پنج صنعت اصلی برای توسعه آینده محصولات سرامیکی

صنعت خودروهای برقی

 

طبق جدیدترین آمار انجمن تولیدکنندگان خودرو چین، چین بین ژانویه و نوامبر به ترتیب ۶.۲۵۳ میلیون و ۶.۰۶۷ میلیون دستگاه خودرو با انرژی نو تولید و فروخته است که نسبت به سال گذشته حدود ۱۰۰ درصد افزایش داشته و ۲۵ درصد سهم بازار را به خود اختصاص داده است. در کنار رشد تولید و فروش که در این مدت بسیار بیشتر از بازار بوده است، نفوذ خودروهای انرژی نو از ۳۶ درصد فراتر رفته و همچنان در حال افزایش است. فناوری خودروهای برقی دائماً در حال تکامل است که جایگزینی طرح‌ها و مواد قطعات آن را تسریع کرده است. استفاده از خودروهای برقی با انرژی نو، فناوری‌های پیشرفته را به طور کامل پذیرفته است. مواد سرامیکی به دلیل مزایای عملکردی منحصر به فردشان.

در میان آنها، ساچمه‌های یاتاقان نیترید سیلیکون HIP و زیرلایه‌های نیترید سیلیکون با رسانایی حرارتی بالا رایج هستند.

 

 

01 توپ‌های HIP برای یاتاقان‌های سیلیکون نیترید

یاتاقان‌های موتوری برای وسایل نقلیه با انرژی جدید به دلیل سرعت چرخش بالاتر در مقایسه با یاتاقان‌های استاندارد، به چگالی کمتر و مواد نسبتاً مقاوم در برابر سایش بیشتری نیاز دارند. در یاتاقان‌های سرامیکی نیترید سیلیکون، ساچمه‌ها گرما و اصطکاک کمتری در سیستم یاتاقان تولید می‌کنند. به طور خاص، نیترید سیلیکون یک عایق الکتریکی طبیعی است که می‌تواند از خوردگی الکتریکی ناشی از تخلیه یاتاقان جلوگیری کند، عمر روان‌کننده‌ها و یاتاقان‌ها را افزایش دهد و در نهایت باعث خرابی یاتاقان شود. این ماده برای استفاده در بخش‌های مختلف، از جمله خودروهای برقی، ایده‌آل است.

 

یاتاقان‌های سرامیکی در عصر درایوهای الکتریکی به طور فزاینده‌ای جایگزین یاتاقان‌های ساچمه‌ای فولادی می‌شوند. یاتاقان‌های عایق ساچمه‌ای سرامیکی سیلیکون نیترید در مدل‌های داخلی Xiaopeng P7، G9، Weilai ET7 و سایر مدل‌ها استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، شفت خروجی موتور مورد استفاده تسلا از یاتاقان‌های سرامیکی، یاتاقان‌های سرامیکی هیبریدی طراحی شده توسط NSK و ساچمه‌ای‌های ساخته شده از 50 ساچمه‌ای سیلیکون نیترید استفاده می‌کند.

پرس ایزواستاتیک گرم (HIP) و فشار گاز پخت (GPS) دو تکنیک آماده‌سازی محبوب برای تف‌جوشی گلوله‌های سرامیکی نیترید سیلیکون هستند. این دو روش، گلوله‌های سرامیکی تولید می‌کنند که اغلب در بسیاری از محیط‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. نیترید سیلیکون HIP کیفیت مکانیکی برتر و عمر خستگی طولانی‌تری نسبت به نیترید سیلیکون GPS ارائه می‌دهد.

در حال حاضر، شرکت‌های خارجی شناخته‌شده همچنان سهم بازار بین‌المللی را کنترل می‌کنند و در حال توسعه هستند.بعد از ظهردر حالی که شرکت‌های ژاپنی، اروپایی و آمریکایی همچنان بر تولید کالاهای بلبرینگ سرامیکی مرغوب تسلط دارند، در سال ۲۰۱۵ شاهد تأسیس شرکت سرامیک‌های نیتریدی با فناوری پیشرفته ملی مواد در کشورم بودم.

پیشرفت قابل توجهی در فناوری تولید انبوه گلوله‌های سرامیکی نیترید سیلیکون فشرده شده به روش ایزواستاتیک داغ ایجاد کرد و آن را به اولین شرکت در چین تبدیل کرد که تولید انبوه این مواد را آغاز کرد و سومین شرکت در کل، پس از توشیبا در ژاپن و کوستک در ایالات متحده است. SKF در سوئد، تیمکن در ایالات متحده، GMN در آلمان و فورسا در اسپانیا از جمله کشورهایی هستند که محصولات آن به آنها ارسال می‌شود. علاوه بر این، روش‌های مشابهی توسط Sinoceramic Jinsheng و دیگران برای ایجاد گلوله‌های یاتاقان نیترید سیلیکون با استحکام خمشی 1000 مگاپاسکال استفاده می‌شود.

