Cinque grandi settori per lo sviluppo futuro dei prodotti ceramici

Industria dei veicoli elettrici

 

Secondo i dati più recenti dell'Associazione Cinese dei Produttori di Automobili, la Cina ha prodotto e venduto rispettivamente 6,253 milioni e 6,067 milioni di auto a nuova energia tra gennaio e novembre, con un aumento di circa il 100% su base annua e una quota di mercato del 25%. Oltre a una crescita della produzione e delle vendite che ha superato di gran lunga quella del mercato in quel periodo, la penetrazione dei veicoli a nuova energia ha superato il 36% e continua a crescere. La tecnologia dei veicoli elettrici è in continua evoluzione, il che ha accelerato la sostituzione dei suoi componenti e dei materiali. L'uso di veicoli elettrici a nuova energia ha pienamente abbracciato tecnologie avanzate. Materiali ceramici grazie ai loro esclusivi vantaggi in termini di prestazioni.

Tra questi, sono prevalenti le sfere per cuscinetti in nitruro di silicio HIP e i substrati in nitruro di silicio ad alta conduttività termica.

 

 

01 Sfere HIP per cuscinetti in nitruro di silicio

I cuscinetti motore per veicoli a nuova energia richiedono materiali a densità inferiore e relativamente più resistenti all'usura a causa delle loro velocità di rotazione più elevate rispetto ai cuscinetti standard. Nei cuscinetti ceramici in nitruro di silicio, le sfere producono meno calore e attrito all'interno del sistema di cuscinetti. In particolare, il nitruro di silicio è un isolante elettrico naturale che può prevenire la corrosione elettrica dovuta alle scariche elettriche dei cuscinetti, prolungare la durata di lubrificanti e cuscinetti e, infine, causare guasti ai cuscinetti. È ideale per l'utilizzo in diversi settori, tra cui le auto elettriche.

 

I cuscinetti in ceramica stanno sostituendo sempre più i cuscinetti a sfere in acciaio nell'era dei motori elettrici. I cuscinetti a sfere in ceramica isolati in nitruro di silicio sono utilizzati nei modelli domestici Xiaopeng P7, G9, Weilai ET7 e altri. Ad esempio, l'albero di uscita del motore utilizzato da Tesla impiega cuscinetti in ceramica, cuscinetti in ceramica ibridi progettati da NSK e sfere per cuscinetti realizzate con 50 sfere in nitruro di silicio.

Pressatura isostatica a caldo (HIP) e pressione del gas Sinterizzazione (GPS) sono le due tecniche preparatorie più diffuse per la sinterizzazione di sfere ceramiche in nitruro di silicio. Questi due metodi producono sfere ceramiche che vengono frequentemente utilizzate in molti contesti. Il nitruro di silicio HIP offre qualità meccaniche superiori e una maggiore resistenza alla fatica rispetto al nitruro di silicio GPS.

Attualmente, le aziende straniere più note continuano a controllare la quota di mercato internazionale e a svilupparsiPomeriggiodirezione opposta, mentre le aziende giapponesi, europee e americane continuano a dominare la produzione di cuscinetti in ceramica di alta gamma. Nel 2015 è stata fondata nel mio Paese la National Materials High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd.

ha compiuto un significativo passo avanti nella tecnologia per la produzione in serie di sfere ceramiche in nitruro di silicio pressate isostaticamente a caldo, diventando la prima azienda in Cina a lanciare la produzione in serie di questi materiali e la terza in assoluto, dopo Toshiba in Giappone e Kustec negli Stati Uniti. SKF in Svezia, Timken negli Stati Uniti, GMN in Germania e Forsa in Spagna sono tra i paesi in cui vengono spediti i suoi prodotti. Inoltre, metodi analoghi vengono utilizzati da Sinoceramic Jinsheng e altri per creare sfere per cuscinetti in nitruro di silicio con una resistenza alla flessione di 1000 MPa.

 

 

02 Substrato ceramico in nitruro di silicio ad alta conduttività termica

I substrati ceramici di nitruro di silicio sono utilizzati principalmente nelle unità di potenza, nei dispositivi a semiconduttore e negli inverter dei veicoli elettrici puri (EV) e dei veicoli elettrici ibridi (HEV) e presentano un enorme potenziale di mercato e prospettive applicative.

Attualmente, per l'uso commerciale di substrati ceramici in nitruro di silicio ad alta conduttività termica, sono richiesti una resistenza alla flessione di 650 MPa, una tenacità alla frattura di 5-7 MPa·m½ e una conduttività termica di 85 W/(m·K). Il Gruppo Toshiba, Hitachi Metals, Nippon Electric Chemical, Maruwa e Nippon Fine Ceramics sono le principali aziende in grado di produrre in serie substrati ceramici in nitruro di silicio ad alta conduttività termica.

