Marknaden för kiselkarbidfiber

Utifrån sin form kan marknaden för kiselkarbidfiber delas in i produkter av kontinuerlig kiselkarbidfiber och vävda kiselkarbidfiberprodukter. De främsta drivkrafterna är den ökade industriella produktionen inom flyg-, rymd- och försvarssektorerna samt inom kraftindustrin, där kontinuerlig kiselkarbidfiber används för tillverkning av kärnreaktorer.

Tål höga temperaturer

Kiseldioxidfiberns höga temperaturtålighet gör den till ett utmärkt förstärkningsmaterial för metaller och plaster, vilket ger kompositer med både hög draghållfasthet och elasticitetsmodul. Dessutom används elektroder av kiselkarbidfiber i stor utsträckning i ugnar och induktionshällar som industriell värmekälla; de kan dessutom dopas med kväve, fosfor, aluminium eller gallium för att framställa halvledare av n-typ och p-typ.

Kiselkarbid tål höga temperaturer väl och är samtidigt kemiskt och dimensionellt stabilt, vilket gör det till ett utmärkt materialval för stöd till skivbrickor och skovlar i halvledarugnar, samt för användning som ugnsfoder, slitplåtar och foderrör i elektronikfabriker.

Byggandet av kärnkraftsanläggningar i både utvecklade länder och utvecklingsländer fortskrider i snabb takt, vilket kan leda till en ökad efterfrågan på energi- och kraftkomponenter som innehåller isoleringsmaterial av kiselkarbidfiber – till exempel kraftreaktorer där dessa material används i stor utsträckning som isolering.

Metoderna för tillverkning av högtemperaturbeständiga kiselkarbidfibrer består av tre steg: framställning av prekursorfibrer genom smältspinning av polykarbosilan, nedsänkning av dessa prekursorfibrer i reaktionsmonomerer för blötläggning och härdning för att uppnå ett optimalt förhållande mellan tvärbindningsskiktets tjocklek och fiberdiametern på 0,1–0,99, samt slutligen sprickbildning under inert gas för att erhålla SiC-fibrer som erbjuder utmärkt temperaturbeständighet samt lägre tillverkningskostnader och lämpliga böjningsegenskaper. Slutprodukterna har utmärkt högtemperaturbeständighet, låga tillverkningskostnader och goda böjningsegenskaper för sina tillämpningar.

Armeringsmaterial

Kiselkarbidfiber används som förstärkningsmaterial i kompositer med keramisk matris (CMC). Dess egenskaper gör den lämplig för användning i många tillämpningar inom energibranschen, såsom kolkraftverk och kärnreaktorer, samt i värmebeständiga gardiner och band. Kiselkarbidfiberns motståndskraft mot höga temperaturer och hållbarhet gör den till ett utmärkt val som beståndsdel i CMC-förstärkningsmaterial, såsom värmebeständiga gardiner eller band.

Sedan 2008 har betydande framsteg gjorts inom tillverkningsteknikerna för kiselkarbidfibrer, vilket har resulterat i fibrer med liten diameter och nästan stökiometrisk sammansättning, vars egenskaper är lämpliga för de flesta tillämpningar inom keramiska matriskompositer (CMC) och kärnkraftsindustrin. Tyvärr begränsar tillverkningskostnaderna fortfarande deras användning.

Efterfrågan på kiselkarbidfiber i Nordamerika ökar snabbt i takt med att flyg- och försvarsindustrin expanderar, driven av en stark efterfrågan på kommersiella flygplan samt stigande försvarsutgifter i regionen. De ökade utgifterna förväntas leda till en ökad användning av hybridkompositer med aluminiummatris, förstärkta med kiselkarbidfiber.

Den globala marknaden för kiselkarbidfibrer kan indelas efter form och användningsområde. Kontinuerliga kiselkarbidfibrer hade den största marknadsandelen år 2023 och förväntas uppvisa en sammanlagd årlig tillväxttakt på 35,91 TP3T under perioden 2024–2030. Dessa lättbearbetade fibrer kan enkelt integreras i komponenter med komplexa former, samtidigt som deras strålningsbeständighet väcker intresse inom kärnkraftsindustrin.

Kompositer med metallmatris

Kiselkarbidfiber kan bidra till att minska vikten och kostnaderna för flygmotorer genom att man använder mindre mängder av bärande material. Tillverkningen av kiselkarbidfiber medför dock en rad utmaningar, till exempel att materialet måste kunna tåla höga temperaturer utan att spricka, samt att det måste ha god korrosionsbeständighet och utmattningshållfasthet.

Ett sätt att förbättra kompositmaterial skulle vara att ta fram nya metaller som ger bättre samverkan mellan förstärkningsmaterial och förstärkningsmetaller, vilket leder till starkare och mer hållbara kompositmaterial. En annan strategi skulle kunna vara att använda keramiska matriser som gör kompositmaterialen lättare samtidigt som fibrerna fortfarande kan formas till olika former.

Kompositmaterial med aluminiummatris förstärkta med borfiber, som tillverkas för komponenter till jetmotorer, har fördelen att de är dubbelt så starka och värmebeständiga som nickelbaserade legeringar, men kostar cirka $100 mindre per pund att tillverka – vilket innebär en betydande förbättring jämfört med konventionella nickellegeringar som för närvarande är standard i de flesta flygplanskomponenter.

För att tillverka borförstärkta metallmatriskompositer måste kiselkarbidfibrerna först beläggas med metall för att förbättra deras vätbarhet mot matrismetallen, och därefter staplas och värmas upp under tryck innan de fylls in mellan varje stapel med hjälp av matrismetallpulver blandat med ett organiskt bindemedel.

Tillämpningar

Kiselkarbidfiber är en typ av eldfast material som används inom en rad olika tillämpningar, bland annat som värmebeständiga material för jetmotorer och kompositer med keramisk matris, som förstärkningsmaterial för högtemperaturremmar och filterdukar, filtrering av högtemperaturgaser eller metaller genom filterduksfilter samt som en nyckelkomponent i kiselkarbidförstärkta kompositer med metallmatris – tillämpningar som förväntas bidra väsentligt till omsättningstillväxten på marknaden.

År 2024 kommer vävd kiselkarbidfiber sannolikt att dominera den globala marknaden tack vare sina överlägsna mekaniska egenskaper och sin tillverkningsflexibilitet. Vävd kiselkarbidfiber kan enkelt vävas till olika strukturer, såsom slangar, rör eller påsar, och har utmärkt slitstyrka, vilket gör den till ett förstahandsval för bilkomponenter.

Kiselkarbidfiber överträffar traditionella nickelbaserade superlegeringar genom att vara dubbelt så stark och 20% lättare, samtidigt som den har förbättrad kemisk stabilitet, kemisk hållbarhet, värmebeständighet, värmeledningsförmåga och hållbarhet. Dessutom tål SiC:s kristallstruktur högre dragspänningar utan att deformeras eller gå sönder.

American Elements erbjuder ett imponerande sortiment av avancerade material för användning inom flyg- och rymdindustrin samt elektronikbranschen i USA. Bland dessa ingår SiC-fibrer från Sylramic, som tillverkas av COI Ceramics Inc och förpackas på 3-tums kartongspolar; de kan vävas eller tejpas enligt kundens specifika önskemål i flera olika vävmönster; dessutom finns de i flera storlekar och längder för maximal flexibilitet.