Fünf Hauptindustrien für die zukünftige Entwicklung keramischer Produkte

Industrie für Elektrofahrzeuge

 

China produzierte und verkaufte zwischen Januar und November 6,253 Millionen bzw. 6,067 Millionen Elektroautos, was einem Anstieg von rund 100 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Der Marktanteil belief sich laut den neuesten Zahlen des chinesischen Automobilherstellerverbands auf 25 %. Neben einem deutlich stärkeren Produktions- und Absatzwachstum als der Markt hat die Marktdurchdringung von Elektroautos die Marke von 36 % überschritten und steigt weiter an. Die Technologie für Elektrofahrzeuge entwickelt sich ständig weiter, was den Austausch von Komponenten und Materialien beschleunigt. Die Nutzung von Elektroautos mit alternativen Antrieben umfasst fortschrittliche Keramische Werkstoffe aufgrund ihrer einzigartigen Leistungsvorteile.

Darunter sind HIP-Siliziumnitrid-Lagerkugeln und Siliziumnitrid-Substrate mit hoher Wärmeleitfähigkeit am weitesten verbreitet.

 

 

01 HIP-Kugeln für Siliziumnitridlager

Motorlager für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben erfordern aufgrund ihrer höheren Rotationsgeschwindigkeiten im Vergleich zu Standardlagern eine geringere Dichte und vergleichsweise verschleißfestere Materialien. In Siliziumnitrid-Keramiklagern erzeugen die Kugeln weniger Wärme und Reibung im Lagersystem. Siliziumnitrid ist ein natürlich vorkommender elektrischer Isolator, der elektrische Korrosion durch Lagerentladung verhindern, die Lebensdauer von Schmiermitteln und Lagern verlängern und schließlich Lagerausfälle verursachen kann. Es eignet sich ideal für den Einsatz in verschiedenen Bereichen, einschließlich Elektroautos.

 

Keramiklager ersetzen im Zeitalter elektrischer Antriebe zunehmend Stahlkugellager. Isolierte Kugellager aus Siliziumnitridkeramik kommen in den Modellen Xiaopeng P7, G9, Weilai ET7 und anderen Fahrzeugen zum Einsatz. Beispielsweise sind in der Abtriebswelle des Tesla-Motors Keramiklager, Hybridkeramiklager von NSK und Lagerkugeln aus 50 Siliziumnitridkugeln verbaut.

Heißisostatisches Pressen (HIP) und Gasdruck Sintern (GPS) sind die beiden gängigsten Vorbereitungstechniken für das Sintern von Siliziumnitrid-Keramikkugeln. Diese beiden Methoden ergeben Keramikkugeln, die in vielen Bereichen eingesetzt werden. HIP-Siliziumnitrid bietet bessere mechanische Eigenschaften und eine längere Lebensdauer als GPS-Siliziumnitrid.

Derzeit kontrollieren namhafte ausländische Firmen weiterhin den internationalen Marktanteil und entwickelnPmRichtung, während japanische, europäische und amerikanische Unternehmen weiterhin die Herstellung hochwertiger Keramiklagerprodukte dominieren. 2015 wurde in meinem Land die National Materials High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd. gegründet.

hat die Technologie zur Massenproduktion heißisostatisch gepresster Siliziumnitrid-Keramikkugeln deutlich weiterentwickelt und ist damit das erste Unternehmen in China, das diese Materialien in Massenproduktion herstellt, und das dritte Unternehmen insgesamt nach Toshiba in Japan und Kustec in den USA. Zu den Ländern, in die die Produkte des Unternehmens geliefert werden, gehören SKF in Schweden, Timken in den USA, GMN in Deutschland und Forsa in Spanien. Darüber hinaus verwenden Sinoceramic Jinsheng und andere Unternehmen vergleichbare Verfahren zur Herstellung von Siliziumnitrid-Lagerkugeln mit einer Biegefestigkeit von 1000 MPa.

