Пять основных отраслей будущего развития керамической продукции

Промышленность электромобилей

 

Согласно последним данным Китайской ассоциации автопроизводителей, в период с января по ноябрь в Китае было произведено и продано 6,253 млн и 6,067 млн ​​новых энергетических автомобилей соответственно, что примерно на 100% больше, чем годом ранее, с долей рынка в 25%. Наряду с ростом производства и продаж, значительно опережающим темпы роста рынка в этот период, проникновение новых энергетических автомобилей превысило 36% и продолжает расти. Технологии электромобилей постоянно развиваются, что ускоряет замену конструкций компонентов и материалов. Использование новых энергетических электромобилей в полной мере охватывает передовые Керамические материалы из-за их уникальных эксплуатационных преимуществ.

Среди них преобладают шарики подшипников из нитрида кремния, изготовленные методом ГИП, и подложки из нитрида кремния с высокой теплопроводностью.

 

 

01 Шарики HIP для подшипников из нитрида кремния

Подшипники электродвигателей для новых энергетических транспортных средств требуют материалов меньшей плотности и сравнительно большей износостойкости благодаря более высокой скорости вращения по сравнению со стандартными подшипниками. В керамических подшипниках из нитрида кремния шарики выделяют меньше тепла и трения внутри подшипниковой системы. В частности, нитрид кремния — это природный электроизолятор, который может предотвратить электрическую коррозию, вызванную разрядом подшипника, продлить срок службы смазочных материалов и подшипников, а также предотвратить выход подшипников из строя. Он идеально подходит для использования в различных областях, включая электромобили.

 

Керамические подшипники всё чаще заменяют стальные шарикоподшипники в эпоху электроприводов. Керамические шарикоподшипники с изоляцией из нитрида кремния используются в китайских моделях Xiaopeng P7, G9, Weilai ET7 и других. Например, выходной вал двигателя Tesla оснащен керамическими подшипниками, гибридными керамическими подшипниками, разработанными NSK, и шариками подшипников, изготовленными из 50 шариков нитрида кремния.

Горячее изостатическое прессование (ГИП) и давление газа Спекание (GPS) — два наиболее популярных метода подготовки к спеканию керамических шариков из нитрида кремния. Эти два метода позволяют получать керамические шарики, которые широко используются в различных областях. HIP-нитрид кремния обеспечивает превосходные механические свойства и более высокую усталостную долговечность, чем GPS-нитрид кремния.

В настоящее время известные иностранные фирмы продолжают контролировать долю международного рынка и развиватьВечернаправлении, в то время как японские, европейские и американские корпорации продолжают доминировать в производстве высококачественных керамических подшипниковых изделий. В 2015 году в моей стране была основана компания National Materials High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd.

Компания добилась значительного прогресса в технологии массового производства керамических шариков из нитрида кремния методом горячего изостатического прессования, став первой компанией в Китае, наладившей массовое производство этих материалов, и третьей компанией в целом после Toshiba в Японии и Kustec в США. Среди стран, куда поставляется продукция компании, – SKF (Швеция), Timken (США), GMN (Германия) и Forsa (Испания). Кроме того, аналогичные методы используются компанией Sinoceramic Jinsheng и другими для производства шариков из нитрида кремния с прочностью на изгиб 1000 МПа.

 

 

02 Керамическая подложка из нитрида кремния с высокой теплопроводностью

Керамические подложки из нитрида кремния в основном используются в силовых агрегатах, полупроводниковых приборах и инверторах чистых электромобилей (ЭМ) и гибридных электромобилей (ГЭМ) и имеют огромный рыночный потенциал и перспективы применения.

В настоящее время для коммерческого использования керамических подложек из нитрида кремния с высокой теплопроводностью требуются прочность на изгиб 650 МПа, вязкость разрушения 5–7 МПа·м² и теплопроводность 85 Вт/(м·К). Основными компаниями, обладающими возможностями массового производства керамических подложек из нитрида кремния с высокой теплопроводностью, являются Toshiba Group, Hitachi Metals, Nippon Electric Chemical, Maruwa и Nippon Fine Ceramics.

