Cinc grans indústries per al desenvolupament futur de productes ceràmics
Indústria de vehicles elèctrics
La Xina va produir i vendre 6,253 milions i 6,067 milions de cotxes d'energia nova, respectivament, entre gener i novembre, un augment al voltant del 100% interanual, amb una quota de mercat del 25%, segons les dades més recents de l'Associació de Fabricants d'Automòbils de la Xina. Juntament amb el creixement de la fabricació i les vendes que va superar amb escreix el mercat durant aquest temps, la penetració de vehicles d'energia nova ha superat el 36% i continua augmentant. La tecnologia dels vehicles elèctrics està en constant evolució, fet que ha accelerat la substitució dels dissenys i materials dels seus components. L'ús de vehicles elèctrics d'energia nova ha incorporat totalment els materials ceràmics avançats a causa dels seus avantatges de rendiment únics.
Entre ells, predominen les boles de coixinets de nitrur de silici HIP i els substrats de nitrur de silici d'alta conductivitat tèrmica.
01 Boles HIP per a coixinets de nitrur de silici
Els coixinets de motor per a vehicles d'energia nova exigeixen materials de menor densitat i comparativament més resistents al desgast a causa de les seves taxes de rotació més altes en comparació amb els coixinets estàndard. En els coixinets ceràmics de nitrur de silici, les boles produeixen menys calor i fricció dins del sistema de coixinets. Concretament, el nitrur de silici és un aïllant elèctric natural que pot prevenir la corrosió elèctrica de la descàrrega dels coixinets, allargar la vida útil dels lubricants i els coixinets i, finalment, provocar una fallada del coixinet. És ideal per al seu ús en diversos sectors, inclosos els cotxes elèctrics.
Els coixinets de ceràmica estan substituint cada cop més els coixinets de boles d'acer a l'era dels accionaments elèctrics. Els coixinets aïllats de boles de ceràmica de nitrur de silici s'utilitzen a Xiaopeng P7, G9, Weilai ET7 i altres models domèstics. Per exemple, l'eix de sortida del motor utilitzat per Tesla utilitza coixinets ceràmics, coixinets ceràmics híbrids dissenyats per NSK i boles de coixinets fetes de 50 boles de nitrur de silici.
El premsat isostàtic en calent (HIP) i la sinterització a pressió de gas (GPS) són les dues tècniques preparatòries més populars per a la sinterització de boles ceràmiques de nitrur de silici. Aquests dos mètodes produeixen boles de ceràmica que s'utilitzen amb freqüència en molts entorns. El nitrur de silici HIP proporciona qualitats mecàniques superiors i una vida útil més llarga que el nitrur de silici GPS.
Actualment, empreses estrangeres conegudes continuen controlant la quota de mercat internacional i la direcció del desenvolupament, mentre que les corporacions japoneses, europees i americanes continuen dominant la fabricació de productes de coixinets ceràmics de gamma alta. El 2015 es va establir a la meva nació National Materials High-Tech Nitrude Ceramics Co., Ltd.
va fer un avenç significatiu en la tecnologia per a la producció massiva de boles ceràmiques de nitrur de silici premsades isostàticament en calent, convertint-se en la primera empresa a la Xina que va establir la producció massiva d'aquests materials i la tercera empresa en general, darrere de Toshiba al Japó i Kustec als Estats Units. SKF a Suècia, Timken als EUA, GMN a Alemanya i Forsa a Espanya es troben entre els països als quals s'envien els seus productes. A més, Sinoceramic Jinsheng i altres utilitzen mètodes comparables per crear boles de coixinets de nitrur de silici amb una resistència a la flexió de 1000 MPa.
02 Substrat ceràmic de nitrur de silici d'alta conductivitat tèrmica
Els substrats ceràmics de nitrur de silici s'utilitzen principalment a les unitats de potència, dispositius semiconductors i inversors de vehicles elèctrics purs (EV) i vehicles elèctrics híbrids (HEV), i tenen un gran potencial de mercat i perspectives d'aplicació.
Actualment, es requereix una resistència a la flexió de 650 MPa, una resistència a la fractura de 5-7 MPa·m1/2 i una conductivitat tèrmica de 85 W/(m·K) per a l'ús comercial de materials de substrat ceràmic de nitrur de silici d'alta conductivitat tèrmica. El Grup Toshiba, Hitachi Metals, Nippon Electric Chemical, Maruwa i Nippon Fine Ceramics són les principals empreses que tenen la capacitat de produir en massa substrats ceràmics de nitrur de silici amb alta conductivitat tèrmica.
