חמש תעשיות מרכזיות לפיתוח עתידי של מוצרי קרמיקה

תעשייה לרכבים חשמליים

 

סין ייצרה ומכרה 6.253 מיליון ו-6.067 מיליון מכוניות אנרגיה חדשות, בהתאמה, בין ינואר לנובמבר, עלייה של כ-100% משנה לשנה, עם נתח שוק של 25%, על פי הנתונים העדכניים ביותר של איגוד יצרני הרכב בסין. יחד עם צמיחת ייצור ומכירות שעקפו בהרבה את השוק באותה תקופה, חדירת רכבי אנרגיה חדשים עלתה על 36% וממשיכה לעלות. טכנולוגיית הרכב החשמלי מתפתחת כל הזמן, מה שזירז את החלפת העיצובים והחומרים המרכיבים שלה. השימוש בכלי רכב חשמליים אנרגיה חדשים אימץ באופן מלא חומרים קרמיים מתקדמים בשל יתרונות הביצועים הייחודיים שלהם.

ביניהם, נפוצים כדורי נושאי סיליקון ניטריד מסוג HIP ומצעי סיליקון ניטריד עם מוליכות תרמית גבוהה.

 

 

01 כדורי HIP למיסבי סיליקון ניטריד

מיסבים מנועיים לרכבי אנרגיה חדשים דורשים צפיפות נמוכה יותר וחומרים עמידים יחסית לבלאי בשל קצבי הסיבוב הגבוהים שלהם בהשוואה למיסבים סטנדרטיים. במיסבי קרמיקה סיליקון ניטריד, הכדורים מייצרים פחות חום וחיכוך בתוך מערכת המיסבים. באופן ספציפי, סיליקון ניטריד הוא מבודד חשמלי המופיע באופן טבעי שיכול למנוע קורוזיה חשמלית מפריקת מסבים, להאריך את החיים של חומרי סיכה ומסבים, ובסופו של דבר לגרום לכשל במסבים. זה אידיאלי לשימוש במגוון מגזרים, כולל מכוניות חשמליות.

 

מיסבים קרמיים מחליפים יותר ויותר את מיסבי הפלדה בעידן הכוננים החשמליים. מיסבים מבודדים כדוריים קרמיים מסיליקון ניטריד משמשים בדגמים ביתיים של Xiaopeng P7, G9, Weilai ET7 ודגמים אחרים. לדוגמה, פיר הפלט של המנוע המשמש את טסלה מעסיק מיסבים קרמיים, מיסבים קרמיים היברידיים שתוכננו על ידי NSK, וכדורי מיסבים העשויים מ-50 כדורי סיליקון ניטריד.

לחיצה איזוסטטית חמה (HIP) וסינטרינג בלחץ גז (GPS) הן שתי טכניקות ההכנה הפופולריות ביותר עבור סינת כדורי סיליקון ניטריד קרמיים. שתי השיטות הללו מניבות כדורי קרמיקה המשמשים לעתים קרובות במסגרות רבות. HIP סיליקון ניטריד מספק איכויות מכניות מעולות וחיי עייפות ארוכים יותר מאשר סיליקון ניטריד GPS.

נכון לעכשיו, חברות זרות ידועות ממשיכות לשלוט בנתח השוק הבינלאומי ובכיוון הפיתוח, בעוד תאגידים יפניים, אירופאים ואמריקאים ממשיכים לשלוט בייצור מוצרי קרמיקה יוקרתיים. בשנת 2015 הוקמה במדינה שלי חברת National Materials High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd.

עשתה התקדמות משמעותית בטכנולוגיה לייצור המוני של כדורי קרמיקה סיליקון ניטריד בדחיסה איזוסטטית, מה שהפך אותה לחברה הראשונה בסין שהקימה ייצור המוני של חומרים אלה ולחברה השלישית בסך הכל, מאחורי Toshiba ביפן ו- Kustec בארצות הברית. SKF בשבדיה, Timken בארה"ב, GMN בגרמניה ו-Forsa בספרד הן בין המדינות שאליהן נשלחים מוצריה. יתר על כן, שיטות דומות משמשות על ידי Sinoceramic Jinsheng ואחרים ליצירת כדורים נושאי סיליקון ניטריד עם חוזק כיפוף של 1000 MPa.