 

Inoltre, si sono registrati alcuni progressi nella ricerca nazionale sui materiali di substrato ceramico in nitruro di silicio. Ottimizzando il metodo e il processo di sinterizzazione, il Beijing Sinoma Artificial Crystal Research Institute Co., Ltd. ha preparato con successo un substrato ceramico in nitruro di silicio con una resistenza alla flessione di 700-800 MPa, una tenacità alla frattura ≥8 MPa·m½ e una conduttività termica ≥80 W/(m·K). Il substrato ceramico in nitruro di silicio prodotto dalla filiale di Pechino di Sinoma High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd. utilizzando il processo di colata su nastro ha una conduttività termica di 100 W/(m·K).

 

I veicoli elettrici si stanno avvicinando sempre di più all'intelligenza artificiale grazie alla crescente popolarità dei veicoli alimentati da nuove energie e allo sviluppo dell'intelligenza artificiale (IA). Le case automobilistiche hanno anche mostrato interesse per una varietà di materiali ceramici, tra cui materiali di riempimento per lidar, freni in carbonio-ceramica, MLCC ad alta capacità, materiali ceramici termoconduttivi, ecc.

 

Produzione di semiconduttori

La legge industriale di "una generazione di tecnologia, una generazione di processo, una generazione di apparecchiature" regola l'industria dei semiconduttori e i progressi nella tecnologia dei componenti di precisione sono cruciali per la modernizzazione e l'iterazione delle apparecchiature per semiconduttori. I componenti ceramici di precisione sono i materiali più rappresentativi per i componenti di precisione dei semiconduttori. Sono utilizzati in numerosi processi chiave di produzione di semiconduttori, tra cui l'incisione, la deposizione chimica da vapore, la deposizione fisica da vapore e l'impiantazione ionica, come bracci di movimentazione meccanica, mandrini elettrostatici, rivestimenti, guide e cuscinetti, tra gli altri. Svolgono ruoli di stabilizzazione, difesa e distrazione, in particolare all'interno della cavità dell'apparecchiatura.

 

Produzione di semiconduttori. L'industria dei semiconduttori è regolata dalla legge industriale di "una generazione di tecnologia, una generazione di processo, una generazione di apparecchiature", e i miglioramenti nella tecnologia dei componenti di precisione sono essenziali per la modernizzazione e l'iterazione dei macchinari per semiconduttori. Tra tutti i materiali utilizzati per i componenti di precisione dei semiconduttori, i componenti ceramici di precisione sono i più rappresentativi. Vengono impiegati nell'incisione, nella deposizione chimica da vapore, nella deposizione fisica da vapore e nell'impianto ionico, tra le altre importanti procedure di produzione di semiconduttori, come cuscinetti, rivestimenti, guide, mandrini elettrostatici e bracci di movimentazione meccanica, solo per citarne alcuni. Fungono da deviazione, difesa e stabilizzazione, soprattutto all'interno della cavità dell'apparecchiatura.

 

 

Industria del risparmio energetico e della tutela ambientale

Sotto la guida della politica nazionale "dual carbon", tutti i settori industriali si stanno gradualmente sviluppando nella direzione del risparmio energetico, della riduzione delle emissioni di carbonio, della riduzione dell'inquinamento e del miglioramento dell'efficienza. In questo contesto, l'industria ceramica si trova ad affrontare pressioni in termini di consumo energetico e tutela ambientale, ma offre anche nuove opportunità di sviluppo per i materiali ceramici.

 

 

01 Membrana ceramica

Per sostituire la tecnologia di separazione tramite filtrazione convenzionale, la tecnologia di separazione a membrana con membrana ceramica al centro è attualmente utilizzata principalmente come processo di separazione ad alta efficienza nell'industria di processo e nei settori speciali del trattamento delle acque per la separazione tramite filtrazione, concentrazione e purificazione, nonché per la purificazione e la rimozione delle impurità.

Membrana piatta in ceramica

Tra queste, i fluidi in ambienti complessi possono essere filtrati, separati e purificati utilizzando membrane piane ceramiche ad alte prestazioni. Elevata resistenza a temperatura e pressione, elevata stabilità chimica, elevata efficienza di filtrazione, buona affidabilità, bassi costi di esercizio e manutenzione, lunga durata e rispetto dell'ambiente durante tutto il ciclo di vita sono alcune delle loro caratteristiche. È stata ampiamente utilizzata e promossa nei settori delle acque reflue comunali, del trattamento delle acque reflue distribuite, del trattamento delle acque nere e maleodoranti, del riutilizzo delle acque di recupero e del trattamento delle acque reflue dei parchi industriali. Rappresenta la principale direzione di sviluppo nel campo delle membrane ceramiche di separazione ad alte prestazioni a livello internazionale e presenta un'ampia gamma di prospettive di mercato.

