خمس صناعات رئيسية لتطوير المنتجات الخزفية في المستقبل

صناعة المركبات الكهربائية

 

أنتجت الصين وباعت 6.253 مليون و6.067 مليون سيارة تعمل بالطاقة الجديدة، على التوالي، بين يناير ونوفمبر، بزيادة قدرها 100% تقريبًا على أساس سنوي، بحصة سوقية بلغت 25%، وفقًا لأحدث الأرقام الصادرة عن جمعية مصنعي السيارات الصينية. إلى جانب نمو التصنيع والمبيعات الذي فاق بكثير نمو السوق خلال تلك الفترة، تجاوز انتشار مركبات الطاقة الجديدة 36% ويستمر في الارتفاع. تتطور تكنولوجيا السيارات الكهربائية باستمرار، مما سرّع استبدال تصاميم ومواد مكوناتها. وقد احتضن استخدام مركبات الطاقة الجديدة الكهربائية بالكامل التقنيات المتقدمة. المواد الخزفية بسبب مزايا الأداء الفريدة التي تتمتع بها.

ومن بينها، تنتشر كرات محمل نتريد السيليكون HIP وركائز نتريد السيليكون ذات الموصلية الحرارية العالية.

 

 

01 كرات HIP لمحامل نيتريد السيليكون

تتطلب محامل محركات مركبات الطاقة الجديدة موادًا أقل كثافةً وأكثر مقاومةً للتآكل نسبيًا، نظرًا لارتفاع معدلات دورانها مقارنةً بالمحامل القياسية. في محامل سيراميك نيتريد السيليكون، تُنتج الكرات حرارةً واحتكاكًا أقل داخل نظام المحامل. وتحديدًا، يُعد نيتريد السيليكون عازلًا كهربائيًا طبيعيًا يمنع التآكل الكهربائي الناتج عن تفريغ المحامل، ويطيل عمر مواد التشحيم والمحامل، ويؤدي في النهاية إلى تلفها. وهو مثالي للاستخدام في قطاعات متنوعة، بما في ذلك السيارات الكهربائية.

 

في عصر المحركات الكهربائية، تتزايد استخدامات المحامل الخزفية بدلاً من المحامل الكروية الفولاذية. تُستخدم المحامل الكروية المعزولة بالسيراميك من نيتريد السيليكون في محركات Xiaopeng P7 وG9 وWeilai ET7 المحلية، وغيرها من الطرازات. على سبيل المثال، يستخدم عمود خرج محرك Tesla محامل سيراميكية، ومحامل سيراميكية هجينة من تصميم NSK، وكرات محامل مصنوعة من 50 كرة من نيتريد السيليكون.

الضغط المتساوي الضغط الساخن (HIP) وضغط الغاز التلبيد (GPS) هما أكثر تقنيتين تحضيريتين شيوعًا لتلبيد كرات السيراميك من نيتريد السيليكون. تُنتج هاتان الطريقتان كرات سيراميك تُستخدم بكثرة في العديد من المجالات. يتميز نيتريد السيليكون HIP بخصائص ميكانيكية فائقة وعمر تعب أطول من نيتريد السيليكون GPS.

في الوقت الحالي، تواصل الشركات الأجنبية المعروفة السيطرة على حصة السوق الدولية وتطويرهامساءًفي حين تستمر الشركات اليابانية والأوروبية والأمريكية في الهيمنة على تصنيع سلع المحامل الخزفية عالية الجودة، شهد عام 2015 تأسيس شركة National Materials High-Tech Nitride Ceramics Co.، Ltd. في بلدي.

حققت تقدمًا ملحوظًا في تقنية الإنتاج الضخم لكرات سيراميك نيتريد السيليكون المضغوطة بشكل متساوٍ على الساخن، مما جعلها أول شركة في الصين تُطلق إنتاجًا ضخمًا لهذه المواد، والثالثة عالميًا، بعد توشيبا في اليابان وكوستيك في الولايات المتحدة. ومن بين الدول التي تُشحن إليها منتجاتها: SKF في السويد، وتيمكين في الولايات المتحدة، وGMN في ألمانيا، وفورسا في إسبانيا. علاوة على ذلك، تستخدم شركة Sinoceramic Jinsheng وغيرها أساليب مماثلة لإنتاج كرات محمل من نيتريد السيليكون بقوة انحناء تبلغ 1000 ميجا باسكال.