A més, hi ha hagut alguns avenços en la investigació domèstica sobre materials de substrat ceràmic de nitrur de silici. Mitjançant l'optimització del mètode i el procés de sinterització, Beijing Sinoma Artificial Crystal Research Institute Co., Ltd. ha preparat amb èxit un substrat ceràmic de nitrur de silici amb una resistència a la flexió de 700-800MPa, una resistència a la fractura de ≥8MPa·m1/2 i una conductivitat tèrmica de ≥80W/(m·K). El substrat ceràmic de nitrur de silici fabricat per la filial de Beijing de Sinoma High-Tech Nitrude Ceramics Co., Ltd. mitjançant el procés de fosa de cinta té una conductivitat tèrmica de 100 W/(m·K).
Actualment, els vehicles elèctrics s'estan apropant a la intel·ligència com a conseqüència de la creixent popularitat dels vehicles d'energia nova i el desenvolupament de la intel·ligència artificial (IA). Els fabricants d'automòbils també han mostrat interès en una varietat de materials ceràmics, com ara materials d'embalatge lidar, frens de ceràmica de carboni, MLCC d'alta capacitat, materials conductors tèrmics de ceràmica, etc.
Fabricació de semiconductors
La llei industrial d'"una generació de tecnologia, una generació de procés, una generació d'equips" regeix la indústria dels semiconductors, i els avenços en la tecnologia de peces de precisió són crucials per a la modernització i la iteració d'equips de semiconductors. Les peces ceràmiques de precisió són els materials més representatius per a peces de precisió de semiconductors entre ells. S'utilitzen en diversos processos clau de fabricació de semiconductors, com ara el gravat, la deposició química de vapor, la deposició física de vapor i la implantació d'ions. com braços mecànics de manipulació, mandrils electrostàtics, revestiments, guies i coixinets, entre d'altres. Realitza les funcions d'estabilització, defensa i distracció, especialment dins de la cavitat de l'equip.
Producció de semiconductors La indústria dels semiconductors es regeix per la llei industrial d'"una generació de tecnologia, una generació de procés, una generació d'equips" i les millores en la tecnologia de peces de precisió són essencials per a la modernització i iteració de la maquinària de semiconductors. De tots els materials utilitzats per a peces de precisió de semiconductors, les peces de ceràmica de precisió són els més representatius. S'utilitzen en gravat, deposició química de vapor, deposició física de vapor i implantació d'ions, entre altres procediments importants de fabricació de semiconductors. com ara coixinets, revestiments, rails de guia, mandrils electrostàtics i braços de manipulació mecànica, per citar-ne alguns. Serveix com a desviació, defensa i estabilització, especialment a l'interior de la cavitat de l'equip.
Indústria d'estalvi d'energia i protecció del medi ambient
Sota la guia de la política nacional de "doble carboni", totes les indústries es desenvolupen gradualment en la direcció de l'estalvi d'energia, la reducció de carboni, la reducció de la contaminació i la millora de l'eficiència. En aquest context, la indústria ceràmica s'enfronta a pressions de consum d'energia i protecció del medi ambient, però també aporta noves oportunitats de desenvolupament als materials ceràmics.
01 Membrana ceràmica
Per substituir la tecnologia de separació de filtració convencional, la tecnologia de separació de membrana amb membrana ceràmica al seu nucli s'utilitza actualment principalment com a procés de separació d'alta eficiència a la indústria de processos i camps especials de tractament d'aigua per a la separació, concentració i purificació de filtració, i purificació i eliminació d'impureses.
Membrana plana ceràmica
Entre ells, els fluids en entorns complexos es poden filtrar, separar i purificar mitjançant membranes planes ceràmiques d'alt rendiment. Resistència a alta temperatura i pressió, forta estabilitat química, alta eficiència de filtratge, bona fiabilitat, baixos costos d'operació i manteniment, vida útil prolongada i respectuós amb el medi ambient durant tot el cicle de vida són alguns dels seus atributs. Ha estat àmpliament utilitzat i promogut en les àrees de clavegueram municipal, tractament d'aigües distribuïdes, tractament d'aigües negres i oloroses, reutilització d'aigües recuperades i tractament d'aigües residuals del parc industrial. És la direcció de desenvolupament principal en el camp de les membranes de separació ceràmiques internacionals d'alt rendiment i té una àmplia gamma de perspectives de mercat.