 

 

02 بستر سرامیکی نیترید سیلیکون با رسانایی حرارتی بالا

زیرلایه‌های سرامیکی نیترید سیلیکون عمدتاً در واحدهای قدرت، دستگاه‌های نیمه‌هادی و اینورترهای وسایل نقلیه الکتریکی خالص (EV) و وسایل نقلیه الکتریکی هیبریدی (HEV) استفاده می‌شوند و پتانسیل بازار و چشم‌انداز کاربرد زیادی دارند.

در حال حاضر، برای استفاده تجاری از مواد زیرلایه سرامیکی نیترید سیلیکون با رسانایی حرارتی بالا، استحکام خمشی 650 مگاپاسکال، چقرمگی شکست 5-7 مگاپاسکال بر متر مکعب و رسانایی حرارتی 85 وات بر (متر مکعب بر کلوین) مورد نیاز است. گروه توشیبا، هیتاچی متالز، نیپون الکتریک کمیکال، مارووا و نیپون فاین سرامیکز شرکت‌های اصلی هستند که ظرفیت تولید انبوه زیرلایه‌های سرامیکی نیترید سیلیکون با رسانایی حرارتی بالا را دارند.

 

علاوه بر این، پیشرفت‌هایی در تحقیقات داخلی در مورد مواد زیرلایه سرامیکی نیترید سیلیکون حاصل شده است. با بهینه‌سازی روش و فرآیند پخت، شرکت پکن سینوما مصنوعی کریستال تحقیقاتی با موفقیت یک زیرلایه سرامیکی نیترید سیلیکون با مقاومت خمشی ۷۰۰-۸۰۰ مگاپاسکال، چقرمگی شکست ≥۸MPa·m1/2 و رسانایی حرارتی ≥۸۰W/(m·K) تهیه کرده است. زیرلایه سرامیکی نیترید سیلیکون تولید شده توسط شعبه پکن شرکت سینوما هایتک نیترید سرامیکز با استفاده از فرآیند ریخته‌گری نواری، رسانایی حرارتی ۱۰۰ W/(m·K) دارد.

 

در حال حاضر، به دلیل محبوبیت روزافزون خودروهای انرژی جدید و توسعه هوش مصنوعی (AI)، خودروهای الکتریکی به سمت هوشمند شدن پیش می‌روند. تولیدکنندگان خودرو همچنین به انواع مواد سرامیکی، از جمله مواد بسته‌بندی لیدار، ترمزهای سرامیکی کربنی، MLCC با ظرفیت بالا، مواد رسانای حرارتی سرامیکی و غیره، علاقه نشان داده‌اند.

 

تولید نیمه‌رساناها

قانون صنعتی «یک نسل از فناوری، یک نسل از فرآیند، یک نسل از تجهیزات» بر صنعت نیمه‌رسانا حاکم است و پیشرفت در فناوری قطعات دقیق برای نوسازی و تکرار تجهیزات نیمه‌رسانا بسیار مهم است. قطعات سرامیکی دقیق، نماینده‌ترین مواد برای قطعات دقیق نیمه‌رسانا در میان آنها هستند. آنها در تعدادی از فرآیندهای کلیدی تولید نیمه‌رسانا، از جمله حکاکی، رسوب بخار شیمیایی، رسوب بخار فیزیکی و کاشت یون، مانند بازوهای جابجایی مکانیکی، سه نظام‌های الکترواستاتیک، آسترها، ریل‌های راهنما و یاتاقان‌ها و موارد دیگر استفاده می‌شوند. این ماده نقش تثبیت، دفاع و حواس‌پرتی را به ویژه در حفره تجهیزات ایفا می‌کند.