 

 

02 ركيزة سيراميكية من نتريد السيليكون ذات الموصلية الحرارية العالية

تُستخدم ركائز سيراميك نتريد السيليكون بشكل أساسي في وحدات الطاقة وأجهزة أشباه الموصلات ومحولات السيارات الكهربائية النقية (EV) والسيارات الكهربائية الهجينة (HEV)، ولديها إمكانات سوقية ضخمة وآفاق تطبيق.

حاليًا، يتطلب الاستخدام التجاري لمواد ركائز سيراميك نيتريد السيليكون عالية التوصيل الحراري قوة انحناء تبلغ 650 ميجا باسكال، ومتانة كسر تتراوح بين 5 و7 ميجا باسكال/م²، وموصلية حرارية تبلغ 85 واط/م². وتُعدّ مجموعة توشيبا، وهيتاشي ميتالز، ونيبون إلكتريك كيميكال، وماروا، ونيبون فاين سيراميكس من أبرز الشركات القادرة على إنتاج ركائز سيراميك نيتريد السيليكون عالية التوصيل الحراري بكميات كبيرة.

 

بالإضافة إلى ذلك، شهدت الأبحاث المحلية تقدمًا ملحوظًا في مجال مواد ركائز سيراميك نيتريد السيليكون. ومن خلال تحسين طريقة وعملية التلبيد، نجح معهد بكين سينوما لأبحاث البلورات الاصطناعية في تحضير ركيزة سيراميك نيتريد السيليكون بقوة انحناء تتراوح بين 700 و800 ميجا باسكال، ومقاومة كسر ≥8 ميجا باسكال/متر²، وموصلية حرارية ≥80 واط/متر كلفن. وتتميز ركيزة سيراميك نيتريد السيليكون، التي صنعها فرع بكين لشركة سينوما هاي-تك نيتريد سيراميكس المحدودة باستخدام عملية الصب الشريطي، بموصلية حرارية تبلغ 100 واط/متر كلفن.

 

تتجه المركبات الكهربائية حاليًا نحو الذكاء الاصطناعي نتيجةً لتزايد شعبية مركبات الطاقة الجديدة وتطوير الذكاء الاصطناعي. كما أبدى مصنعو السيارات اهتمامًا بمجموعة متنوعة من المواد الخزفية، بما في ذلك مواد تغليف الليدار، ومكابح الكربون السيراميكية، ومركبات الكربون الكلورية فلورية عالية السعة، والمواد الخزفية الموصلة للحرارة، وغيرها.

 

تصنيع أشباه الموصلات

يحكم القانون الصناعي "جيل من التكنولوجيا، جيل من العملية، جيل من المعدات" صناعة أشباه الموصلات، ويُعد التقدم في تكنولوجيا الأجزاء الدقيقة أمرًا بالغ الأهمية لتحديث معدات أشباه الموصلات وتكرارها. تُعد الأجزاء الخزفية الدقيقة أكثر المواد تمثيلًا لأجزاء أشباه الموصلات الدقيقة من بينها. تُستخدم في عدد من عمليات تصنيع أشباه الموصلات الرئيسية، بما في ذلك الحفر، والترسيب الكيميائي للبخار، والترسيب الفيزيائي للبخار، وزرع الأيونات. مثل أذرع المناولة الميكانيكية، ومشابك التثبيت الكهروستاتيكية، والبطانات، وقضبان التوجيه، والمحامل، وغيرها. تؤدي أدوار التثبيت، والحماية، والتشتيت، لا سيما داخل تجويف المعدات.

 

إنتاج أشباه الموصلات: تخضع صناعة أشباه الموصلات لمبدأ "جيل من التكنولوجيا، جيل من العمليات، جيل من المعدات"، وتُعدّ التحسينات في تكنولوجيا القطع الدقيقة أساسية لتحديث آلات أشباه الموصلات وتكرارها. من بين جميع المواد المستخدمة في القطع الدقيقة لأشباه الموصلات، تُعدّ القطع الخزفية الدقيقة الأكثر تمثيلاً. تُستخدم هذه القطع في الحفر، والترسيب الكيميائي للبخار، والترسيب الفيزيائي للبخار، وزرع الأيونات، من بين إجراءات تصنيع أشباه الموصلات المهمة الأخرى. مثل المحامل، والبطانات، وقضبان التوجيه، والمشابك الكهروستاتيكية، وأذرع المناولة الميكانيكية، على سبيل المثال لا الحصر. تُستخدم هذه القطع كعامل تحويل، وحماية، وتثبيت، وخاصةً داخل تجويف المعدات.

