Cinco grandes industrias para el desarrollo futuro de los productos cerámicos

Industria de vehículos eléctricos

 

China produjo y vendió 6,253 millones y 6,067 millones de vehículos de nueva energía, respectivamente, entre enero y noviembre, lo que representa un aumento interanual de aproximadamente el 100%, con una cuota de mercado del 25%, según las cifras más recientes de la Asociación China de Fabricantes de Automóviles. Junto con un crecimiento de la fabricación y las ventas que superó con creces el del mercado durante ese período, la penetración de los vehículos de nueva energía ha superado el 36% y continúa en aumento. La tecnología de los vehículos eléctricos está en constante evolución, lo que ha acelerado la sustitución de sus diseños y materiales de componentes. El uso de vehículos eléctricos de nueva energía ha adoptado plenamente las tecnologías avanzadas. Materiales cerámicos debido a sus ventajas de rendimiento únicas.

Entre ellos, prevalecen las bolas de cojinetes de nitruro de silicio HIP y los sustratos de nitruro de silicio de alta conductividad térmica.

 

 

01 Bolas HIP para rodamientos de nitruro de silicio

Los rodamientos de motor para vehículos de nueva energía requieren materiales de menor densidad y, comparativamente, más resistentes al desgaste debido a sus mayores velocidades de rotación en comparación con los rodamientos estándar. En los rodamientos cerámicos de nitruro de silicio, las bolas generan menos calor y fricción dentro del sistema. En concreto, el nitruro de silicio es un aislante eléctrico natural que puede prevenir la corrosión eléctrica causada por la descarga de los rodamientos, prolongar la vida útil de los lubricantes y rodamientos, y eventualmente provocar fallos en los rodamientos. Es ideal para su uso en diversos sectores, incluidos los coches eléctricos.

 

En la era de los motores eléctricos, los rodamientos cerámicos están sustituyendo cada vez más a los rodamientos de bolas de acero. Los rodamientos de bolas de cerámica de nitruro de silicio con aislamiento se utilizan en los modelos domésticos Xiaopeng P7, G9, Weilai ET7 y otros. Por ejemplo, el eje de salida del motor de Tesla utiliza rodamientos cerámicos, rodamientos cerámicos híbridos diseñados por NSK y bolas de 50 bolas de nitruro de silicio.

Prensado isostático en caliente (HIP) y presión de gas Sinterización Las dos técnicas preparatorias más populares para la sinterización de bolas de cerámica de nitruro de silicio (GPS) son las de nitruro de silicio. Estos dos métodos producen bolas de cerámica que se utilizan frecuentemente en diversos entornos. El nitruro de silicio HIP ofrece cualidades mecánicas superiores y una mayor resistencia a la fatiga que el nitruro de silicio GPS.

En la actualidad, empresas extranjeras reconocidas continúan controlando la participación del mercado internacional y desarrollandoP.mEn 2015 se estableció National Materials High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd. en mi país.

Realizó un avance significativo en la tecnología de producción en masa de bolas cerámicas de nitruro de silicio prensadas isostáticamente en caliente, convirtiéndose en la primera empresa china en establecer la producción en masa de estos materiales y la tercera en total, después de Toshiba en Japón y Kustec en Estados Unidos. SKF en Suecia, Timken en EE. UU., GMN en Alemania y Forsa en España se encuentran entre los países a los que se envían sus productos. Además, Sinoceramic Jinsheng, entre otras empresas, utiliza métodos similares para crear bolas de rodamiento de nitruro de silicio con una resistencia a la flexión de 1000 MPa.

 

 

02 Sustrato cerámico de nitruro de silicio de alta conductividad térmica

Los sustratos cerámicos de nitruro de silicio se utilizan principalmente en unidades de potencia, dispositivos semiconductores e inversores de vehículos eléctricos puros (EV) y vehículos eléctricos híbridos (HEV), y tienen un enorme potencial de mercado y perspectivas de aplicación.

Actualmente, se requiere una resistencia a la flexión de 650 MPa, una tenacidad a la fractura de 5-7 MPa·m² y una conductividad térmica de 85 W/(m·K) para el uso comercial de sustratos cerámicos de nitruro de silicio de alta conductividad térmica. El Grupo Toshiba, Hitachi Metals, Nippon Electric Chemical, Maruwa y Nippon Fine Ceramics son las principales empresas con capacidad para producir en masa sustratos cerámicos de nitruro de silicio con alta conductividad térmica.