 

تولید نیمه‌هادی‌ها صنعت نیمه‌هادی تحت قانون صنعتی "یک نسل از فناوری، یک نسل از فرآیند، یک نسل از تجهیزات" اداره می‌شود و پیشرفت در فناوری قطعات دقیق برای نوسازی و تکرار ماشین‌آلات نیمه‌هادی ضروری است. از بین تمام موادی که برای قطعات دقیق نیمه‌هادی استفاده می‌شوند، قطعات سرامیکی دقیق بیشترین نماینده را دارند. آنها در حکاکی، رسوب بخار شیمیایی، رسوب بخار فیزیکی و کاشت یون، در میان سایر روش‌های مهم تولید نیمه‌هادی، مانند یاتاقان‌ها، آسترها، ریل‌های راهنما، سه نظام‌های الکترواستاتیک و بازوهای جابجایی مکانیکی، به کار می‌روند. این ماده به عنوان انحراف، دفاع و تثبیت، به ویژه در داخل حفره تجهیزات عمل می‌کند.

 

 

صنعت صرفه‌جویی در مصرف انرژی و حفاظت از محیط زیست

تحت هدایت سیاست ملی "کربن دوگانه"، تمام صنایع به تدریج در جهت صرفه‌جویی در انرژی، کاهش کربن، کاهش آلودگی و بهبود بهره‌وری در حال توسعه هستند. در این زمینه، صنعت سرامیک با فشارهای مصرف انرژی و حفاظت از محیط زیست روبرو است، اما این امر فرصت‌های توسعه جدیدی را نیز برای مواد سرامیکی به ارمغان می‌آورد.

 

 

01 غشای سرامیکی

به منظور جایگزینی فناوری جداسازی فیلتراسیون مرسوم، فناوری جداسازی غشایی با غشای سرامیکی در هسته خود، در حال حاضر عمدتاً به عنوان یک فرآیند جداسازی با راندمان بالا در صنعت فرآوری و زمینه‌های ویژه تصفیه آب برای جداسازی فیلتراسیون، تغلیظ و خالص‌سازی، و خالص‌سازی و حذف ناخالصی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

غشای تخت سرامیکی

در میان آنها، سیالات در محیط‌های پیچیده را می‌توان با استفاده از غشاهای تخت سرامیکی با کارایی بالا فیلتر، جداسازی و خالص‌سازی کرد. مقاومت بالا در برابر دما و فشار، پایداری شیمیایی قوی، راندمان بالای فیلتراسیون، قابلیت اطمینان خوب، هزینه‌های عملیاتی و نگهداری پایین، طول عمر طولانی و سازگاری با محیط زیست در طول چرخه عمر، از جمله ویژگی‌های آنهاست. این غشاها به طور گسترده در زمینه‌های فاضلاب شهری، تصفیه آب توزیع‌شده، تصفیه آب سیاه و بودار، استفاده مجدد از آب بازیافتی و تصفیه فاضلاب شهرک‌های صنعتی مورد استفاده و ترویج قرار گرفته‌اند. این غشاها، جهت‌گیری اصلی توسعه در زمینه غشاهای جداسازی سرامیکی با کارایی بالا در سطح بین‌المللی هستند و طیف وسیعی از چشم‌اندازهای بازار را در بر می‌گیرند.

در کنار تصفیه آب، مدیریت آلودگی هوا در کشور من نیز در افق دیده می‌شود. کاتالیزور نانو نیترات‌زدایی سیستم اکسید فلزات خاکی کمیاب سازگار با محیط زیست، به عنوان بدنه پشتیبان، بر روی ماده غشای کامپوزیتی الیاف سرامیکی بارگذاری می‌شود تا غشای الیافی دمای بالا را برای نیترات‌زدایی و حذف گرد و غبار ایجاد کند، یک عنصر فیلتر با عملکردهای نیترات‌زدایی و حذف گرد و غبار یکپارچه که می‌تواند تصفیه مستقیم گاز را در شرایط دمای بالا انجام دهد.

 

 

02 آئروژل

توسعه گسترده و سبز و کم‌کربن آئروژل، یک ماده فوق عایق، پتانسیل بی‌سابقه‌ای را برای رشد بخش آئروژل ایجاد کرده است. پیش‌بینی می‌شود فناوری جدید آئروژل با رشد تولید سبز ادغام شود تا کاربردهای جدید بیشتری از محصولات مطابق با روند توسعه سریع‌تر صنایع سبز ایجاد شود.

 

آئروژل دارای چگالی بسیار کم، تخلخل فوق العاده بالا، ضریب شکست کم، رسانایی حرارتی کم، امپدانس صوتی کم و سایر ویژگی‌هایی است که مواد جامد عمومی ندارند. این ویژگی‌ها باعث می‌شود که چشم‌انداز کاربرد بسیار خوبی در زمینه‌های عایق حرارتی، زیست پزشکی، عایق صدا، جذب و غیره داشته باشد و پتانسیل تقاضای بازار آن بسیار زیاد است.