Juntament amb el tractament de l'aigua, la gestió de la contaminació de l'aire al meu país també està a l'horitzó. El catalitzador de nanodesnitrificació del sistema d'òxids de metalls rars respectuós amb el medi ambient es carrega al material de membrana compost de fibra ceràmica com a cos de suport per crear la membrana de fibra d'alta temperatura per a la desnitrificació i l'eliminació de pols, un element de filtre amb funcions integrades de desnitrificació i eliminació de pols que pot aconseguir la purificació directa del gas en condicions d'alta temperatura.
02 Aerogel
L'extens desenvolupament verd i baix en carboni de l'aerogel, un material súper aïllant, ha creat un potencial inèdit per al creixement del sector de l'aerogel. Es preveu que la nova tecnologia d'aerogel s'integrarà amb el creixement de la fabricació ecològica per crear més aplicacions de productes nous d'acord amb la tendència de les indústries verdes que es desenvolupen més ràpidament.
L'aerogel té una densitat extremadament baixa, una porositat ultra alta, un índex de refracció baix, una conductivitat tèrmica baixa, una impedància acústica baixa i altres característiques que no tenen els materials sòlids generals. Aquestes característiques fan que tingui grans perspectives d'aplicació en els camps de l'aïllament tèrmic, la biomedicina, l'aïllament acústic, l'adsorció, etc., i el potencial de demanda del mercat és enorme.
Indústria de la biomedicina
Cada cop s'utilitzaran més implants i òrgans artificials en entorns terapèutics a mesura que la societat es desenvolupi i la vida de les persones millori. A la meva nació, metalls com l'acer inoxidable i els aliatges de cobalt s'han utilitzat durant molt de temps per a la curació i reparació ortopèdica a causa de les seves qualitats mecàniques i de control superiors; no obstant això, falta la seva biocompatibilitat. En conseqüència, el mercat i la recerca de materials de recobriment o bioceràmiques més saludables i compatibles s'estan expandint ràpidament.
A causa de la seva excepcional duresa a la fractura i resistència al desgast, les ceràmiques biomèdiques com Al2O3, ZrO2, ZTA, Si3N4 i materials ceràmics compostos relacionats s'utilitzen freqüentment en pròtesis quirúrgiques de suport de càrrega, implants dentals, substituts ossis, etc. L'òxid de zirconi s'utilitza freqüentment en la restauració dental i els seus materials degut a la seva bellesa en ceràmica. Entre aquests, el nitrur de silici combina l'efecte bactericida i les propietats autolubricants, i el seu implant té una estabilitat biològica estable a llarg termini.
El 2022, es preveu que la mida del mercat mundial de materials ceràmics mèdics sigui d'uns 15.000 milions de dòlars. El 2022, s'espera que el mercat de materials ceràmics mèdics a la Xina valgui aproximadament 4.500 milions de dòlars EUA. D'ells, la ceràmica d'alúmina constitueix la majoria (al voltant del 60%). La ceràmica de nitrur de silici s'utilitza per a implants ortopèdics, mentre que la ceràmica de zirconi s'utilitza principalment en odontologia.
El sector aeroespacial
Les ceràmiques destaquen constantment pel seu rendiment excepcional en una varietat de situacions d'aplicació dures. Les indústries militar i aeroespacial són dos dels mercats d'aplicació més populars de la ceràmica avançada. "Resistència a altes temperatures" i "sigilo" són les dues línies principals de desenvolupament ceràmic a la indústria aeroespacial.
La nova generació de motors d'aviació militar té una necessitat creixent de nous materials estructurals resistents a altes temperatures, ja que el potencial dels cristalls simples, els recobriments de barrera tèrmica i la refrigeració activa de l'aire s'esgota gradualment. SiC/SiC-CMC s'ha convertit en una de les millors opcions per als materials estructurals resistents a altes temperatures. SiC/SiC-CMC està reforçat i endurit en gran part per fibra de carbur de silici. La matèria primera més important per a SiC/SiC-CMC és la fibra de carbur de silici, que té una resistència a la temperatura superior a 1200 °C i ha cridat l'atenció de les potències de l'aviació en un concurs de recerca.
Normalment consisteix en un medi absorbent (absorbent) i un material de matriu (de vegades conegut com a aglutinant), els materials absorbents es troben entre els materials sigils més crucials. El carbur de silici és l'ingredient principal utilitzat per crear materials ceràmics absorbents de bandes múltiples; les nanopartícules ceràmiques inorgàniques i els materials de polímers inorgànics es combinen per formar materials sigils infrarojos ceràmics, una mena de recobriment. Per tal de produir una absorció efectiva d'ones electromagnètiques de banda ampla, les nanopartícules ceràmiques inorgàniques es dispersen uniformement en una matriu de polímers inorgànics i es controlen acuradament.