5 อุตสาหกรรมหลักเพื่อการพัฒนาผลิตภัณฑ์เซรามิกในอนาคต

อุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้า

 

จีนผลิตและขายรถยนต์พลังงานใหม่ได้ 6.253 ล้านคัน และ 6.067 ล้านคัน ตามลำดับ ระหว่างเดือนมกราคมถึงพฤศจิกายน เพิ่มขึ้นประมาณ 100% เมื่อเทียบกับช่วงเดียวกันของปีก่อน โดยมีส่วนแบ่งตลาด 25% ตามข้อมูลล่าสุดจากสมาคมผู้ผลิตยานยนต์แห่งประเทศจีน นอกจากการเติบโตของการผลิตและยอดขายที่สูงกว่าตลาดอย่างมากในช่วงเวลาดังกล่าวแล้ว การเข้าถึงรถยนต์พลังงานใหม่ยังสูงกว่า 36% และยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เทคโนโลยีรถยนต์ไฟฟ้ามีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้มีการเปลี่ยนชิ้นส่วนและวัสดุที่ใช้ในการผลิตเร็วขึ้น การใช้รถยนต์พลังงานใหม่ได้นำเทคโนโลยีขั้นสูงมาใช้อย่างเต็มที่ วัสดุเซรามิก เนื่องจากมีข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพที่เป็นเอกลักษณ์

ในจำนวนนี้ ลูกบอลแบริ่งซิลิกอนไนไตรด์ HIP และพื้นผิวซิลิกอนไนไตรด์ที่มีการนำความร้อนสูงเป็นที่นิยมใช้กันทั่วไป

 

 

01 ลูกปืน HIP สำหรับตลับลูกปืนซิลิกอนไนไตรด์

ตลับลูกปืนมอเตอร์สำหรับรถยนต์พลังงานใหม่ต้องการวัสดุที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าและทนทานต่อการสึกหรอมากกว่า เนื่องจากมีอัตราการหมุนที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับตลับลูกปืนมาตรฐาน ในตลับลูกปืนเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ ลูกบอลจะก่อให้เกิดความร้อนและแรงเสียดทานภายในระบบตลับลูกปืนน้อยกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ซิลิคอนไนไตรด์เป็นฉนวนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ ซึ่งสามารถป้องกันการกัดกร่อนทางไฟฟ้าจากการคายประจุของตลับลูกปืน ช่วยยืดอายุการใช้งานของน้ำมันหล่อลื่นและตลับลูกปืน และอาจทำให้ตลับลูกปืนเสียหายได้ในที่สุด เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในหลากหลายภาคส่วน รวมถึงรถยนต์ไฟฟ้า

 

ในยุคของมอเตอร์ไฟฟ้า ตลับลูกปืนเซรามิกกำลังเข้ามาแทนที่ตลับลูกปืนเหล็กมากขึ้นเรื่อยๆ ตลับลูกปืนเซรามิกหุ้มฉนวนซิลิคอนไนไตรด์ถูกนำมาใช้ในรถยนต์รุ่น Xiaopeng P7, G9, Weilai ET7 และรุ่นอื่นๆ ในประเทศ ยกตัวอย่างเช่น เพลาขับของมอเตอร์ที่ Tesla ใช้นั้นใช้ตลับลูกปืนเซรามิก ตลับลูกปืนเซรามิกไฮบริดที่ออกแบบโดย NSK และตลับลูกปืนที่ทำจากซิลิคอนไนไตรด์ 50 ลูก

การอัดไอโซสแตติกร้อน (HIP) และแรงดันแก๊ส การเผาผนึก (GPS) เป็นเทคนิคการเตรียมการสองวิธีที่ได้รับความนิยมมากที่สุดสำหรับการเผาผนึกด้วยลูกบอลเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ ทั้งสองวิธีนี้ให้ลูกบอลเซรามิกที่มักถูกใช้ในหลากหลายสถานการณ์ ซิลิคอนไนไตรด์ HIP ให้คุณสมบัติเชิงกลที่เหนือกว่าและอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่าซิลิคอนไนไตรด์ GPS

