Cinco grandes indústrias para o desenvolvimento futuro de produtos cerâmicos

Indústria de veículos elétricos

 

A China produziu e vendeu 6,253 milhões e 6,067 milhões de carros movidos a novas energias, respectivamente, entre janeiro e novembro, um aumento de cerca de 100% em relação ao ano anterior, com uma participação de mercado de 25%, de acordo com os dados mais recentes da Associação Chinesa de Fabricantes de Automóveis. Juntamente com o crescimento da produção e das vendas que superou em muito o mercado durante esse período, a penetração de veículos movidos a novas energias ultrapassou 36% e continua a crescer. A tecnologia dos veículos elétricos está em constante evolução, o que acelerou a substituição de seus designs e materiais de componentes. O uso de veículos elétricos movidos a novas energias adotou plenamente tecnologias avançadas. Materiais Cerâmicos devido às suas vantagens únicas de desempenho.

Entre eles, predominam as esferas de nitreto de silício HIP e os substratos de nitreto de silício de alta condutividade térmica.

 

 

01 Esferas HIP para rolamentos de nitreto de silício

Rolamentos de motor para veículos de nova energia exigem materiais de menor densidade e comparativamente mais resistentes ao desgaste devido às suas maiores taxas de rotação em comparação aos rolamentos convencionais. Em rolamentos cerâmicos de nitreto de silício, as esferas produzem menos calor e atrito dentro do sistema de rolamentos. Especificamente, o nitreto de silício é um isolante elétrico natural que pode prevenir a corrosão elétrica causada pela descarga do rolamento, prolongar a vida útil dos lubrificantes e rolamentos e, eventualmente, induzir falhas no rolamento. É ideal para uso em diversos setores, incluindo carros elétricos.

 

Rolamentos cerâmicos estão substituindo cada vez mais os rolamentos de esferas de aço na era dos acionamentos elétricos. Rolamentos cerâmicos isolados com esferas de nitreto de silício são usados ​​nos modelos domésticos Xiaopeng P7, G9, Weilai ET7 e outros. Por exemplo, o eixo de saída do motor usado pela Tesla utiliza rolamentos cerâmicos, rolamentos cerâmicos híbridos projetados pela NSK e esferas de rolamento feitas de 50 esferas de nitreto de silício.

Prensagem isostática a quente (HIP) e pressão de gás Sinterização (GPS) são as duas técnicas preparatórias mais populares para a sinterização de esferas cerâmicas de nitreto de silício. Esses dois métodos produzem esferas cerâmicas frequentemente utilizadas em diversos ambientes. O nitreto de silício HIP oferece qualidades mecânicas superiores e uma vida útil de fadiga mais longa do que o nitreto de silício GPS.

Atualmente, empresas estrangeiras de renome continuam a controlar a quota de mercado internacional e a desenvolverPMdireção diferente, enquanto corporações japonesas, europeias e americanas continuam a dominar a fabricação de produtos cerâmicos de alta qualidade. 2015 viu a criação da National Materials High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd. em meu país.

realizou um avanço significativo na tecnologia de produção em massa de esferas cerâmicas de nitreto de silício prensadas isostaticamente a quente, tornando-se a primeira empresa na China a estabelecer a produção em massa desses materiais e a terceira no geral, atrás da Toshiba no Japão e da Kustec nos Estados Unidos. A SKF na Suécia, a Timken nos EUA, a GMN na Alemanha e a Forsa na Espanha estão entre os países para os quais seus produtos são enviados. Além disso, métodos comparáveis ​​são utilizados pela Sinoceramic Jinsheng e outras empresas para criar esferas de rolamento de nitreto de silício com resistência à flexão de 1000 MPa.

 

 

02 Substrato cerâmico de nitreto de silício de alta condutividade térmica

Substratos cerâmicos de nitreto de silício são usados ​​principalmente em unidades de energia, dispositivos semicondutores e inversores de veículos elétricos puros (VE) e veículos elétricos híbridos (VEH), e têm enorme potencial de mercado e perspectivas de aplicação.

Atualmente, a resistência à flexão de 650 MPa, a tenacidade à fratura de 5–7 MPa·m² e a condutividade térmica de 85 W/(m·K) são necessárias para o uso comercial de substratos cerâmicos de nitreto de silício de alta condutividade térmica. O Grupo Toshiba, a Hitachi Metals, a Nippon Electric Chemical, a Maruwa e a Nippon Fine Ceramics são as principais empresas com capacidade para produzir em massa substratos cerâmicos de nitreto de silício com alta condutividade térmica.