Oltre al trattamento delle acque, anche la gestione dell'inquinamento atmosferico nel mio Paese è all'orizzonte. Il catalizzatore di nanodenitrificazione a base di ossidi di metalli delle terre rare, rispettoso dell'ambiente, viene caricato su un materiale composito a membrana in fibra ceramica come corpo di supporto per creare una membrana in fibra ad alta temperatura per la denitrificazione e la rimozione delle polveri, un elemento filtrante con funzioni integrate di denitrificazione e rimozione delle polveri in grado di ottenere la purificazione diretta dei gas in condizioni di alta temperatura.

 

 

02 Aerogel

L'ampio sviluppo ecologico e a basse emissioni di carbonio dell'aerogel, un materiale superisolante, ha creato un potenziale di crescita finora inaudito per il settore dell'aerogel. Si prevede che la nuova tecnologia dell'aerogel si integrerà con la crescita della produzione ecosostenibile per creare nuove applicazioni di prodotto, in linea con la tendenza delle industrie ecosostenibili a svilupparsi più rapidamente.

 

L'aerogel presenta una densità estremamente bassa, un'altissima porosità, un basso indice di rifrazione, una bassa conduttività termica, una bassa impedenza acustica e altre caratteristiche che i materiali solidi generici non possiedono. Queste caratteristiche gli conferiscono grandi prospettive applicative nei settori dell'isolamento termico, della biomedicina, dell'isolamento acustico, dell'adsorbimento, ecc., e il potenziale di domanda del mercato è enorme.

 

 

Industria della biomedicina

Con lo sviluppo della società e il miglioramento della vita delle persone, sempre più impianti e organi artificiali saranno utilizzati in ambito terapeutico. Nel mio Paese, metalli come l'acciaio inossidabile e le leghe di cobalto sono da tempo utilizzati per la guarigione e la riparazione ortopedica grazie alle loro superiori qualità meccaniche e di controllo; tuttavia, la loro biocompatibilità è carente. Di conseguenza, il mercato e la ricerca di materiali di rivestimento o bioceramiche più sani e compatibili si stanno espandendo rapidamente.

Grazie alla loro eccezionale tenacità alla frattura e resistenza all'usura, le ceramiche biomediche come Al2O3, ZrO2, ZTA, Si3N4 e i materiali ceramici compositi correlati sono frequentemente impiegati in protesi chirurgiche portanti, impianti dentali, sostituti ossei, ecc. L'ossido di zirconio è frequentemente utilizzato nei materiali per restauri dentali grazie alle sue buone prestazioni e alla sua estetica, ma la sua resistenza è dovuta alle vetroceramiche. Tra queste, il nitruro di silicio combina l'effetto battericida con le proprietà autolubrificanti, e il suo impianto ha una stabilità biologica stabile a lungo termine.

Si prevede che nel 2022 il mercato mondiale dei materiali ceramici medicali raggiungerà un valore di circa 15 miliardi di dollari. Si prevede che nel 2022 il mercato dei materiali ceramici medicali in Cina raggiungerà un valore di circa 4,5 miliardi di dollari. Di questi, la maggior parte (circa il 60%) è costituita da ceramiche di allumina. Le ceramiche di nitruro di silicio sono impiegate per gli impianti ortopedici, mentre le ceramiche di zirconia sono utilizzate principalmente in odontoiatria.

 

 

Il settore aerospaziale

Le ceramiche si distinguono costantemente per le loro prestazioni eccezionali in una varietà di situazioni applicative difficili. L'industria militare e quella aerospaziale sono due dei mercati applicativi più apprezzati per le ceramiche avanzate. "Resistenza alle alte temperature" e "invisibilità" sono le due principali linee di sviluppo ceramiche nel settore aerospaziale.

 

La nuova generazione di motori per l'aviazione militare richiede sempre più materiali strutturali resistenti alle alte temperature, poiché il potenziale dei monocristalli, dei rivestimenti a barriera termica e del raffreddamento ad aria attivo si sta gradualmente esaurendo. Il SiC/SiC-CMC si è affermato come una delle migliori opzioni per i materiali strutturali resistenti alle alte temperature. Il SiC/SiC-CMC è rinforzato e indurito in gran parte da fibre di carburo di silicio. La materia prima più importante per il SiC/SiC-CMC è la fibra di carburo di silicio, che ha una resistenza termica superiore a 1200 °C e ha attirato l'attenzione delle potenze aeronautiche in un concorso di ricerca.

 

 

Tipicamente costituiti da un mezzo assorbente (assorbente) e da una matrice (talvolta nota come legante), i materiali assorbenti sono tra i materiali stealth più importanti. Il carburo di silicio è l'ingrediente principale utilizzato per creare materiali ceramici assorbenti multibanda; nanoparticelle ceramiche inorganiche e materiali polimerici inorganici si combinano per formare materiali ceramici stealth a infrarossi, una sorta di rivestimento. Per produrre un efficace assorbimento delle onde elettromagnetiche a banda larga, le nanoparticelle ceramiche inorganiche vengono disperse uniformemente in una matrice polimerica inorganica e attentamente controllate.