 

 

02 מצע קרמי סיליקון ניטריד מוליכות תרמית גבוהה

מצעים קרמיים של סיליקון ניטריד משמשים בעיקר ביחידות הכוח, התקני מוליכים למחצה וממירים של רכבים חשמליים טהורים (EV) וכלי רכב חשמליים היברידיים (HEV), ויש להם פוטנציאל שוק עצום ואפשרויות יישום.

נכון לעכשיו, חוזק כיפוף של 650 MPa, קשיחות שבר של 5-7 MPa·m1/2 ומוליכות תרמית של 85 W/(m·K) נדרשים לשימוש מסחרי בחומרי מצע קרמי סיליקון ניטריד עם מוליכות תרמית גבוהה. קבוצת Toshiba, Hitachi Metals, Nippon Electric Chemical, Maruwa ו-Nippon Fine Ceramics הן החברות העיקריות שיש להן את היכולת לייצור המוני של מצעים קרמיים של סיליקון ניטריד עם מוליכות תרמית גבוהה.

 

בנוסף, חלה התקדמות מסוימת במחקר מקומי על חומרי מצע קרמי סיליקון ניטריד. על ידי אופטימיזציה של שיטת הסינטרינג והתהליך, בייג'ינג Sinoma Artificial Crystal Research Institute Co., Ltd הכינה בהצלחה מצע קרמי סיליקון ניטריד בעל חוזק כיפוף של 700-800MPa, קשיחות שבר של ≥8MPa·m1/2 ומוליכות תרמית של ≥80W/(m·KW). למצע הקרמי סיליקון ניטריד המיוצר על ידי סניף בייג'ינג של Sinoma High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd. בתהליך יציקת הקלטת יש מוליכות תרמית של 100 W/(m·K).

 

כלי רכב חשמליים מתקרבים כיום לבינה כתוצאה מהפופולריות הגוברת של רכבי אנרגיה חדשים ופיתוח בינה מלאכותית (AI). יצרני רכב גילו עניין גם במגוון חומרים קרמיים, לרבות חומרי אריזה של לידר, בלמים קרמיים מפחמן, MLCC בעל קיבולת גבוהה, חומרים מוליכים תרמיים קרמיים וכו'.

 

ייצור מוליכים למחצה

החוק התעשייתי של "דור אחד של טכנולוגיה, דור אחד של תהליך, דור אחד של ציוד" שולט בתעשיית המוליכים למחצה, וההתקדמות בטכנולוגיית חלקים מדויקים חיונית למודרניזציה ואיטרציה של ציוד מוליכים למחצה. חלקי קרמיקה מדויקים הם החומרים המייצגים ביותר עבור חלקי דיוק מוליכים למחצה ביניהם. הם משמשים במספר תהליכי ייצור מוליכים למחצה מרכזיים, כולל תחריט, שקיעת אדים כימית, שקיעת אדים פיזית והשתלת יונים. כמו זרועות טיפול מכניות, צ'אקים אלקטרוסטטיים, ספינות, מסילות מנחות ומסבים, בין היתר. הוא מבצע את התפקידים של ייצוב, הגנה והסחת דעת, במיוחד בתוך חלל הציוד.

 

ייצור מוליכים למחצה תעשיית המוליכים למחצה נשלטת על ידי החוק התעשייתי של "דור אחד של טכנולוגיה, דור אחד של תהליך, דור אחד של ציוד", ושיפורים בטכנולוגיית חלקים מדויקים חיוניים למודרניזציה ואיטרציה של מכונות מוליכים למחצה. מבין כל החומרים המשמשים לחלקי דיוק מוליכים למחצה, חלקי קרמיקה מדויקים הם המייצגים ביותר. הם משמשים בתחריט, שקיעת אדים כימית, שקיעת אדים פיזית והשתלת יונים, בין הליכי ייצור מוליכים למחצה חשובים אחרים. כגון מיסבים, ספינות, מסילות מנחות, צ'אקים אלקטרוסטטיים וזרועות טיפול מכניות, אם להזכיר כמה. הוא משמש כהסטה, הגנה וייצוב, במיוחד בתוך חלל הציוד.

