Cinq industries majeures pour le développement futur des produits céramiques

Industrie des véhicules électriques

 

Entre janvier et novembre, la Chine a produit et vendu respectivement 6,253 millions et 6,067 millions de véhicules à énergies nouvelles, soit une hausse d'environ 100 % sur un an, avec une part de marché de 25 %, selon les derniers chiffres de l'Association chinoise des constructeurs automobiles. Parallèlement à une croissance de la production et des ventes largement supérieure à celle du marché pendant cette période, la pénétration des véhicules à énergies nouvelles a dépassé les 36 % et continue de progresser. La technologie des véhicules électriques est en constante évolution, ce qui a accéléré le remplacement de leurs composants et de leurs matériaux. L'utilisation de véhicules électriques à énergies nouvelles a pleinement intégré les technologies de pointe. Matériaux céramiques en raison de leurs avantages de performance uniques.

Parmi eux, les billes de roulement en nitrure de silicium HIP et les substrats en nitrure de silicium à haute conductivité thermique sont prédominants.

 

 

01 Billes HIP pour roulements en nitrure de silicium

Les roulements de moteur des véhicules à énergies nouvelles nécessitent une densité plus faible et des matériaux comparativement plus résistants à l'usure en raison de leurs vitesses de rotation plus élevées que celles des roulements standard. Dans les roulements en céramique au nitrure de silicium, les billes produisent moins de chaleur et de frottements au sein du système de roulement. Plus précisément, le nitrure de silicium est un isolant électrique naturel qui peut prévenir la corrosion électrique due à la décharge des roulements, prolonger la durée de vie des lubrifiants et des roulements, et, à terme, provoquer leur défaillance. Il est idéal pour une utilisation dans divers secteurs, notamment celui des voitures électriques.

 

À l'ère des moteurs électriques, les roulements en céramique remplacent de plus en plus les roulements à billes en acier. Des roulements isolés à billes en céramique nitrure de silicium sont utilisés dans les modèles Xiaopeng P7, G9, Weilai ET7 et d'autres modèles. Par exemple, l'arbre de sortie du moteur Tesla utilise des roulements en céramique, des roulements hybrides en céramique conçus par NSK et des billes composées de 50 billes en nitrure de silicium.

Pressage isostatique à chaud (HIP) et pression de gaz Frittage Le frittage par injection directe (HIP) (GPS) est l'une des deux techniques de préparation les plus répandues pour le frittage de billes de céramique en nitrure de silicium. Ces deux méthodes produisent des billes de céramique fréquemment utilisées dans de nombreux contextes. Le nitrure de silicium HIP offre des qualités mécaniques supérieures et une résistance à la fatigue supérieure à celle du nitrure de silicium GPS.

Actuellement, les entreprises étrangères renommées continuent de contrôler la part du marché international et de se développer.PMdirection, tandis que les sociétés japonaises, européennes et américaines continuent de dominer la fabrication de produits de roulement en céramique haut de gamme. 2015 a vu la création de National Materials High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd. dans mon pays.

a réalisé une avancée significative dans la technologie de production en série de billes en céramique de nitrure de silicium pressées isostatiquement à chaud, devenant ainsi la première entreprise chinoise à mettre en place une production de masse de ces matériaux et la troisième au classement général, derrière Toshiba au Japon et Kustec aux États-Unis. SKF en Suède, Timken aux États-Unis, GMN en Allemagne et Forsa en Espagne comptent parmi les pays vers lesquels ses produits sont expédiés. De plus, Sinoceramic Jinsheng et d'autres entreprises utilisent des méthodes comparables pour fabriquer des billes de roulement en nitrure de silicium d'une résistance à la flexion de 1 000 MPa.

 

 

02 Substrat en céramique de nitrure de silicium à haute conductivité thermique

Les substrats en céramique de nitrure de silicium sont principalement utilisés dans les unités de puissance, les dispositifs semi-conducteurs et les onduleurs des véhicules électriques purs (VE) et des véhicules électriques hybrides (VEH), et présentent un énorme potentiel de marché et des perspectives d'application.

Actuellement, une résistance à la flexion de 650 MPa, une ténacité à la rupture de 5 à 7 MPa·m² et une conductivité thermique de 85 W/(m·K) sont requises pour l'utilisation commerciale de substrats céramiques en nitrure de silicium à haute conductivité thermique. Le groupe Toshiba, Hitachi Metals, Nippon Electric Chemical, Maruwa et Nippon Fine Ceramics sont les principales entreprises capables de produire en série des substrats céramiques en nitrure de silicium à haute conductivité thermique.