ปัจจุบันบริษัทต่างชาติที่มีชื่อเสียงยังคงควบคุมส่วนแบ่งการตลาดระหว่างประเทศและพัฒนาพีเอ็มทิศทางของบริษัทต่างๆ ในญี่ปุ่น ยุโรป และอเมริกา ยังคงครองส่วนแบ่งทางการตลาดด้านการผลิตสินค้าลูกปืนเซรามิกระดับไฮเอนด์ ในปี 2015 บริษัท National Materials High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd. ได้ก่อตั้งขึ้นในประเทศของฉัน

ได้สร้างความก้าวหน้าครั้งสำคัญในเทคโนโลยีการผลิตลูกบอลเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์แบบอัดไอโซสแตติกร้อนจำนวนมาก ทำให้บริษัทกลายเป็นบริษัทแรกในประเทศจีนที่ผลิตวัสดุเหล่านี้จำนวนมาก และเป็นบริษัทที่สามของโลก รองจากโตชิบาในญี่ปุ่นและคุสเทคในสหรัฐอเมริกา SKF ในสวีเดน Timken ในสหรัฐอเมริกา GMN ในเยอรมนี และ Forsa ในสเปน เป็นส่วนหนึ่งของประเทศที่ผลิตภัณฑ์ของบริษัทถูกจัดส่งไป นอกจากนี้ Sinoceramic Jinsheng และบริษัทอื่นๆ ยังใช้วิธีการผลิตที่คล้ายคลึงกันนี้ เพื่อสร้างลูกบอลเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีความแข็งแรงดัด 1,000 เมกะปาสคาล

 

 

02 เซรามิกซับสเตรตซิลิกอนไนไตรด์ที่มีการนำความร้อนสูง

ซับสเตรตเซรามิกซิลิกอนไนไตรด์ใช้เป็นหลักในหน่วยพลังงาน อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ และอินเวอร์เตอร์ของรถยนต์ไฟฟ้าบริสุทธิ์ (EV) และรถยนต์ไฟฟ้าไฮบริด (HEV) และมีศักยภาพทางการตลาดและแนวโน้มการใช้งานที่มหาศาล

ปัจจุบัน การใช้งานวัสดุซับสเตรตเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูงในเชิงพาณิชย์ จำเป็นต้องมีความแข็งแรงดัดงอ 650 เมกะปาสคาล ความเหนียวแตกหัก 5–7 เมกะปาสคาลต่อเมตร และค่าการนำความร้อน 85 วัตต์/(m·K) บริษัทชั้นนำอย่าง Toshiba Group, Hitachi Metals, Nippon Electric Chemical, Maruwa และ Nippon Fine Ceramics ต่างมีศักยภาพในการผลิตวัสดุซับสเตรตเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูงในปริมาณมาก

 

นอกจากนี้ ยังมีความก้าวหน้าในการวิจัยภายในประเทศเกี่ยวกับวัสดุซับสเตรตเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ ด้วยการปรับปรุงวิธีการและกระบวนการเผาผนึกให้เหมาะสม บริษัท Beijing Sinoma Artificial Crystal Research Institute จำกัด ประสบความสำเร็จในการเตรียมซับสเตรตเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีความแข็งแรงดัด 700-800 เมกะปาสคาล ความเหนียวแตกหัก ≥8 เมกะปาสคาลต่อลูกบาศก์เมตร และค่าการนำความร้อน ≥80 วัตต์/(m·K) ซับสเตรตเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่ผลิตโดยบริษัท Sinoma High-Tech Nitride Ceramics จำกัด สาขาปักกิ่ง โดยใช้กระบวนการหล่อแบบเทป มีค่าการนำความร้อน 100 วัตต์/(m·K)

 

ปัจจุบันยานยนต์ไฟฟ้ากำลังเข้าใกล้เทคโนโลยีอัจฉริยะมากขึ้น อันเป็นผลมาจากความนิยมที่เพิ่มขึ้นของยานยนต์พลังงานใหม่และการพัฒนาปัญญาประดิษฐ์ (AI) ผู้ผลิตยานยนต์ยังแสดงความสนใจในวัสดุเซรามิกหลากหลายชนิด เช่น วัสดุบรรจุภัณฑ์ไลดาร์ เบรกคาร์บอนเซรามิก MLCC ความจุสูง วัสดุเซรามิกนำความร้อน ฯลฯ

 