 

Além disso, houve alguns avanços na pesquisa nacional sobre materiais de substrato cerâmico de nitreto de silício. Ao otimizar o método e o processo de sinterização, o Beijing Sinoma Artificial Crystal Research Institute Co., Ltd. preparou com sucesso um substrato cerâmico de nitreto de silício com resistência à flexão de 700-800 MPa, tenacidade à fratura ≥ 8 MPa·m² e condutividade térmica ≥ 80 W/(m·K). O substrato cerâmico de nitreto de silício fabricado pela filial de Pequim da Sinoma High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd., utilizando o processo de fundição em fita, apresenta condutividade térmica de 100 W/(m·K).

 

Os veículos elétricos estão se aproximando da inteligência devido à crescente popularidade de veículos de novas energias e ao desenvolvimento da inteligência artificial (IA). Os fabricantes de automóveis também demonstraram interesse em uma variedade de materiais cerâmicos, incluindo materiais de embalagem lidar, freios de cerâmica de carbono, MLCC de alta capacidade, materiais cerâmicos condutores de calor, etc.

 

Fabricação de semicondutores

A lei industrial de "uma geração de tecnologia, uma geração de processo, uma geração de equipamento" rege a indústria de semicondutores, e os avanços na tecnologia de peças de precisão são cruciais para a modernização e iteração de equipamentos semicondutores. Peças cerâmicas de precisão são os materiais mais representativos para peças de precisão semicondutoras entre elas. Elas são usadas em diversos processos importantes de fabricação de semicondutores, incluindo corrosão, deposição química de vapor, deposição física de vapor e implantação iônica, como braços de manuseio mecânico, mandris eletrostáticos, revestimentos, trilhos-guia e rolamentos, entre outros. Desempenham as funções de estabilização, defesa e distração, particularmente dentro da cavidade do equipamento.

 

Produção de semicondutores. A indústria de semicondutores é regida pela lei industrial de "uma geração de tecnologia, uma geração de processo, uma geração de equipamento", e melhorias na tecnologia de peças de precisão são essenciais para a modernização e iteração de máquinas semicondutoras. De todos os materiais utilizados em peças de precisão semicondutoras, as peças cerâmicas de precisão são as mais representativas. Elas são empregadas em corrosão, deposição química de vapor, deposição física de vapor e implantação iônica, entre outros procedimentos importantes de fabricação de semicondutores, como rolamentos, revestimentos, trilhos-guia, mandris eletrostáticos e braços de manuseio mecânico, para citar alguns. Servem como desvio, defesa e estabilização, especialmente dentro da cavidade do equipamento.

 

 

Indústria de economia de energia e proteção ambiental

Sob a orientação da política nacional de "dual carbono", todas as indústrias estão se desenvolvendo gradualmente na direção da economia de energia, redução de carbono, redução da poluição e melhoria da eficiência. Nesse contexto, a indústria cerâmica enfrenta pressões de consumo de energia e proteção ambiental, mas também traz novas oportunidades de desenvolvimento para materiais cerâmicos.

 

 

01 Membrana cerâmica

Para substituir a tecnologia convencional de separação por filtração, a tecnologia de separação por membrana com membrana cerâmica em seu núcleo é atualmente utilizada principalmente como um processo de separação de alta eficiência na indústria de processos e em campos especiais de tratamento de água para separação por filtração, concentração e purificação, e purificação e remoção de impurezas.

Membrana plana de cerâmica

Entre elas, fluidos em ambientes complexos podem ser filtrados, separados e purificados utilizando membranas planas cerâmicas de alto desempenho. Resistência a altas temperaturas e pressões, forte estabilidade química, alta eficiência de filtragem, boa confiabilidade, baixos custos de operação e manutenção, vida útil prolongada e respeito ao meio ambiente ao longo de todo o ciclo de vida são algumas de suas características. Elas têm sido amplamente utilizadas e promovidas nas áreas de esgoto municipal, tratamento de águas distribuídas, tratamento de águas negras e odoríferas, reúso de águas recuperadas e tratamento de efluentes de parques industriais. Representa a principal direção de desenvolvimento no campo internacional de membranas de separação cerâmicas de alto desempenho e possui uma ampla gama de perspectivas de mercado.

Além do tratamento de água, a gestão da poluição do ar em meu país também está no horizonte. O catalisador de nanodesnitrificação com sistema de óxido de metal de terras raras, ecologicamente correto, é aplicado em um material de membrana composta de fibra cerâmica como corpo de suporte para criar a membrana de fibra de alta temperatura para desnitrificação e remoção de poeira, um elemento filtrante com funções integradas de desnitrificação e remoção de poeira que pode realizar a purificação direta de gás em condições de alta temperatura.