 

Además, se han producido avances en la investigación nacional sobre materiales de sustrato cerámico de nitruro de silicio. Mediante la optimización del método y el proceso de sinterización, Beijing Sinoma Artificial Crystal Research Institute Co., Ltd. ha preparado con éxito un sustrato cerámico de nitruro de silicio con una resistencia a la flexión de 700-800 MPa, una tenacidad a la fractura ≥8 MPa·m² y una conductividad térmica ≥80 W/(m·K). El sustrato cerámico de nitruro de silicio fabricado por la sucursal de Beijing de Sinoma High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd. mediante el proceso de colada en cinta tiene una conductividad térmica de 100 W/(m·K).

 

Los vehículos eléctricos se están acercando cada vez más a la inteligencia artificial debido a la creciente popularidad de los vehículos de nuevas energías y al desarrollo de la inteligencia artificial (IA). Los fabricantes de automóviles también han mostrado interés en diversos materiales cerámicos, como materiales de empaquetamiento lidar, frenos carbocerámicos, MLCC de alta capacidad, materiales cerámicos termoconductores, etc.

 

Fabricación de semiconductores

La ley industrial de "una generación de tecnología, una generación de procesos, una generación de equipos" rige la industria de los semiconductores, y los avances en la tecnología de piezas de precisión son cruciales para la modernización y la iteración de los equipos de semiconductores. Las piezas cerámicas de precisión son los materiales más representativos para las piezas de precisión de semiconductores. Se utilizan en diversos procesos clave de fabricación de semiconductores, como el grabado, la deposición química de vapor, la deposición física de vapor y la implantación de iones, como brazos de manipulación mecánica, mandriles electrostáticos, revestimientos, rieles guía y rodamientos, entre otros. Desempeñan funciones de estabilización, defensa y distracción, especialmente dentro de la cavidad del equipo.

 

Producción de semiconductores. La industria de los semiconductores se rige por la ley industrial de "una generación de tecnología, una generación de procesos, una generación de equipos", y las mejoras en la tecnología de piezas de precisión son esenciales para la modernización y la iteración de la maquinaria de semiconductores. De todos los materiales utilizados para las piezas de precisión de semiconductores, las piezas cerámicas de precisión son las más representativas. Se emplean en el grabado, la deposición química de vapor, la deposición física de vapor y la implantación de iones, entre otros importantes procedimientos de fabricación de semiconductores, como cojinetes, revestimientos, rieles guía, mandriles electrostáticos y brazos de manipulación mecánica, por nombrar algunos. Sirven como desviación, defensa y estabilización, especialmente dentro de la cavidad del equipo.

 

 

Industria de ahorro de energía y protección del medio ambiente

Bajo la guía de la política nacional de "carbono dual", todas las industrias se están desarrollando gradualmente hacia el ahorro energético, la reducción de carbono, la reducción de la contaminación y la mejora de la eficiencia. En este contexto, la industria cerámica se enfrenta a presiones en materia de consumo energético y protección ambiental, pero también ofrece nuevas oportunidades de desarrollo para los materiales cerámicos.

 

 

01 Membrana cerámica

Para reemplazar la tecnología de separación por filtración convencional, la tecnología de separación por membrana con membrana cerámica como núcleo se utiliza actualmente principalmente como un proceso de separación de alta eficiencia en la industria de procesos y en los campos de tratamiento de agua especial para la separación por filtración, concentración y purificación, y purificación y eliminación de impurezas.

Membrana plana de cerámica

Entre ellas, las membranas planas cerámicas de alto rendimiento permiten filtrar, separar y purificar fluidos en entornos complejos. Entre sus características destacan su resistencia a altas temperaturas y presiones, su alta estabilidad química, su alta eficiencia de filtrado, su alta fiabilidad, sus bajos costes de operación y mantenimiento, su larga vida útil y su respeto por el medio ambiente durante todo su ciclo de vida. Su uso y promoción se han extendido en las áreas de alcantarillado municipal, tratamiento de aguas residuales, tratamiento de aguas negras y olorosas, reutilización de aguas regeneradas y tratamiento de aguas residuales de parques industriales. Constituyen la principal línea de desarrollo en el campo de las membranas de separación cerámicas de alto rendimiento a nivel internacional y presentan un amplio potencial de mercado.

Junto con el tratamiento del agua, la gestión de la contaminación atmosférica en mi país también está en el horizonte. El catalizador de nanodesnitrificación con sistema de óxidos metálicos de tierras raras, respetuoso con el medio ambiente, se carga sobre una membrana compuesta de fibra cerámica como cuerpo de soporte para crear una membrana de fibra de alta temperatura para la desnitrificación y la eliminación de polvo. Este elemento filtrante con funciones integradas de desnitrificación y eliminación de polvo permite la purificación directa de gases a alta temperatura.

