Pięć głównych branż dla przyszłego rozwoju wyrobów ceramicznych
Branża pojazdów elektrycznych
Chiny wyprodukowały i sprzedały odpowiednio 6,253 mln i 6,067 mln samochodów elektrycznych w okresie od stycznia do listopada, co stanowi wzrost o około 100% rok do roku, a ich udział w rynku wynosi 25%, według najnowszych danych Chińskiego Stowarzyszenia Producentów Samochodów. Wraz ze wzrostem produkcji i sprzedaży, który znacznie przewyższał rynek w tym okresie, penetracja rynku pojazdów elektrycznych przekroczyła 36% i nadal rośnie. Technologia pojazdów elektrycznych stale się rozwija, co przyspieszyło wymianę konstrukcji i materiałów podzespołów. Wykorzystanie pojazdów elektrycznych zasilanych nowymi źródłami energii w pełni wykorzystuje zaawansowane technologie. Materiały ceramiczne ze względu na ich wyjątkowe zalety pod względem wydajności.
Wśród nich powszechne są kulki łożyskowe wykonane z azotku krzemu HIP oraz podłoża z azotku krzemu o wysokiej przewodności cieplnej.
01 Kulki HIP do łożysk azotku krzemu
Łożyska silników w nowych pojazdach energetycznych wymagają mniejszej gęstości i stosunkowo bardziej odpornych na zużycie materiałów ze względu na wyższe prędkości obrotowe w porównaniu ze standardowymi łożyskami. W łożyskach ceramicznych z azotku krzemu kulki wytwarzają mniej ciepła i tarcia w układzie łożyskowym. Azotek krzemu jest naturalnie występującym izolatorem elektrycznym, który może zapobiegać korozji elektrycznej spowodowanej wyładowaniem łożysk, wydłużać żywotność smarów i łożysk, a ostatecznie powodować awarie łożysk. Idealnie nadaje się do zastosowania w różnych sektorach, w tym w samochodach elektrycznych.
W dobie napędów elektrycznych łożyska ceramiczne coraz częściej zastępują stalowe łożyska kulkowe. Izolowane łożyska ceramiczne z azotku krzemu są stosowane w krajowych modelach Xiaopeng P7, G9, Weilai ET7 i innych. Na przykład, wał wyjściowy silnika Tesli wykorzystuje łożyska ceramiczne, hybrydowe łożyska ceramiczne zaprojektowane przez NSK oraz kulki łożyskowe wykonane z 50 kulek azotku krzemu.
Prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) i ciśnienie gazu Spiekanie (GPS) to dwie najpopularniejsze techniki przygotowawcze do spiekania kulek ceramicznych z azotku krzemu. Te dwie metody pozwalają uzyskać kulki ceramiczne, które są często stosowane w wielu zastosowaniach. Azotek krzemu HIP zapewnia lepsze właściwości mechaniczne i dłuższą trwałość zmęczeniową niż azotek krzemu GPS.
Obecnie znane firmy zagraniczne nadal kontrolują udziały w rynku międzynarodowym i rozwijająPo południukierunku, podczas gdy korporacje japońskie, europejskie i amerykańskie nadal dominują na rynku produkcji wysokiej klasy ceramicznych łożysk. W 2015 roku w moim kraju powstała spółka National Materials High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd.
Firma dokonała znaczącego postępu w technologii masowej produkcji kulek ceramicznych z azotku krzemu prasowanych izostatycznie na gorąco, stając się pierwszą firmą w Chinach, która rozpoczęła masową produkcję tych materiałów i trzecią firmą w ogóle, po Toshibie w Japonii i Kustecu w Stanach Zjednoczonych. Jej produkty trafiają między innymi do krajów, do których trafiają: SKF w Szwecji, Timken w USA, GMN w Niemczech i Forsa w Hiszpanii. Co więcej, podobne metody są stosowane przez Sinoceramic Jinsheng i inne firmy do wytwarzania kulek łożyskowych z azotku krzemu o wytrzymałości na zginanie 1000 MPa.