 

Par ailleurs, la recherche nationale sur les matériaux de substrat en céramique de nitrure de silicium a progressé. En optimisant la méthode et le procédé de frittage, Beijing Sinoma Artificial Crystal Research Institute Co., Ltd. a réussi à préparer un substrat en céramique de nitrure de silicium présentant une résistance à la flexion de 700 à 800 MPa, une ténacité à la rupture ≥ 8 MPa·m² et une conductivité thermique ≥ 80 W/(m·K). Le substrat en céramique de nitrure de silicium fabriqué par la succursale de Pékin de Sinoma High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd. selon le procédé de coulée en bande présente une conductivité thermique de 100 W/(m·K).

 

Les véhicules électriques se rapprochent actuellement de l'intelligence grâce à la popularité croissante des véhicules à énergies nouvelles et au développement de l'intelligence artificielle (IA). Les constructeurs automobiles s'intéressent également à divers matériaux céramiques, notamment les matériaux d'emballage lidar, les freins en carbone-céramique, les MLCC haute capacité et les matériaux céramiques thermoconducteurs.

 

Fabrication de semi-conducteurs

La loi industrielle « une génération de technologie, une génération de processus, une génération d'équipements » régit l'industrie des semi-conducteurs, et les avancées technologiques en matière de pièces de précision sont cruciales pour la modernisation et l'itération des équipements. Les pièces en céramique de précision sont les matériaux les plus représentatifs pour les pièces de précision des semi-conducteurs. Elles sont utilisées dans plusieurs procédés clés de fabrication de semi-conducteurs, notamment la gravure, le dépôt chimique en phase vapeur, le dépôt physique en phase vapeur et l'implantation ionique. Elles sont utilisées dans des composants tels que les bras de manutention mécaniques, les mandrins électrostatiques, les chemises, les rails de guidage et les roulements, entre autres. Elles assurent la stabilisation, la défense et la distraction, notamment dans la cavité de l'équipement.

 

Production de semi-conducteurs. L'industrie des semi-conducteurs est régie par la loi industrielle « une génération de technologie, une génération de processus, une génération d'équipements ». L'amélioration de la technologie des pièces de précision est essentielle à la modernisation et à l'itération des machines à semi-conducteurs. Parmi tous les matériaux utilisés pour les pièces de précision des semi-conducteurs, les pièces en céramique de précision sont les plus représentatives. Elles sont utilisées dans la gravure, le dépôt chimique en phase vapeur, le dépôt physique en phase vapeur et l'implantation ionique, entre autres procédés importants de fabrication de semi-conducteurs. Elles constituent des composants tels que les roulements, les chemises, les rails de guidage, les mandrins électrostatiques et les bras de manutention mécaniques, pour n'en citer que quelques-uns. Elles servent à la diversion, à la défense et à la stabilisation, notamment à l'intérieur de la cavité de l'équipement.

 

 

Industrie des économies d'énergie et de la protection de l'environnement

Sous l'impulsion de la politique nationale « double carbone », toutes les industries se développent progressivement vers les économies d'énergie, la réduction des émissions de carbone, la réduction de la pollution et l'amélioration de l'efficacité énergétique. Dans ce contexte, l'industrie céramique est confrontée à des pressions en matière de consommation d'énergie et de protection de l'environnement, mais elle offre également de nouvelles opportunités de développement pour les matériaux céramiques.

 

 

01 Membrane céramique

Afin de remplacer la technologie de séparation par filtration conventionnelle, la technologie de séparation par membrane avec une membrane céramique à sa base est actuellement principalement utilisée comme processus de séparation à haute efficacité dans l'industrie de transformation et les domaines spéciaux de traitement de l'eau pour la séparation par filtration, la concentration et la purification, ainsi que la purification et l'élimination des impuretés.

Membrane plate en céramique

Parmi ces membranes, les fluides en milieu complexe peuvent être filtrés, séparés et purifiés grâce à des membranes plates en céramique haute performance. Elles se distinguent par leur résistance élevée aux températures et aux pressions, leur excellente stabilité chimique, leur grande efficacité de filtration, leur fiabilité, leurs faibles coûts d'exploitation et de maintenance, leur durée de vie prolongée et leur respect de l'environnement tout au long de leur cycle de vie. Largement utilisées et promues dans les domaines des eaux usées municipales, du traitement des eaux distribuées, du traitement des eaux noires et odorantes, de la réutilisation des eaux usées et du traitement des eaux usées des parcs industriels, elles constituent l'axe de développement majeur des membranes de séparation en céramique haute performance à l'échelle internationale et offrent de vastes perspectives de marché.