 

 

02 Aerogel

El amplio desarrollo ecológico y bajo en carbono del aerogel, un material superaislante, ha creado un potencial sin precedentes para el crecimiento del sector. Se prevé que la nueva tecnología del aerogel se integre con el crecimiento de la fabricación ecológica para crear más aplicaciones de productos nuevos, en consonancia con la tendencia de las industrias ecológicas de rápido desarrollo.

 

El aerogel presenta una densidad extremadamente baja, una porosidad ultraalta, un índice de refracción bajo, una conductividad térmica baja, una impedancia acústica baja y otras características que los materiales sólidos comunes no poseen. Estas características le otorgan grandes posibilidades de aplicación en los campos del aislamiento térmico, la biomedicina, el aislamiento acústico, la adsorción, etc., y su potencial de demanda en el mercado es enorme.

 

 

Industria de la biomedicina

Cada vez se utilizarán más implantes y órganos artificiales en entornos terapéuticos a medida que la sociedad se desarrolla y la vida de las personas mejora. En mi país, metales como el acero inoxidable y las aleaciones de cobalto se han utilizado durante mucho tiempo para la curación y reparación ortopédica debido a sus superiores cualidades mecánicas y de control; sin embargo, su biocompatibilidad es deficiente. En consecuencia, el mercado y la investigación de materiales de recubrimiento o biocerámicas más saludables y compatibles están en rápida expansión.

Gracias a su excepcional tenacidad a la fractura y resistencia al desgaste, las cerámicas biomédicas como Al₂O₃, ZrO₂, ZTA, Si₃N₃ y otros materiales cerámicos compuestos se emplean con frecuencia en prótesis quirúrgicas de carga, implantes dentales, sustitutos óseos, etc. El óxido de zirconio se utiliza con frecuencia en materiales de restauración dental por su buen rendimiento y estética, pero su resistencia se debe a la vitrocerámica. Entre estos, el nitruro de silicio combina su efecto bactericida y propiedades autolubricantes, y su implante presenta una estabilidad biológica estable a largo plazo.

En 2022, se proyecta que el mercado mundial de materiales cerámicos médicos alcance los 15 000 millones de dólares. En 2022, se espera que el mercado de materiales cerámicos médicos en China alcance un valor aproximado de 4500 millones de dólares. De este valor, la cerámica de alúmina representa la mayor parte (alrededor del 60 %). La cerámica de nitruro de silicio se utiliza para implantes ortopédicos, mientras que la cerámica de zirconio se utiliza principalmente en odontología.

 

 

El sector aeroespacial

La cerámica destaca constantemente por su excepcional rendimiento en diversas situaciones de aplicación exigentes. Las industrias militar y aeroespacial son dos de los mercados de aplicación más populares para la cerámica avanzada. La resistencia a altas temperaturas y la discreción son las dos principales líneas de desarrollo de cerámica en la industria aeroespacial.

 

La nueva generación de motores de aviación militar requiere cada vez más materiales estructurales resistentes a altas temperaturas, ya que el potencial de los monocristales, los recubrimientos de barrera térmica y la refrigeración activa por aire se agota gradualmente. El SiC/SiC-CMC se ha consolidado como una de las mejores opciones para materiales estructurales resistentes a altas temperaturas. El SiC/SiC-CMC se refuerza y ​​endurece principalmente con fibra de carburo de silicio. La materia prima más importante para el SiC/SiC-CMC es la fibra de carburo de silicio, que ofrece una resistencia a temperaturas superiores a 1200 °C y ha atraído la atención de las potencias aeronáuticas en un concurso de investigación.

 

 

Los materiales absorbentes, que suelen consistir en un medio absorbente y un material matriz (a veces denominado aglutinante), se encuentran entre los materiales de sigilo más cruciales. El carburo de silicio es el ingrediente principal utilizado para crear materiales cerámicos absorbentes multibanda; las nanopartículas cerámicas inorgánicas y los materiales poliméricos inorgánicos se combinan para formar materiales cerámicos de sigilo infrarrojo, un tipo de recubrimiento. Para lograr una absorción eficaz de las ondas electromagnéticas de banda ancha, las nanopartículas cerámicas inorgánicas se dispersan uniformemente en una matriz polimérica inorgánica y se controlan cuidadosamente.