 

 

02 Siliziumnitrid-Keramiksubstrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit

Siliziumnitrid-Keramiksubstrate werden hauptsächlich in Antriebseinheiten, Halbleiterbauelementen und Wechselrichtern von reinen Elektrofahrzeugen (EV) und Hybridelektrofahrzeugen (HEV) verwendet und verfügen über ein enormes Marktpotenzial und große Anwendungsaussichten.

Für die kommerzielle Nutzung von Siliziumnitrid-Keramiksubstraten mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind derzeit eine Biegefestigkeit von 650 MPa, eine Bruchzähigkeit von 5–7 MPa·m1/2 und eine Wärmeleitfähigkeit von 85 W/(m·K) erforderlich. Die Toshiba Group, Hitachi Metals, Nippon Electric Chemical, Maruwa und Nippon Fine Ceramics sind die wichtigsten Unternehmen, die Siliziumnitrid-Keramiksubstrate mit hoher Wärmeleitfähigkeit in Massenproduktion herstellen können.

 

Darüber hinaus wurden in der inländischen Forschung zu Siliziumnitrid-Keramiksubstratmaterialien einige Fortschritte erzielt. Durch Optimierung der Sintermethode und des Sinterprozesses gelang es dem Beijing Sinoma Artificial Crystal Research Institute Co., Ltd., ein Siliziumnitrid-Keramiksubstrat mit einer Biegefestigkeit von 700–800 MPa, einer Bruchzähigkeit von ≥ 8 MPa·m² und einer Wärmeleitfähigkeit von ≥ 80 W/(m·K) herzustellen. Das von der Pekinger Niederlassung der Sinoma High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd. im Foliengussverfahren hergestellte Siliziumnitrid-Keramiksubstrat weist eine Wärmeleitfähigkeit von 100 W/(m·K) auf.

 

Elektrofahrzeuge werden aufgrund der wachsenden Beliebtheit von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben und der Entwicklung künstlicher Intelligenz (KI) immer intelligenter. Automobilhersteller zeigen zudem Interesse an verschiedenen Keramikmaterialien, darunter Lidar-Dichtungsmaterialien, Carbon-Keramik-Bremsen, MLCCs mit hoher Kapazität, keramische Wärmeleitmaterialien usw.

 

Herstellung von Halbleitern

In der Halbleiterindustrie gilt das Industriegesetz „Eine Technologiegeneration, eine Prozessgeneration, eine Gerätegeneration“. Fortschritte in der Präzisionsteiletechnologie sind entscheidend für die Modernisierung und Weiterentwicklung von Halbleitergeräten. Präzisionskeramikteile sind die typischsten Materialien für Halbleiterpräzisionsteile. Sie werden in zahlreichen wichtigen Prozessen der Halbleiterherstellung eingesetzt, darunter Ätzen, chemische Gasphasenabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung und Ionenimplantation. Sie kommen beispielsweise in mechanischen Handhabungsarmen, elektrostatischen Spannfuttern, Linern, Führungsschienen und Lagern zum Einsatz. Sie dienen der Stabilisierung, Abwehr und Ablenkung, insbesondere im Gerätehohlraum.

 

Produktion von Halbleitern In der Halbleiterindustrie gilt das Industriegesetz „eine Technologiegeneration, eine Prozessgeneration, eine Gerätegeneration“. Verbesserungen in der Präzisionsteiletechnologie sind für die Modernisierung und Iteration von Halbleitermaschinen von entscheidender Bedeutung. Von allen für Halbleiterpräzisionsteile verwendeten Materialien sind Präzisionskeramikteile am repräsentativsten. Sie werden unter anderem beim Ätzen, bei der chemischen und physikalischen Gasphasenabscheidung sowie bei der Ionenimplantation eingesetzt, beispielsweise in Lagern, Auskleidungen, Führungsschienen, elektrostatischen Spannfuttern und mechanischen Handhabungsarmen, um nur einige zu nennen. Sie dienen der Ablenkung, Verteidigung und Stabilisierung, insbesondere im Gerätehohlraum.

