjo. Poleg tega lahko kristalna struktura SiC prenese večje natezne obremenitve brez deformacije ali zloma.

Družba American Elements v ZDA ponuja impresivno paleto naprednih materialov za uporabo v letalstvu in elektroniki. Med njimi so tudi vlakna SiC Sylramic, ki jih proizvaja podjetje COI Ceramics Inc. in so pakirana na 3-palčnih kartonskih tuljah; lahko se tkejo ali lepijo po želji posamezne stranke v več vzorcih tkanja; poleg tega so na voljo v več velikostih in dolžinah za popolno prilagodljivost.