 

 

صناعة توفير الطاقة وحماية البيئة

بتوجيه من السياسة الوطنية "ثنائية الكربون"، تتطور جميع الصناعات تدريجيًا نحو توفير الطاقة، وخفض الكربون، والحد من التلوث، وتحسين الكفاءة. في ظل هذه الظروف، تواجه صناعة السيراميك ضغوطًا على استهلاك الطاقة وحماية البيئة، لكنها تتيح أيضًا فرصًا جديدة لتطوير مواد السيراميك.

 

 

01 غشاء سيراميكي

من أجل استبدال تكنولوجيا فصل الترشيح التقليدية، يتم حاليًا استخدام تكنولوجيا فصل الغشاء مع الغشاء الخزفي في جوهرها بشكل أساسي كعملية فصل عالية الكفاءة في صناعة العمليات ومجالات معالجة المياه الخاصة لفصل الترشيح والتركيز والتنقية والتنقية وإزالة الشوائب.

غشاء سيراميكي مسطح

من بينها، يمكن ترشيح السوائل في البيئات المعقدة وفصلها وتنقيتها باستخدام أغشية سيراميكية مسطحة عالية الأداء. تتميز هذه الأغشية بمقاومة عالية للحرارة والضغط، وثبات كيميائي قوي، وكفاءة ترشيح عالية، وموثوقية عالية، وانخفاض تكاليف التشغيل والصيانة، وعمر خدمة طويل، وصديقة للبيئة طوال دورة حياتها. وقد استُخدمت على نطاق واسع في مجالات مياه الصرف الصحي البلدية، ومعالجة المياه الموزعة، ومعالجة المياه السوداء والكريهة، وإعادة استخدام المياه المعالجة، ومعالجة مياه الصرف الصحي في المناطق الصناعية. وتُعد هذه الأغشية اتجاه التطوير الرئيسي في مجال أغشية الفصل السيراميكية عالية الأداء الدولية، ولديها آفاق سوقية واسعة.

إلى جانب معالجة المياه، تلوح في الأفق أيضًا إدارة تلوث الهواء في بلدي. يُثبَّت محفز إزالة النتروجين النانوي الصديق للبيئة، المصنوع من أكسيد المعادن الأرضية النادرة، على مادة غشاء مركب من ألياف السيراميك كجسم داعم لإنشاء غشاء ألياف عالي الحرارة لإزالة النتروجين وإزالة الغبار، وهو عنصر ترشيح مزود بوظائف إزالة النتروجين وإزالة الغبار المتكاملة، مما يُتيح تنقية الغاز مباشرةً في درجات الحرارة العالية.

 

 

02 هلام هوائي

لقد أتاح التطوير الواسع النطاق لمادة الإيروجيل، وهي مادة عازلة فائقة، صديقة للبيئة ومنخفضة الكربون، إمكانيات غير مسبوقة لنمو قطاع الإيروجيل. ومن المتوقع أن تتكامل تقنية الإيروجيل الجديدة مع نمو التصنيع الأخضر لخلق المزيد من تطبيقات المنتجات الجديدة، بما يتماشى مع اتجاه الصناعات الخضراء المتسارع.

 

يتميز الهلام الهوائي بكثافة منخفضة للغاية، ومسامية عالية جدًا، ومعامل انكسار منخفض، وموصلية حرارية منخفضة، ومقاومة صوتية منخفضة، وخصائص أخرى لا تتوفر في المواد الصلبة العادية. هذه الخصائص تجعله يتمتع بآفاق تطبيقية واسعة في مجالات العزل الحراري، والطب الحيوي، وعزل الصوت، والامتصاص، وغيرها، وإمكانات الطلب عليه في السوق هائلة.