การผลิตเซมิคอนดักเตอร์

กฎอุตสาหกรรมที่ว่า "เทคโนโลยีหนึ่งยุค กระบวนการหนึ่งยุค อุปกรณ์หนึ่งยุค" มีอิทธิพลต่ออุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ และความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีชิ้นส่วนความแม่นยำมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาและการพัฒนาอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ให้ทันสมัย ​​ชิ้นส่วนเซรามิกความแม่นยำเป็นวัสดุที่เป็นตัวแทนมากที่สุดสำหรับชิ้นส่วนความแม่นยำของเซมิคอนดักเตอร์ ชิ้นส่วนเซรามิกความแม่นยำถูกนำมาใช้ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่สำคัญหลายประการ เช่น การกัด การสะสมไอเคมี การสะสมไอทางกายภาพ และการฝังไอออน เช่น แขนกลสำหรับจับยึด หัวจับไฟฟ้าสถิต ปลอกหุ้ม รางนำ และลูกปืน เป็นต้น เซรามิกมีบทบาทในการรักษาเสถียรภาพ ป้องกัน และเบี่ยงเบน โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายในโพรงของอุปกรณ์

 

การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์อยู่ภายใต้กฎอุตสาหกรรมที่ว่า "เทคโนโลยีหนึ่งยุค กระบวนการหนึ่งยุค อุปกรณ์หนึ่งยุค" และการพัฒนาเทคโนโลยีชิ้นส่วนความแม่นยำเป็นสิ่งจำเป็นต่อการปรับปรุงและการพัฒนาเครื่องจักรเซมิคอนดักเตอร์ให้ทันสมัย ​​ในบรรดาวัสดุทั้งหมดที่ใช้สำหรับชิ้นส่วนความแม่นยำของเซมิคอนดักเตอร์ ชิ้นส่วนเซรามิกความแม่นยำเป็นวัสดุที่ได้รับความนิยมมากที่สุด ชิ้นส่วนเหล่านี้ถูกนำไปใช้ในกระบวนการกัด การสะสมไอเคมี การสะสมไอทางกายภาพ และการฝังไอออน รวมถึงกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่สำคัญอื่นๆ เช่น ตลับลูกปืน ปลอกหุ้ม รางนำ หัวจับไฟฟ้าสถิต และแขนกล เป็นต้น ชิ้นส่วนเซรามิกนี้ทำหน้าที่เปลี่ยนทิศทาง ป้องกัน และรักษาเสถียรภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายในโพรงของอุปกรณ์

 

 

อุตสาหกรรมการประหยัดพลังงานและปกป้องสิ่งแวดล้อม

ภายใต้นโยบาย "คาร์บอนคู่" ระดับชาติ อุตสาหกรรมต่างๆ กำลังพัฒนาไปในทิศทางของการประหยัดพลังงาน ลดคาร์บอน ลดมลพิษ และเพิ่มประสิทธิภาพอย่างค่อยเป็นค่อยไป ด้วยเหตุนี้ อุตสาหกรรมเซรามิกจึงต้องเผชิญกับแรงกดดันด้านการใช้พลังงานและการปกป้องสิ่งแวดล้อม แต่ยังนำมาซึ่งโอกาสใหม่ๆ ในการพัฒนาวัสดุเซรามิกอีกด้วย

 

 

01 แผ่นเซรามิก

เพื่อทดแทนเทคโนโลยีการแยกสารกรองแบบเดิม เทคโนโลยีการแยกด้วยเมมเบรนที่มีเมมเบรนเซรามิกเป็นแกนหลักในปัจจุบันถูกนำมาใช้เป็นกระบวนการแยกที่มีประสิทธิภาพสูงในอุตสาหกรรมกระบวนการและสาขาการบำบัดน้ำโดยเฉพาะสำหรับการแยกสารกรอง การทำให้เข้มข้นและการทำให้บริสุทธิ์ และการทำให้บริสุทธิ์และการกำจัดสิ่งเจือปน