 

Кроме того, в Китае достигнуты определенные успехи в исследованиях материалов для керамических подложек на основе нитрида кремния. Оптимизировав метод и технологию спекания, компания Beijing Sinoma Artificial Crystal Research Institute Co., Ltd. успешно изготовила керамическую подложку на основе нитрида кремния с прочностью на изгиб 700–800 МПа, вязкостью разрушения ≥8 МПа·м² и теплопроводностью ≥80 Вт/(м·К). Керамическая подложка на основе нитрида кремния, изготовленная пекинским филиалом Sinoma High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd. методом литья в ленту, имеет теплопроводность 100 Вт/(м·К).

 

Электромобили в настоящее время приближаются к интеллектуальным технологиям благодаря растущей популярности транспортных средств на новых источниках энергии и развитию искусственного интеллекта (ИИ). Производители автомобилей также проявляют интерес к различным керамическим материалам, включая материалы для упаковки лидаров, углеродно-керамические тормоза, высокоёмкие многослойные керамические керамические стержни (MLCC), керамические теплопроводящие материалы и т. д.

 

Производство полупроводников

В полупроводниковой промышленности действует промышленный закон «одно поколение технологий, одно поколение процессов, одно поколение оборудования», и достижения в технологии прецизионных деталей имеют решающее значение для модернизации и итерации полупроводникового оборудования. Прецизионные керамические детали являются наиболее типичными материалами для прецизионных полупроводниковых деталей. Они используются в ряде ключевых процессов производства полупроводников, включая травление, химическое осаждение из паровой фазы, физическое осаждение из паровой фазы и ионную имплантацию, например, в механических манипуляторах, электростатических патронах, вкладышах, направляющих и подшипниках, и других. Керамика выполняет функции стабилизации, защиты и отвлечения, особенно внутри полости оборудования.

 

Производство полупроводников. Полупроводниковая промышленность подчиняется отраслевому закону «одно поколение технологий, одно поколение процессов, одно поколение оборудования», и совершенствование технологии прецизионных деталей имеет решающее значение для модернизации и усовершенствования полупроводникового оборудования. Из всех материалов, используемых для прецизионных полупроводниковых деталей, прецизионные керамические детали являются наиболее представительными. Они применяются в травлении, химическом осаждении из паровой фазы, физическом осаждении из паровой фазы и ионной имплантации, а также в других важных процессах производства полупроводников. Керамические детали используются, например, в подшипниках, вкладышах, направляющих, электростатических зажимах и механических манипуляторах, и это лишь некоторые из них. Керамические детали служат для отвода, защиты и стабилизации, особенно внутри полости оборудования.

 

 

Энергосберегающая и природоохранная отрасль

В рамках национальной политики «двойного углеродного» подхода все отрасли промышленности постепенно развиваются в направлении энергосбережения, сокращения выбросов углерода, снижения загрязнения окружающей среды и повышения эффективности. В этих условиях керамическая промышленность сталкивается с проблемами энергопотребления и охраны окружающей среды, но одновременно открывает новые возможности для развития керамических материалов.

 

 

01 Керамическая мембрана

Для замены традиционной технологии фильтрационного разделения в настоящее время в перерабатывающей промышленности и областях специальной водоподготовки в первую очередь используется технология мембранного разделения, в основе которой лежит керамическая мембрана, как высокоэффективный процесс разделения для фильтрационного разделения, концентрирования и очистки, а также очистки и удаления примесей.

Керамическая плоская мембрана

Среди них – высокопроизводительные керамические плоские мембраны, позволяющие фильтровать, разделять и очищать жидкости в сложных условиях. Высокая термостойкость и устойчивость к давлению, высокая химическая стабильность, высокая эффективность фильтрации, высокая надежность, низкие эксплуатационные расходы и расходы на обслуживание, длительный срок службы и экологичность на протяжении всего жизненного цикла – вот лишь некоторые из их преимуществ. Они широко применяются и продвигаются в таких областях, как городская канализация, очистка воды, очистка черных и пахучих вод, повторное использование оборотной воды и очистка сточных вод промышленных парков. Это основное направление развития в области высокопроизводительных керамических разделительных мембран, имеющее широкие рыночные перспективы.

Наряду с очисткой воды, в моей стране на горизонте также стоит задача управления загрязнением воздуха. Экологически чистый катализатор на основе оксидов редкоземельных металлов для денитрификации наносится на керамическое волокнистое композитное мембранное покрытие в качестве носителя для создания высокотемпературной волокнистой мембраны для денитрификации и пылеудаления – фильтрующего элемента со встроенными функциями денитрификации и пылеудаления, обеспечивающего прямую очистку газа в условиях высоких температур.