 

 

صناعة الطب الحيوي

سيزداد استخدام الغرسات والأعضاء الاصطناعية في البيئات العلاجية مع تطور المجتمع وتحسن حياة الناس. في بلدي، تُستخدم معادن مثل الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك الكوبالت منذ زمن طويل في علاج وإصلاح العظام نظرًا لخصائصها الميكانيكية والتحكمية الفائقة؛ إلا أن توافقها الحيوي محدود. ونتيجةً لذلك، يتوسع سوق مواد الطلاء أو السيراميك الحيوي الأكثر صحةً وتوافقًا بسرعة، وتشهد الأبحاث المتعلقة بها نموًا سريعًا.

بفضل متانتها الاستثنائية في الكسر ومقاومة التآكل، تُستخدم السيراميكات الطبية الحيوية مثل Al2O3 وZrO2 وZTA وSi3N4، وغيرها من المواد الخزفية المركبة ذات الصلة، بكثرة في تركيبات الأسنان الصناعية، وزراعة الأسنان، وبدائل العظام، وغيرها. يُستخدم أكسيد الزركونيوم بكثرة في مواد ترميم الأسنان نظرًا لأدائه الجيد وجماله، إلا أن قوته تعود إلى السيراميك الزجاجي. ومن بين هذه المواد، يجمع نيتريد السيليكون بين التأثير القاتل للبكتيريا وخصائص التزييت الذاتي، وتتميز غرساته بثبات بيولوجي طويل الأمد.

في عام ٢٠٢٢، من المتوقع أن يبلغ حجم السوق العالمية للمواد الخزفية الطبية حوالي ١٥ مليار دولار أمريكي. وفي الصين، من المتوقع أن تبلغ قيمة سوق المواد الخزفية الطبية حوالي ٤.٥ مليار دولار أمريكي. ويشكل سيراميك الألومينا النسبة الأكبر (حوالي ٦٠٪). ويُستخدم سيراميك نيتريد السيليكون في زراعة العظام، بينما يُستخدم سيراميك الزركونيا بشكل رئيسي في طب الأسنان.

 

 

قطاع الطيران والفضاء

يتميز السيراميك باستمرار بأدائه الاستثنائي في مختلف ظروف الاستخدام القاسية. وتُعد الصناعات العسكرية والفضائية من أكثر أسواق استخدام السيراميك المتقدم رواجًا. ويُعدّ "مقاومة درجات الحرارة العالية" و"التخفي" خطي تطوير السيراميك الرئيسيين في صناعة الطيران.

 

تزداد حاجة الجيل الجديد من محركات الطيران العسكري إلى مواد هيكلية جديدة مقاومة لدرجات الحرارة العالية، مع تناقص إمكانات البلورات المفردة، والطلاءات العازلة للحرارة، والتبريد الهوائي النشط تدريجيًا. برزت مادة SiC/SiC-CMC كأحد أفضل الخيارات للمواد الهيكلية المقاومة لدرجات الحرارة العالية. تُقوّى هذه المادة وتُصلّب بشكل أساسي باستخدام ألياف كربيد السيليكون. وتُعدّ ألياف كربيد السيليكون المادة الخام الأهم لـ SiC/SiC-CMC، حيث تتميز بمقاومتها لدرجات الحرارة التي تزيد عن 1200 درجة مئوية، وقد لفتت انتباه خبراء الطيران في مسابقة بحثية.

 

 

تتكون المواد الماصة عادةً من وسط ماص (مادة ماصة) ومادة مصفوفة (تُعرف أحيانًا باسم المادة الرابطة)، وهي من أهم مواد التخفي. يُعد كربيد السيليكون المكون الرئيسي المستخدم في تصنيع مواد سيراميكية ماصة متعددة النطاقات؛ حيث تتحد الجسيمات النانوية السيراميكية غير العضوية مع مواد البوليمر غير العضوية لتشكيل مواد سيراميكية خفية تعمل بالأشعة تحت الحمراء، وهي نوع من الطلاء. ولإنتاج امتصاص فعال للموجات الكهرومغناطيسية عريضة النطاق، تُوزع الجسيمات النانوية السيراميكية غير العضوية بالتساوي في مصفوفة بوليمرية غير عضوية، وتُراقب بدقة.