เมมเบรนแบบแบนเซรามิก

ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ ของเหลวในสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อนสามารถกรอง แยก และบำบัดให้บริสุทธิ์ได้โดยใช้เมมเบรนเซรามิกแบนประสิทธิภาพสูง ทนต่ออุณหภูมิและแรงดันสูง มีเสถียรภาพทางเคมีสูง ประสิทธิภาพการกรองสูง ความน่าเชื่อถือสูง ต้นทุนการดำเนินงานและการบำรุงรักษาต่ำ อายุการใช้งานยาวนาน และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมตลอดวงจรชีวิต เมมเบรนเซรามิกแบนประสิทธิภาพสูงนี้ถูกนำมาใช้และส่งเสริมอย่างกว้างขวางในด้านต่างๆ เช่น ระบบบำบัดน้ำเสียเทศบาล ระบบบำบัดน้ำเสียแบบกระจาย ระบบบำบัดน้ำเสียดำและน้ำเสียที่มีกลิ่น การนำน้ำที่ผ่านกระบวนการบำบัดกลับมาใช้ใหม่ และการบำบัดน้ำเสียในเขตอุตสาหกรรม เมมเบรนเซรามิกแบนประสิทธิภาพสูงนี้ถือเป็นทิศทางการพัฒนาหลักในระดับนานาชาติ และมีโอกาสทางการตลาดที่หลากหลาย

นอกจากการบำบัดน้ำแล้ว การจัดการมลพิษทางอากาศในประเทศของผมก็กำลังอยู่ในขั้นตอนต่อไป ตัวเร่งปฏิกิริยานาโนดีไนเตรต (Nano-denitrification) ของระบบโลหะออกไซด์หายากที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ถูกบรรจุลงบนวัสดุเมมเบรนคอมโพสิตใยเซรามิกเพื่อใช้เป็นส่วนประกอบรองรับ เพื่อสร้างเมมเบรนใยอุณหภูมิสูงสำหรับดีไนเตรตและกำจัดฝุ่น ไส้กรองนี้มีฟังก์ชันดีไนเตรตและกำจัดฝุ่นในตัว ซึ่งสามารถฟอกก๊าซได้โดยตรงภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง

 

 

02 แอโรเจล

การพัฒนาเอโรเจล ซึ่งเป็นวัสดุฉนวนไฟฟ้าคุณภาพสูงที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและคาร์บอนต่ำอย่างกว้างขวาง ได้สร้างศักยภาพที่ไม่เคยมีมาก่อนสำหรับการเติบโตของอุตสาหกรรมเอโรเจล คาดว่าเทคโนโลยีเอโรเจลใหม่นี้จะถูกผนวกเข้ากับการเติบโตของอุตสาหกรรมการผลิตสีเขียว เพื่อสร้างสรรค์ผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ มากขึ้น สอดคล้องกับแนวโน้มการพัฒนาอุตสาหกรรมสีเขียวที่รวดเร็วยิ่งขึ้น

 

แอโรเจลมีความหนาแน่นต่ำมาก มีรูพรุนสูงมาก ดัชนีหักเหแสงต่ำ การนำความร้อนต่ำ ความต้านทานเสียงต่ำ และคุณสมบัติอื่นๆ ที่วัสดุแข็งทั่วไปไม่มี คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้แอโรเจลมีโอกาสนำไปประยุกต์ใช้ในด้านฉนวนกันความร้อน ชีวการแพทย์ ฉนวนกันเสียง การดูดซับ และอื่นๆ ได้อย่างยอดเยี่ยม และมีศักยภาพเป็นที่ต้องการของตลาดอย่างมหาศาล

 

 

อุตสาหกรรมชีวการแพทย์

การปลูกถ่ายอวัยวะเทียมและอวัยวะเทียมจะถูกนำมาใช้ในการบำบัดรักษามากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อสังคมพัฒนาและคุณภาพชีวิตของผู้คนดีขึ้น ในประเทศของผม โลหะอย่างสเตนเลสสตีลและโลหะผสมโคบอลต์ถูกนำมาใช้เพื่อการรักษาและซ่อมแซมกระดูกและข้อมานานแล้ว เนื่องจากมีคุณสมบัติเชิงกลและการควบคุมที่เหนือกว่า อย่างไรก็ตาม ความเข้ากันได้ทางชีวภาพของโลหะเหล่านี้ยังขาดอยู่ ดังนั้น ตลาดและการวิจัยวัสดุเคลือบหรือไบโอเซรามิกส์ที่แข็งแรงและเข้ากันได้ดีกว่าจึงขยายตัวอย่างรวดเร็ว