Parallèlement au traitement de l'eau, la gestion de la pollution atmosphérique est également en cours dans mon pays. Un catalyseur de nano-dénitrification respectueux de l'environnement, composé d'un système d'oxydes de terres rares et de métaux, est chargé sur une membrane composite en fibres céramiques comme support pour créer une membrane en fibres haute température destinée à la dénitrification et au dépoussiérage. Cet élément filtrant intègre des fonctions de dénitrification et de dépoussiérage permettant une purification directe des gaz à haute température.

 

 

02 Aérogel

Le développement à grande échelle, écologique et bas carbone, de l'aérogel, un matériau super isolant, a créé un potentiel de croissance jusqu'alors inédit pour le secteur des aérogels. Cette nouvelle technologie devrait s'intégrer à la croissance de la fabrication verte afin de créer de nouvelles applications, en phase avec le développement accéléré des industries vertes.

 

L'aérogel présente une densité extrêmement faible, une porosité ultra-élevée, un faible indice de réfraction, une faible conductivité thermique et une faible impédance acoustique, ainsi que d'autres caractéristiques que les matériaux solides classiques ne possèdent pas. Ces caractéristiques lui offrent d'excellentes perspectives d'application dans les domaines de l'isolation thermique, de la biomédecine, de l'isolation acoustique, de l'adsorption, etc., et le potentiel de demande du marché est énorme.

 

 

Industrie de la biomédecine

De plus en plus d'implants et d'organes artificiels seront utilisés en milieu thérapeutique à mesure que la société évolue et que la vie des gens s'améliore. Dans mon pays, des métaux comme l'acier inoxydable et les alliages de cobalt sont utilisés depuis longtemps pour la guérison et la réparation orthopédiques en raison de leurs excellentes qualités mécaniques et de contrôle ; néanmoins, leur biocompatibilité laisse à désirer. Par conséquent, le marché et la recherche de matériaux de revêtement ou de biocéramiques plus sains et plus compatibles connaissent une croissance rapide.

Grâce à leur exceptionnelle ténacité à la fracture et à leur résistance à l'usure, les céramiques biomédicales comme Al₂O₃, ZrO₂, ZTA, Si₃N₄ et les matériaux céramiques composites apparentés sont fréquemment utilisées dans les prothèses chirurgicales, les implants dentaires, les substituts osseux, etc. L'oxyde de zirconium est fréquemment utilisé dans les matériaux de restauration dentaire en raison de ses excellentes performances et de son esthétique, mais sa résistance est due à la vitrocéramique. Parmi ces matériaux, le nitrure de silicium allie effet bactéricide et propriétés autolubrifiantes, et son implant présente une stabilité biologique stable à long terme.

En 2022, le marché mondial des céramiques médicales devrait atteindre environ 15 milliards de dollars américains. En Chine, le marché devrait atteindre environ 4,5 milliards de dollars américains. Les céramiques d'alumine représentent la majorité (environ 60 %) de ces matériaux. Les céramiques en nitrure de silicium sont utilisées pour les implants orthopédiques, tandis que les céramiques en zircone sont principalement utilisées en dentisterie.

 

 

Le secteur aérospatial

Les céramiques se distinguent constamment par leurs performances exceptionnelles dans diverses situations d'application difficiles. Les secteurs militaire et aérospatial comptent parmi les marchés d'application les plus prisés pour les céramiques avancées. La résistance aux hautes températures et la furtivité sont les deux principaux axes de développement des céramiques dans l'industrie aérospatiale.

 

La nouvelle génération de moteurs d'aviation militaire nécessite de plus en plus de nouveaux matériaux de structure résistants aux hautes températures, car le potentiel des monocristaux, des revêtements de barrière thermique et du refroidissement actif par air s'épuise progressivement. Le SiC/SiC-CMC s'est imposé comme l'une des meilleures options pour les matériaux de structure résistants aux hautes températures. Le SiC/SiC-CMC est renforcé et durci en grande partie par des fibres de carbure de silicium. La principale matière première pour le SiC/SiC-CMC est la fibre de carbure de silicium, qui présente une résistance à des températures supérieures à 1 200 °C et a attiré l'attention des acteurs de l'aéronautique lors d'un concours de recherche.

 

 

Généralement constitués d'un milieu absorbant (absorbant) et d'une matrice (parfois appelée liant), les matériaux absorbants comptent parmi les matériaux furtifs les plus essentiels. Le carbure de silicium est le principal ingrédient utilisé pour créer des matériaux céramiques absorbants multibandes ; des nanoparticules céramiques inorganiques et des matériaux polymères inorganiques se combinent pour former des matériaux céramiques furtifs infrarouges, une sorte de revêtement. Afin d'obtenir une absorption efficace des ondes électromagnétiques à large bande, les nanoparticules céramiques inorganiques sont uniformément dispersées dans une matrice polymère inorganique et soigneusement contrôlées.