02 Podłoże ceramiczne z azotku krzemu o wysokiej przewodności cieplnej
Podłoża ceramiczne na bazie azotku krzemu są stosowane głównie w jednostkach napędowych, urządzeniach półprzewodnikowych i falownikach pojazdów elektrycznych (EV) i hybrydowych pojazdów elektrycznych (HEV) i mają ogromny potencjał rynkowy i perspektywy zastosowań.
Obecnie do komercyjnego zastosowania ceramicznych podłoży z azotku krzemu o wysokiej przewodności cieplnej wymagane są wytrzymałość na zginanie 650 MPa, odporność na pękanie 5–7 MPa·m½ oraz przewodność cieplna 85 W/(m·K). Toshiba Group, Hitachi Metals, Nippon Electric Chemical, Maruwa i Nippon Fine Ceramics to główne firmy dysponujące możliwościami masowej produkcji ceramicznych podłoży z azotku krzemu o wysokiej przewodności cieplnej.
Ponadto odnotowano pewien postęp w krajowych badaniach nad materiałami ceramicznymi na bazie azotku krzemu. Dzięki optymalizacji metody i procesu spiekania, Beijing Sinoma Artificial Crystal Research Institute Co., Ltd. z powodzeniem przygotował ceramiczne podłoże z azotku krzemu o wytrzymałości na zginanie 700-800 MPa, odporności na pękanie ≥8 MPa·m½ i przewodności cieplnej ≥80 W/(m·K). Podłoże ceramiczne z azotku krzemu, wyprodukowane przez oddział Sinoma High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd. w Pekinie w procesie odlewania taśmowego, charakteryzuje się przewodnością cieplną 100 W/(m·K).
Pojazdy elektryczne zbliżają się obecnie do rozwiązań opartych na inteligencji w wyniku rosnącej popularności pojazdów zasilanych nowymi źródłami energii oraz rozwoju sztucznej inteligencji (AI). Producenci samochodów wykazali również zainteresowanie różnymi materiałami ceramicznymi, w tym materiałami uszczelniającymi lidar, hamulcami węglowo-ceramicznymi, kondensatorami MLCC o dużej pojemności, ceramicznymi materiałami termoprzewodzącymi itp.
Produkcja półprzewodników
Przemysł półprzewodnikowy kieruje się prawem przemysłowym „jednej generacji technologii, jednej generacji procesu, jednej generacji sprzętu”, a postęp w technologii precyzyjnych części ma kluczowe znaczenie dla modernizacji i iteracji urządzeń półprzewodnikowych. Precyzyjne elementy ceramiczne są najbardziej reprezentatywnymi materiałami do produkcji precyzyjnych części półprzewodnikowych. Są one wykorzystywane w wielu kluczowych procesach produkcji półprzewodników, takich jak trawienie, chemiczne osadzanie z fazy gazowej, fizyczne osadzanie z fazy gazowej i implantacja jonów, między innymi w mechanicznych ramionach manipulacyjnych, uchwytach elektrostatycznych, tulejach, szynach prowadzących i łożyskach. Pełnią one funkcję stabilizującą, obronną i rozpraszającą, szczególnie w komorze urządzenia.
Produkcja półprzewodników. Przemysł półprzewodnikowy rządzi się prawem przemysłowym „jednej generacji technologii, jednej generacji procesu, jednej generacji sprzętu”, a udoskonalenia w technologii precyzyjnych części są niezbędne do modernizacji i iteracji maszyn półprzewodnikowych. Spośród wszystkich materiałów używanych do produkcji precyzyjnych części półprzewodnikowych, precyzyjne części ceramiczne są najbardziej reprezentatywne. Są one wykorzystywane w trawieniu, chemicznym osadzaniu z fazy gazowej, fizycznym osadzaniu z fazy gazowej i implantacji jonów, a także w innych ważnych procesach produkcji półprzewodników, takich jak łożyska, tuleje, szyny prowadzące, uchwyty elektrostatyczne i mechaniczne ramiona manipulacyjne, by wymienić tylko kilka. Pełnią one funkcję dywersyjną, obronną i stabilizacyjną, zwłaszcza wewnątrz wnęki urządzenia.