 

 

Energiespar- und Umweltschutzindustrie

Unter der Führung der nationalen „Dual-Carbon“-Politik entwickeln sich alle Branchen schrittweise in Richtung Energieeinsparung, Kohlenstoffreduzierung, Verringerung der Umweltverschmutzung und Effizienzsteigerung. Vor diesem Hintergrund ist die Keramikindustrie mit dem Druck des Energieverbrauchs und des Umweltschutzes konfrontiert, bietet aber auch neue Entwicklungsmöglichkeiten für keramische Materialien.

 

 

01 Keramikmembran

Um die herkömmliche Filtrationstrenntechnologie zu ersetzen, wird die Membrantrenntechnologie mit Keramikmembranen als Kern derzeit hauptsächlich als hocheffizientes Trennverfahren in der Prozessindustrie und in speziellen Wasseraufbereitungsbereichen zur Filtrationstrennung, Konzentration und Reinigung sowie Reinigung und Entfernung von Verunreinigungen eingesetzt.

Keramische Flachmembran

Mithilfe von Hochleistungs-Keramik-Flachmembranen können Flüssigkeiten in komplexen Umgebungen gefiltert, getrennt und gereinigt werden. Zu ihren Eigenschaften zählen hohe Temperatur- und Druckbeständigkeit, hohe chemische Stabilität, hohe Filtereffizienz, hohe Zuverlässigkeit, niedrige Betriebs- und Wartungskosten, lange Lebensdauer und Umweltfreundlichkeit über den gesamten Lebenszyklus. Die Membranen werden in den Bereichen kommunale Abwasserbehandlung, dezentrale Wasseraufbereitung, Schwarz- und Geruchswasseraufbereitung, Wiederverwendung von aufbereitetem Wasser und Abwasserbehandlung in Industrieparks häufig eingesetzt und gefördert. Sie stellen die wichtigste Entwicklungsrichtung im Bereich der internationalen Hochleistungs-Keramik-Trennmembranen dar und bieten vielfältige Marktaussichten.

Neben der Wasseraufbereitung steht in meinem Land auch die Bekämpfung der Luftverschmutzung an. Der umweltfreundliche Nano-Denitrifikationskatalysator aus Seltenerdmetalloxid wird auf ein Membranmaterial aus Keramikfaserverbundwerkstoff als Trägerkörper aufgebracht, um die Hochtemperatur-Fasermembran zur Denitrifikation und Staubentfernung zu erzeugen, ein Filterelement mit integrierten Denitrifikations- und Staubentfernungsfunktionen, das eine direkte Reinigung des Gases unter Hochtemperaturbedingungen ermöglicht.

 

 

02 Aerogel

Die umfassende Entwicklung von Aerogel, einem hochisolierenden Material mit umweltfreundlichen und kohlenstoffarmen Technologien, hat ein bisher ungeahntes Wachstumspotenzial für den Aerogel-Sektor geschaffen. Es wird erwartet, dass die neue Aerogel-Technologie mit dem Wachstum der umweltfreundlichen Fertigung integriert wird, um im Einklang mit dem Trend zu einer schnelleren Entwicklung der grünen Industrien weitere neue Produktanwendungen zu schaffen.

 

Aerogel zeichnet sich durch eine extrem geringe Dichte, eine extrem hohe Porosität, einen niedrigen Brechungsindex, eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe akustische Impedanz aus und bietet weitere Eigenschaften, die herkömmliche Feststoffe nicht aufweisen. Diese Eigenschaften eröffnen hervorragende Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Wärmedämmung, Biomedizin, Schalldämmung, Adsorption usw., und das Marktnachfragepotenzial ist enorm.