 

 

תעשיית חיסכון באנרגיה והגנת הסביבה

בהנחיית המדיניות הלאומית של "פחמן כפול", כל התעשיות מתפתחות בהדרגה בכיוון של חיסכון באנרגיה, הפחתת פחמן, הפחתת זיהום ושיפור יעילות. ברקע זה, תעשיית הקרמיקה מתמודדת עם לחצי צריכת אנרגיה והגנת הסביבה, אך היא מביאה גם הזדמנויות פיתוח חדשות לחומרים קרמיים.

 

 

01 ממברנה קרמית

על מנת להחליף את טכנולוגיית הפרדת הסינון הקונבנציונלית, טכנולוגיית הפרדת הממברנה עם ממברנה קרמית בליבתה משמשת כיום בעיקר כתהליך הפרדה בעל יעילות גבוהה בתעשיית התהליכים ובתחומי טיפול במים מיוחדים להפרדת סינון, ריכוז וטיהור, וטיהור והסרת זיהומים.

קרום שטוח קרמי

ביניהם, ניתן לסנן, להפריד ולטהר נוזלים במסגרות מורכבות באמצעות ממברנות שטוחות קרמיות בעלות ביצועים גבוהים. עמידות גבוהה לטמפרטורה וללחץ, יציבות כימית חזקה, יעילות סינון גבוהה, אמינות טובה, עלויות תפעול ותחזוקה נמוכות, חיי שירות ארוכים וידידותיות לסביבה לאורך מחזור החיים הם חלק מהתכונות שלהם. נעשה בו שימוש נרחב ומקודם בתחומי הביוב העירוני, טיפול במים מבוזר, טיפול במים שחורים וריחניים, שימוש חוזר במים חוזרים וטיפול בשפכים בפארק התעשייה. זהו כיוון הפיתוח העיקרי בתחום ממברנות הפרדה קרמיות בינלאומיות בעלות ביצועים גבוהים ויש לה מגוון רחב של אפשרויות שוק.

יחד עם טיפול במים, גם ניהול זיהום האוויר במדינתי נמצא באופק. זרז הננו-דניטריפיקציה של מערכת תחמוצת אדמה נדירה ידידותית לסביבה מועמס על חומר קרום מרוכב סיבים קרמיים כגוף התומך ליצירת קרום הסיבים בטמפרטורה גבוהה עבור דניטריפיקציה והסרת אבק, אלמנט מסנן עם פונקציות משולבות של דניטריפיקציה והסרת אבק שיכולים להשיג טיהור ישיר של גז בתנאי טמפרטורה גבוהה.

 

 

02 איירגל

הפיתוח הירוק והדל פחמן הנרחב של אירוג'ל, חומר סופר מבודד, יצר פוטנציאל בלתי ידוע עד כה לצמיחת מגזר האירוג'ל. טכנולוגיית ה-airgel החדשה צפויה להשתלב עם הצמיחה של ייצור ירוק כדי ליצור יישומי מוצרים חדשים נוספים בהתאם למגמה של תעשיות ירוקות המתפתחות מהר יותר.

 

ל-Airgel יש צפיפות נמוכה במיוחד, נקבוביות גבוהה במיוחד, מקדם שבירה נמוך, מוליכות תרמית נמוכה, עכבה אקוסטית נמוכה ועוד מאפיינים שאין לחומרים מוצקים כלליים. מאפיינים אלו הופכים אותו לבעל סיכויי יישום גדולים בתחומי בידוד תרמי, ביו-רפואה, בידוד קול, ספיחה וכו', ופוטנציאל הביקוש בשוק הוא עצום.