Przemysł energooszczędny i ochrony środowiska
Zgodnie z krajową polityką „podwójnego węgla”, wszystkie gałęzie przemysłu stopniowo rozwijają się w kierunku oszczędności energii, redukcji emisji dwutlenku węgla, redukcji zanieczyszczeń i poprawy efektywności. W tym kontekście przemysł ceramiczny zmaga się z presją związaną ze zużyciem energii i ochroną środowiska, ale jednocześnie stwarza nowe możliwości rozwoju materiałów ceramicznych.
01 Membrana ceramiczna
Aby zastąpić konwencjonalną technologię separacji filtracyjnej, technologia separacji membranowej z membraną ceramiczną w jej centrum jest obecnie wykorzystywana głównie jako wysokowydajny proces separacji w przemyśle przetwórczym oraz specjalistycznych dziedzinach uzdatniania wody do separacji filtracyjnej, zagęszczania i oczyszczania oraz oczyszczania i usuwania zanieczyszczeń.
Ceramiczna membrana płaska
Dzięki nim, płyny w złożonych środowiskach mogą być filtrowane, separowane i oczyszczane za pomocą wysokowydajnych ceramicznych membran płaskich. Ich atutami są między innymi wysoka odporność na temperaturę i ciśnienie, wysoka stabilność chemiczna, wysoka wydajność filtracji, wysoka niezawodność, niskie koszty eksploatacji i konserwacji, wydłużona żywotność oraz przyjazność dla środowiska w całym cyklu życia. Są one szeroko stosowane i promowane w obszarach gospodarki ściekowej, rozproszonego uzdatniania wody, oczyszczania ścieków czarnych i odorowych, ponownego wykorzystania wody odzyskanej oraz oczyszczania ścieków w parkach przemysłowych. Stanowią one główny kierunek rozwoju w dziedzinie międzynarodowych wysokowydajnych ceramicznych membran separacyjnych i mają szerokie perspektywy rynkowe.
Oprócz uzdatniania wody, w moim kraju na horyzoncie znajduje się również zarządzanie zanieczyszczeniem powietrza. Przyjazny dla środowiska katalizator nanodenitryfikacji z tlenkiem metali ziem rzadkich jest nakładany na membranę z kompozytu włókien ceramicznych jako element nośny, tworząc wysokotemperaturową membranę włóknistą do denitryfikacji i usuwania pyłu. Jest to element filtrujący ze zintegrowanymi funkcjami denitryfikacji i usuwania pyłu, który umożliwia bezpośrednie oczyszczanie gazu w warunkach wysokiej temperatury.
02 Aerożel
Szeroko zakrojony, ekologiczny i niskoemisyjny rozwój aerożelu, materiału o doskonałych właściwościach izolacyjnych, stworzył dotychczas niespotykany potencjał rozwoju sektora aerożelu. Przewiduje się, że nowa technologia aerożelu zostanie zintegrowana z rozwojem zielonej produkcji, co pozwoli na stworzenie większej liczby nowych zastosowań produktów, zgodnie z trendem szybszego rozwoju zielonych gałęzi przemysłu.
Aerożel charakteryzuje się wyjątkowo niską gęstością, ultrawysoką porowatością, niskim współczynnikiem załamania światła, niską przewodnością cieplną, niską impedancją akustyczną i innymi cechami, których nie posiadają zwykłe materiały stałe. Te cechy sprawiają, że ma on ogromne perspektywy zastosowania w dziedzinie izolacji termicznej, biomedycyny, izolacji akustycznej, adsorpcji itp., a potencjał popytu rynkowego jest ogromny.