 

 

02 Аэрогель

Масштабная разработка экологичного и низкоуглеродного аэрогеля, суперизоляционного материала, создала беспрецедентный потенциал для роста сектора аэрогелей. Ожидается, что новая технология аэрогелей будет интегрирована с развитием экологичного производства, что позволит создавать новые области применения продукции в соответствии с тенденцией к ускоренному развитию экологичных отраслей.

 

Аэрогель обладает чрезвычайно низкой плотностью, сверхвысокой пористостью, низким показателем преломления, низкой теплопроводностью, низким акустическим импедансом и другими характеристиками, которыми не обладают обычные твёрдые материалы. Эти характеристики открывают широкие перспективы его применения в области теплоизоляции, биомедицины, звукоизоляции, адсорбции и т. д., а потенциал рыночного спроса огромен.

 

 

Индустрия биомедицины

По мере развития общества и улучшения качества жизни людей в терапевтических целях будет использоваться всё больше искусственных имплантатов и органов. В моей стране такие металлы, как нержавеющая сталь и кобальтовые сплавы, давно используются для ортопедического лечения и восстановления благодаря своим превосходным механическим свойствам и управляемости; тем не менее, их биосовместимость недостаточна. В связи с этим рынок и исследования более безопасных и совместимых с окружающей средой материалов для покрытий или биокерамики стремительно расширяются.

Благодаря своей исключительной вязкости разрушения и износостойкости биомедицинская керамика, такая как Al2O3, ZrO2, ZTA, Si3N4 и подобные композитные керамические материалы, часто используется в хирургических протезах, дентальных имплантатах, костных заменителях и т. д. Оксид циркония часто используется в стоматологических реставрационных материалах благодаря своим хорошим эксплуатационным характеристикам и эстетическим свойствам, но его прочность обусловлена ​​стеклокерамикой. Среди них нитрид кремния сочетает в себе бактерицидные свойства и самосмазывающиеся свойства, а имплантаты на его основе обладают долговременной биологической стабильностью.

Прогнозируется, что к 2022 году объём мирового рынка медицинских керамических материалов составит около 15 млрд долларов США. Ожидается, что объём рынка медицинских керамических материалов в Китае к 2022 году составит около 4,5 млрд долларов США. Из них большую часть (около 60%) составляет алюмооксидная керамика. Керамика на основе нитрида кремния используется для ортопедических имплантатов, а циркониевая керамика — преимущественно в стоматологии.

 

 

Аэрокосмический сектор

Керамика неизменно демонстрирует исключительные эксплуатационные характеристики в различных суровых условиях эксплуатации. Военная и аэрокосмическая промышленность — два наиболее востребованных рынка для передовой керамики. «Высокотемпературная стойкость» и «скрытность» — два основных направления развития керамики в аэрокосмической промышленности.

 

Новое поколение военных авиационных двигателей испытывает растущую потребность в новых термостойких конструкционных материалах, поскольку потенциал монокристаллов, теплозащитных покрытий и активного воздушного охлаждения постепенно исчерпывается. SiC/SiC-CMC стал одним из лучших вариантов термостойких конструкционных материалов. SiC/SiC-CMC упрочняется и упрочняется в значительной степени за счет использования волокон карбида кремния. Важнейшим сырьем для SiC/SiC-CMC является волокно карбида кремния, обладающее термостойкостью свыше 1200 °C и привлекшее внимание авиационных держав в рамках научно-исследовательского конкурса.

 

 

Поглощающие материалы, обычно состоящие из поглощающей среды (абсорбента) и матричного материала (иногда называемого связующим), являются одними из важнейших материалов для обеспечения скрытности. Карбид кремния является основным компонентом, используемым для создания многополосных поглощающих керамических материалов; неорганические керамические наночастицы и неорганические полимерные материалы в сочетании образуют керамические инфракрасные стелс-материалы, своего рода покрытия. Для эффективного поглощения широкополосных электромагнитных волн неорганические керамические наночастицы равномерно диспергируются в неорганической полимерной матрице и тщательно контролируются.