 

 

Industrie der Biomedizin

Mit der gesellschaftlichen Entwicklung und der Verbesserung der Lebensqualität werden immer mehr künstliche Implantate und Organe in therapeutischen Bereichen eingesetzt. In meinem Land werden Metalle wie Edelstahl und Kobaltlegierungen aufgrund ihrer überlegenen mechanischen und kontrollierbaren Eigenschaften seit langem für orthopädische Heilung und Reparatur eingesetzt. Allerdings mangelt es ihnen an Biokompatibilität. Daher wachsen Markt und Forschung für gesündere und verträglichere Beschichtungsmaterialien oder Biokeramiken rasant.

Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Bruchzähigkeit und Verschleißfestigkeit werden biomedizinische Keramiken wie Al2O3, ZrO2, ZTA, Si3N4 und verwandte Verbundkeramiken häufig in chirurgischen Tragprothesen, Zahnimplantaten, Knochenersatz usw. eingesetzt. Zirkonoxid wird aufgrund seiner guten Leistung und Ästhetik häufig in Zahnrestaurationsmaterialien verwendet, seine Festigkeit verdankt es jedoch der Glaskeramik. Siliziumnitrid vereint bakterizide und selbstschmierende Eigenschaften und bietet als Implantat eine langfristig stabile biologische Stabilität.

Im Jahr 2022 wird der weltweite Markt für medizinische Keramikmaterialien voraussichtlich rund 15 Milliarden US-Dollar betragen. In China wird der Markt für medizinische Keramikmaterialien im Jahr 2022 voraussichtlich rund 4,5 Milliarden US-Dollar wert sein. Aluminiumoxidkeramiken machen den größten Anteil (ca. 60 %) aus. Siliziumnitridkeramiken werden für orthopädische Implantate verwendet, während Zirkonoxidkeramiken vor allem in der Zahnmedizin zum Einsatz kommen.

 

 

Der Luft- und Raumfahrtsektor

Keramik zeichnet sich durch ihre außergewöhnliche Leistung in einer Vielzahl anspruchsvoller Anwendungssituationen aus. Die Militär- und die Luft- und Raumfahrtindustrie sind zwei der beliebtesten Anwendungsmärkte für Hochleistungskeramik. „Hohe Temperaturbeständigkeit“ und „Tarnkappe“ sind die beiden wichtigsten Keramikentwicklungsbereiche in der Luft- und Raumfahrtindustrie.

 

Die neue Generation militärischer Flugzeugtriebwerke benötigt zunehmend neue hochtemperaturbeständige Strukturwerkstoffe, da das Potenzial von Einkristallen, Wärmedämmschichten und aktiver Luftkühlung allmählich erschöpft ist. SiC/SiC-CMC hat sich als eine der besten Optionen für hochtemperaturbeständige Strukturwerkstoffe herauskristallisiert. SiC/SiC-CMC wird zu einem großen Teil durch Siliziumkarbidfasern verstärkt und gehärtet. Der wichtigste Rohstoff für SiC/SiC-CMC ist Siliziumkarbidfaser, die eine Temperaturbeständigkeit von über 1200 °C aufweist und im Rahmen eines Forschungswettbewerbs die Aufmerksamkeit führender Luftfahrtunternehmen auf sich gezogen hat.

 

 

Absorbierende Materialien bestehen typischerweise aus einem absorbierenden Medium (Absorbent) und einem Matrixmaterial (auch Bindemittel genannt) und gehören zu den wichtigsten Tarnmaterialien. Siliziumkarbid ist der Hauptbestandteil von mehrbandigen absorbierenden Keramikmaterialien; anorganische Keramik-Nanopartikel und anorganische Polymermaterialien bilden zusammen keramische Infrarot-Tarnmaterialien, eine Art Beschichtung. Um eine effektive breitbandige Absorption elektromagnetischer Wellen zu erreichen, werden anorganische Keramik-Nanopartikel gleichmäßig in einer anorganischen Polymermatrix verteilt und sorgfältig kontrolliert.