 

 

صنعت زیست پزشکی

با پیشرفت جامعه و بهبود زندگی مردم، ایمپلنت‌ها و اندام‌های مصنوعی بیشتری در محیط‌های درمانی مورد استفاده قرار خواهند گرفت. در کشور من، فلزاتی مانند فولاد ضد زنگ و آلیاژهای کبالت به دلیل ویژگی‌های مکانیکی و کنترلی برترشان، مدت‌هاست که برای درمان و ترمیم ارتوپدی مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این وجود، سازگاری زیستی آنها کم است. در نتیجه، بازار و تحقیقات برای مواد پوششی یا بیوسرامیک‌هایی که سالم‌تر و سازگارتر هستند، به سرعت در حال گسترش است.

به دلیل چقرمگی شکست و مقاومت سایشی استثنایی، سرامیک‌های زیست‌پزشکی مانند Al2O3، ZrO2، ZTA، Si3N4 و مواد سرامیکی کامپوزیتی مرتبط، اغلب در پروتزهای جراحی تحمل بار، ایمپلنت‌های دندانی، جایگزین‌های استخوان و غیره به کار می‌روند. اکسید زیرکونیوم به دلیل عملکرد خوب و زیبایی‌اش اغلب در مواد ترمیم دندان استفاده می‌شود، اما استحکام آن به دلیل سرامیک‌های شیشه‌ای است. در میان این مواد، نیترید سیلیکون اثر باکتری‌کشی و خواص خود روان‌کننده را با هم ترکیب می‌کند و ایمپلنت آن از پایداری بیولوژیکی طولانی‌مدت برخوردار است.

پیش‌بینی می‌شود در سال ۲۰۲۲، حجم بازار جهانی مواد سرامیکی پزشکی حدود ۱۵ میلیارد دلار آمریکا باشد. در سال ۲۰۲۲، انتظار می‌رود بازار مواد سرامیکی پزشکی در چین تقریباً ۴.۵ میلیارد دلار آمریکا ارزش داشته باشد. از این میان، سرامیک‌های آلومینا اکثریت (حدود ۶۰٪) را تشکیل می‌دهند. سرامیک‌های نیترید سیلیکون برای ایمپلنت‌های ارتوپدی استفاده می‌شوند، در حالی که سرامیک‌های زیرکونیا در درجه اول در دندانپزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

 

بخش هوافضا

سرامیک‌ها به طور مداوم به خاطر عملکرد استثنایی خود در شرایط سخت و دشوار، متمایز هستند. صنایع نظامی و هوافضا دو مورد از محبوب‌ترین بازارهای کاربردی برای سرامیک‌های پیشرفته هستند. «مقاومت در برابر دمای بالا» و «خفا» دو خط اصلی توسعه سرامیک در صنعت هوافضا هستند.

 

نسل جدید موتورهای هوانوردی نظامی نیاز فزاینده‌ای به مواد ساختاری جدید مقاوم در برابر دمای بالا دارند، زیرا پتانسیل تک بلورها، پوشش‌های سد حرارتی و خنک‌کننده هوای فعال به تدریج در حال کاهش است. SiC/SiC-CMC به عنوان یکی از گزینه‌های برتر برای مواد ساختاری مقاوم در برابر دمای بالا ظهور کرده است. SiC/SiC-CMC تا حد زیادی توسط الیاف کاربید سیلیکون تقویت و چقرمه می‌شود. مهمترین ماده اولیه برای SiC/SiC-CMC، الیاف کاربید سیلیکون است که مقاومت دمایی بالای 1200 درجه سانتیگراد دارد و توجه قدرت‌های هوانوردی را در یک رقابت تحقیقاتی به خود جلب کرده است.

 

 

مواد جاذب که معمولاً از یک محیط جاذب (جاذب) و یک ماده ماتریسی (که گاهی اوقات به عنوان چسب شناخته می‌شود) تشکیل شده‌اند، از جمله مهم‌ترین مواد نامرئی هستند. کاربید سیلیکون ماده اصلی مورد استفاده برای ایجاد مواد سرامیکی جاذب چند باندی است؛ نانوذرات سرامیکی معدنی و مواد پلیمری معدنی با هم ترکیب می‌شوند تا مواد نامرئی مادون قرمز سرامیکی، نوعی پوشش، را تشکیل دهند. به منظور تولید جذب مؤثر موج الکترومغناطیسی با پهنای باند وسیع، نانوذرات سرامیکی معدنی به طور یکنواخت در یک ماتریس پلیمری معدنی پراکنده شده و با دقت کنترل می‌شوند.