 

 

תעשיית הביו-רפואה

יותר ויותר שתלים ואיברים מלאכותיים ישמשו במסגרות טיפוליות ככל שהחברה מתפתחת וחייהם של אנשים משתפרים. במדינה שלי, מתכות כמו נירוסטה וסגסוגות קובלט שימשו זה מכבר לריפוי ותיקון אורטופדי בשל איכויות המכאניות והשליטה המעולות שלהן; עם זאת, ההתאמה הביולוגית שלהם לוקה בחסר. כתוצאה מכך, השוק והמחקר של חומרי ציפוי או ביוקרמיקה בריאים יותר ותואמים יותר מתרחבים במהירות.

בגלל קשיחות השברים יוצאת הדופן שלהם ועמידות בפני שחיקה, קרמיקה ביו-רפואית כמו Al2O3, ZrO2, ZTA, Si3N4, וחומרים קרמיים מרוכבים קשורים משמשים לעתים קרובות בתותבות כירורגיות נושאות עומס, שתלים דנטליים, תחליפי עצם וכו'. תחמוצת זירקוניום משמשת תכופות בשל חומרי המנוחה והשיניים שלה, אבל בגלל הביצועים הטובים שלה בשיניים. קרמיקה מזכוכית. בין אלה, סיליקון ניטריד משלב את השפעת החיידקים ותכונות הסיכה העצמיות, והשתל שלו הוא בעל יציבות ביולוגית יציבה לאורך זמן.

בשנת 2022, גודל השוק העולמי של חומרים קרמיים רפואיים צפוי להיות כ-15 מיליארד דולר. בשנת 2022, שוק החומרים הקרמיים הרפואיים בסין צפוי להיות שווה כ-4.5 מיליארד דולר. מתוכם, קרמיקת אלומינה מהווה את הרוב (כ-60%). קרמיקת סיליקון ניטריד משמשת עבור שתלים אורטופדיים, בעוד קרמיקה זירקוניה משמשת בעיקר ברפואת שיניים.

 

 

תחום התעופה והחלל

קרמיקה מתבלטת באופן עקבי בזכות הביצועים יוצאי הדופן שלה במגוון מצבי יישום קשים. תעשיות הצבא והתעופה והחלל הם שניים משווקי היישומים האהובים ביותר עבור קרמיקה מתקדמת. "התנגדות לטמפרטורה גבוהה" ו"התגנבות" הם שני קווי הפיתוח הקרמיים העיקריים בתעשייה האווירית.

 

לדור החדש של מנועי תעופה צבאיים יש צורך הולך וגובר בחומרים מבניים חדשים עמידים לטמפרטורות גבוהות מכיוון שהפוטנציאל של גבישים בודדים, ציפוי מחסום תרמי וקירור אוויר אקטיבי מתרוקן בהדרגה. SiC/SiC-CMC התגלתה כאחת האפשרויות המובילות לחומרים מבניים עמידים בטמפרטורה גבוהה. SiC/SiC-CMC מחוזק ומוקשה בחלקו הגדול על ידי סיבי סיליקון קרביד. חומר הגלם החשוב ביותר עבור SiC/SiC-CMC הוא סיבי סיליקון קרביד, בעלי עמידות בטמפרטורה של מעל 1200 מעלות צלזיוס ומשך את תשומת הלב של מעצמות התעופה בתחרות מחקר.

 

 

בדרך כלל מורכב ממדיום סופג (סופג) ומחומר מטריקס (המכונה לפעמים קוגד), חומרים סופגים הם בין חומרי החמקן החשובים ביותר. סיליקון קרביד הוא המרכיב העיקרי המשמש ליצירת חומרים קרמיים סופגים מרובי פס; חלקיקי ננו קרמיים אנאורגניים וחומרים פולימריים אנאורגניים משתלבים ויוצרים חומרים חמקנים אינפרא אדום קרמיים, מעין ציפוי. על מנת לייצר ספיגת גל אלקטרומגנטי בפס רחב יעיל, חלקיקי ננו-קרמיים אנאורגניים מפוזרים באופן אחיד במטריצת פולימר אנאורגנית ונשלטים בקפידה.