 

 

02 Aerogel

O amplo desenvolvimento verde e de baixo carbono do aerogel, um material superisolante, criou um potencial até então inédito para o crescimento do setor de aerogel. Espera-se que a nova tecnologia de aerogel seja integrada ao crescimento da manufatura verde, criando mais novas aplicações de produtos, em linha com a tendência de desenvolvimento mais acelerado das indústrias verdes.

 

O aerogel possui densidade extremamente baixa, porosidade ultra-alta, baixo índice de refração, baixa condutividade térmica, baixa impedância acústica e outras características que os materiais sólidos em geral não possuem. Essas características o tornam um material com grandes perspectivas de aplicação nas áreas de isolamento térmico, biomedicina, isolamento acústico, adsorção, etc., e seu potencial de demanda de mercado é enorme.

 

 

Indústria da biomedicina

Cada vez mais implantes e órgãos artificiais serão utilizados em ambientes terapêuticos à medida que a sociedade se desenvolve e a vida das pessoas melhora. No meu país, metais como aço inoxidável e ligas de cobalto são utilizados há muito tempo para cura e reparo ortopédico devido às suas qualidades mecânicas e de controle superiores; no entanto, sua biocompatibilidade é deficiente. Consequentemente, o mercado e a pesquisa por materiais de revestimento ou biocerâmicas mais saudáveis ​​e compatíveis estão se expandindo rapidamente.

Devido à sua excepcional tenacidade à fratura e resistência ao desgaste, cerâmicas biomédicas como Al2O3, ZrO2, ZTA, Si3N4 e materiais cerâmicos compósitos relacionados são frequentemente empregados em próteses cirúrgicas de suporte de carga, implantes dentários, substitutos ósseos, etc. O óxido de zircônio é frequentemente utilizado em materiais de restauração dentária devido ao seu bom desempenho e beleza, mas sua resistência se deve à vitrocerâmica. Entre estes, o nitreto de silício combina o efeito bactericida com as propriedades autolubrificantes, e seu implante possui estabilidade biológica estável a longo prazo.

Em 2022, o tamanho do mercado mundial de materiais cerâmicos médicos está projetado em cerca de US$ 15 bilhões. Em 2022, o mercado de materiais cerâmicos médicos na China deverá movimentar aproximadamente US$ 4,5 bilhões. Desse total, as cerâmicas de alumina representam a maioria (cerca de 60%). As cerâmicas de nitreto de silício são utilizadas em implantes ortopédicos, enquanto as cerâmicas de zircônia são utilizadas principalmente na odontologia.

 

 

O setor aeroespacial

As cerâmicas se destacam consistentemente por seu desempenho excepcional em uma variedade de situações de aplicação adversas. As indústrias militar e aeroespacial são dois dos mercados de aplicação mais populares para cerâmicas avançadas. "Resistência a altas temperaturas" e "furtividade" são as duas principais linhas de desenvolvimento de cerâmicas na indústria aeroespacial.

 

A nova geração de motores de aviação militar tem uma necessidade crescente de novos materiais estruturais resistentes a altas temperaturas, à medida que o potencial de monocristais, revestimentos de barreira térmica e resfriamento ativo a ar se esgota gradualmente. O SiC/SiC-CMC surgiu como uma das principais opções para materiais estruturais resistentes a altas temperaturas. O SiC/SiC-CMC é reforçado e tenaz em grande parte pela fibra de carboneto de silício. A matéria-prima mais importante para o SiC/SiC-CMC é a fibra de carboneto de silício, que possui resistência a temperaturas acima de 1200 °C e atraiu a atenção de potências da aviação em uma competição de pesquisa.

 

 

Geralmente compostos por um meio absorvente (absorvente) e um material de matriz (às vezes conhecido como aglutinante), os materiais absorventes estão entre os materiais furtivos mais cruciais. O carboneto de silício é o principal ingrediente usado para criar materiais cerâmicos absorventes multibanda; nanopartículas cerâmicas inorgânicas e materiais poliméricos inorgânicos se combinam para formar materiais cerâmicos furtivos infravermelhos, um tipo de revestimento. Para produzir uma absorção eficaz de ondas eletromagnéticas de banda larga, nanopartículas cerâmicas inorgânicas são uniformemente dispersas em uma matriz polimérica inorgânica e cuidadosamente controladas.