ด้วยคุณสมบัติความเหนียวและความทนทานต่อการแตกหักที่ดีเยี่ยม เซรามิกชีวภาพทางการแพทย์ เช่น Al2O3, ZrO2, ZTA, Si3N4 และวัสดุเซรามิกคอมโพสิตที่เกี่ยวข้อง จึงมักถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์เทียมรับน้ำหนักทางศัลยกรรม รากฟันเทียม วัสดุทดแทนกระดูก และอื่นๆ เซอร์โคเนียมออกไซด์มักถูกนำมาใช้ในวัสดุบูรณะฟันเนื่องจากประสิทธิภาพและความสวยงามที่ดี แต่ความแข็งแกร่งของมันนั้นมาจากเซรามิกแก้ว ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ ซิลิคอนไนไตรด์มีคุณสมบัติในการฆ่าเชื้อแบคทีเรียและคุณสมบัติในการหล่อลื่นตัวเอง และรากฟันเทียมมีเสถียรภาพทางชีวภาพที่เสถียรในระยะยาว

ในปี พ.ศ. 2565 คาดการณ์ว่าตลาดวัสดุเซรามิกทางการแพทย์ทั่วโลกจะมีมูลค่าประมาณ 15,000 ล้านดอลลาร์สหรัฐ และในปี พ.ศ. 2565 ตลาดวัสดุเซรามิกทางการแพทย์ในประเทศจีนคาดว่าจะมีมูลค่าประมาณ 4,500 ล้านดอลลาร์สหรัฐ โดยเซรามิกอะลูมินาเป็นวัสดุหลัก (ประมาณ 60%) เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ถูกนำมาใช้ในการปลูกถ่ายกระดูก ในขณะที่เซรามิกเซอร์โคเนียถูกนำมาใช้เป็นหลักในทันตกรรม

 

 

ภาคการบินและอวกาศ

เซรามิกส์โดดเด่นอย่างต่อเนื่องในด้านประสิทธิภาพที่โดดเด่นภายใต้สภาวะการใช้งานที่สมบุกสมบันหลากหลายรูปแบบ อุตสาหกรรมการทหารและอวกาศเป็นสองตลาดที่ได้รับความนิยมสูงสุดสำหรับเซรามิกส์ขั้นสูง "ความทนทานต่ออุณหภูมิสูง" และ "ความสามารถในการพรางตัว" เป็นสองสายผลิตภัณฑ์เซรามิกหลักในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ

 

เครื่องยนต์อากาศยานทางทหารรุ่นใหม่มีความต้องการวัสดุโครงสร้างทนอุณหภูมิสูงชนิดใหม่เพิ่มมากขึ้น เนื่องจากศักยภาพของผลึกเดี่ยว สารเคลือบป้องกันความร้อน และการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบแอคทีฟกำลังลดลงเรื่อยๆ SiC/SiC-CMC ได้กลายเป็นหนึ่งในตัวเลือกอันดับต้นๆ สำหรับวัสดุโครงสร้างทนอุณหภูมิสูง SiC/SiC-CMC ได้รับการเสริมความแข็งแกร่งและความทนทานเป็นส่วนใหญ่โดยเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ วัตถุดิบที่สำคัญที่สุดสำหรับ SiC/SiC-CMC คือเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ ซึ่งมีความทนทานต่ออุณหภูมิสูงกว่า 1,200 องศาเซลเซียส และได้รับความสนใจจากวงการอากาศยานในการแข่งขันวิจัย

 

 

โดยทั่วไปวัสดุดูดซับ (absorbent) และวัสดุเมทริกซ์ (บางครั้งเรียกว่าสารยึดเกาะ) ถือเป็นวัสดุล่องหนที่สำคัญที่สุด ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นส่วนผสมหลักที่ใช้ในการผลิตวัสดุเซรามิกดูดซับหลายแถบ อนุภาคนาโนเซรามิกอนินทรีย์และวัสดุพอลิเมอร์อนินทรีย์รวมกันเป็นวัสดุล่องหนเซรามิกอินฟราเรด ซึ่งเป็นสารเคลือบชนิดหนึ่ง เพื่อให้ได้การดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบบรอดแบนด์ที่มีประสิทธิภาพ อนุภาคนาโนเซรามิกอนินทรีย์จะถูกกระจายอย่างสม่ำเสมอในเมทริกซ์พอลิเมอร์อนินทรีย์และควบคุมอย่างระมัดระวัง