Przemysł biomedyczny
Wraz z rozwojem społeczeństwa i poprawą jakości życia ludzi, coraz więcej sztucznych implantów i organów będzie wykorzystywanych w placówkach terapeutycznych. W moim kraju metale takie jak stal nierdzewna i stopy kobaltu są od dawna wykorzystywane w leczeniu i naprawie ortopedycznej ze względu na ich doskonałe właściwości mechaniczne i kontrolne; jednakże brakuje im biozgodności. W związku z tym rynek i badania nad materiałami powłokowymi lub bioceramiką, które są zdrowsze i bardziej kompatybilne, dynamicznie się rozwijają.
Ze względu na wyjątkową wytrzymałość na pękanie i odporność na zużycie, ceramika biomedyczna, taka jak Al2O3, ZrO2, ZTA, Si3N4 i pokrewne ceramiczne materiały kompozytowe, są często stosowane w chirurgicznych protezach nośnych, implantach stomatologicznych, materiałach kościozastępczych itp. Tlenek cyrkonu jest często stosowany w materiałach do wypełnień stomatologicznych ze względu na swoje dobre właściwości i estetykę, ale jego wytrzymałość wynika z właściwości ceramiki szklanej. Wśród nich azotek krzemu łączy w sobie działanie bakteriobójcze i właściwości samosmarujące, a jego implant charakteryzuje się długotrwałą, stabilną stabilnością biologiczną.
Przewiduje się, że w 2022 roku światowy rynek ceramiki medycznej osiągnie wartość około 15 miliardów dolarów. W 2022 roku wartość rynku ceramiki medycznej w Chinach ma wynieść około 4,5 miliarda dolarów. Większość z nich (około 60%) stanowi ceramika na bazie tlenku glinu. Ceramika na bazie azotku krzemu jest wykorzystywana do produkcji implantów ortopedycznych, natomiast ceramika cyrkonowa jest wykorzystywana głównie w stomatologii.
Sektor lotniczo-kosmiczny
Ceramika niezmiennie wyróżnia się wyjątkową wydajnością w różnorodnych, trudnych warunkach. Przemysł wojskowy i lotniczy to dwa najpopularniejsze rynki zastosowań zaawansowanej ceramiki. „Odporność na wysokie temperatury” i „stealth” to dwa główne kierunki rozwoju ceramiki w przemyśle lotniczym.
Nowa generacja silników lotniczych dla lotnictwa wojskowego charakteryzuje się rosnącym zapotrzebowaniem na nowe materiały konstrukcyjne odporne na wysokie temperatury, ponieważ potencjał monokryształów, powłok termoizolacyjnych i aktywnego chłodzenia powietrzem stopniowo się wyczerpuje. SiC/SiC-CMC stał się jedną z najlepszych opcji w zakresie materiałów konstrukcyjnych odpornych na wysokie temperatury. SiC/SiC-CMC jest wzmacniany i hartowany w dużej mierze za pomocą włókien z węglika krzemu. Najważniejszym surowcem do produkcji SiC/SiC-CMC jest włókno z węglika krzemu, które charakteryzuje się odpornością temperaturową powyżej 1200°C i przyciągnęło uwagę potęg lotniczych w konkursie badawczym.
Materiały absorbujące, zazwyczaj składające się z ośrodka absorbującego (absorbentu) i materiału matrycowego (czasami nazywanego spoiwem), należą do najważniejszych materiałów stealth. Węglik krzemu jest głównym składnikiem używanym do tworzenia wielopasmowych materiałów ceramicznych absorbujących; nieorganiczne nanocząstki ceramiczne i nieorganiczne materiały polimerowe łączą się, tworząc ceramiczne materiały stealth w podczerwieni, rodzaj powłoki. Aby uzyskać skuteczną absorpcję szerokopasmowych fal elektromagnetycznych, nieorganiczne nanocząstki ceramiczne są równomiernie rozproszone w matrycy z nieorganicznego polimeru i starannie kontrolowane.