Päť hlavných odvetví pre budúci vývoj keramických výrobkov
Priemysel pre elektrické vozidlá
Čína od januára do novembra vyrobila a predala 6,253 milióna a 6,067 milióna nových energetických áut, čo je medziročný nárast o približne 100 % s 25 % podielom na trhu, podľa najnovších údajov Čínskej asociácie výrobcov automobilov. Spolu s rastom výroby a predaja, ktorý v tom čase výrazne predbehol trh, prekonala penetrácia nových energetických vozidiel 36 % a naďalej rastie. Technológia elektrických vozidiel sa neustále vyvíja, čo urýchlilo výmenu konštrukčných prvkov a materiálov. Využitie nových energetických elektrických vozidiel si plne osvojilo pokročilé keramické materiály vďaka ich jedinečným výkonnostným výhodám.
Medzi nimi prevládajú ložiskové guľôčky z nitridu kremíka HIP a substráty z nitridu kremíka s vysokou tepelnou vodivosťou.
01 HIP guličky pre ložiská z nitridu kremíka
Motorové ložiská pre nové energetické vozidlá vyžadujú nižšiu hustotu a relatívne odolnejšie materiály voči opotrebovaniu v dôsledku ich vyšších rýchlostí otáčania v porovnaní so štandardnými ložiskami. V keramických ložiskách z nitridu kremíka produkujú guľôčky menej tepla a trenia v ložiskovom systéme. Konkrétne nitrid kremíka je prirodzene sa vyskytujúci elektrický izolátor, ktorý môže zabrániť elektrickej korózii z výboja ložísk, predĺžiť životnosť mazív a ložísk a prípadne spôsobiť poruchu ložísk. Je ideálny pre použitie v rôznych odvetviach, vrátane elektromobilov.
Keramické ložiská v dobe elektrických pohonov čoraz viac nahrádzajú oceľové guľôčkové ložiská. Keramické guľôčkové ložiská z nitridu kremíka sa používajú v domácich modeloch Xiaopeng P7, G9, Weilai ET7 a ďalších. Napríklad výstupný hriadeľ motora používaného spoločnosťou Tesla využíva keramické ložiská, hybridné keramické ložiská navrhnuté spoločnosťou NSK a ložiskové guľôčky vyrobené z 50 guľôčok z nitridu kremíka.
Izostatické lisovanie za tepla (HIP) a spekanie pod tlakom plynu (GPS) sú dve najobľúbenejšie prípravné techniky na spekanie keramických guľôčok z nitridu kremíka. Tieto dve metódy poskytujú keramické guľôčky, ktoré sa často používajú v mnohých prostrediach. HIP nitrid kremíka poskytuje vynikajúce mechanické vlastnosti a dlhšiu únavovú životnosť ako GPS nitrid kremíka.
V súčasnosti známe zahraničné firmy naďalej kontrolujú podiel na medzinárodnom trhu a smer vývoja, zatiaľ čo japonské, európske a americké korporácie naďalej dominujú vo výrobe špičkového keramického ložiskového tovaru. V roku 2015 bola v mojej krajine založená spoločnosť National Materials High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd.
urobila významný pokrok v technológii hromadnej výroby izostaticky lisovaných keramických guľôčok z nitridu kremíka za tepla, čím sa stala prvou spoločnosťou v Číne, ktorá zaviedla hromadnú výrobu týchto materiálov, a celkovo treťou spoločnosťou po Toshiba v Japonsku a Kustec v Spojených štátoch. SKF vo Švédsku, Timken v USA, GMN v Nemecku a Forsa v Španielsku patria medzi krajiny, do ktorých sa jej produkty dodávajú. Okrem toho porovnateľné metódy používa spoločnosť Sinoceramic Jinsheng a iní na vytvorenie ložiskových guľôčok z nitridu kremíka s pevnosťou v ohybe 1000 MPa.
02 Keramický substrát z nitridu kremíka s vysokou tepelnou vodivosťou
Keramické substráty z nitridu kremíka sa používajú hlavne v pohonných jednotkách, polovodičových zariadeniach a invertoroch čistých elektrických vozidiel (EV) a hybridných elektrických vozidiel (HEV) a majú obrovský trhový potenciál a aplikačné vyhliadky.
V súčasnosti sa na komerčné použitie keramických substrátových materiálov z nitridu kremíka s vysokou tepelnou vodivosťou vyžaduje pevnosť v ohybe 650 MPa, lomová húževnatosť 5–7 MPa·m1/2 a tepelná vodivosť 85 W/(m·K). Toshiba Group, Hitachi Metals, Nippon Electric Chemical, Maruwa a Nippon Fine Ceramics sú primárne spoločnosti, ktoré majú kapacitu na hromadnú výrobu keramických substrátov z nitridu kremíka s vysokou tepelnou vodivosťou.
Okrem toho došlo k určitému pokroku v domácom výskume keramických substrátových materiálov z nitridu kremíka. Optimalizáciou metódy a procesu spekania Beijing Sinoma Artificial Crystal Research Institute Co., Ltd. úspešne pripravil keramický substrát z nitridu kremíka s pevnosťou v ohybe 700-800MPa, lomovou húževnatosťou ≥8MPa·m1/2 a tepelnou vodivosťou ≥80W/(m·K). Keramický substrát z nitridu kremíka vyrobený pobočkou Sinoma High-Tech Nitride Ceramics Co., Ltd. v Pekingu pomocou procesu odlievania pásky má tepelnú vodivosť 100 W/(m·K).
Elektrické vozidlá sa v súčasnosti približujú k inteligencii v dôsledku rastúcej popularity nových energetických vozidiel a rozvoja umelej inteligencie (AI). Automobiloví výrobcovia tiež prejavili záujem o rôzne keramické materiály, vrátane obalových materiálov lidar, karbón keramických bŕzd, vysokokapacitných MLCC, keramických tepelne vodivých materiálov atď.
Výroba polovodičov
Priemyselné právo „jedna generácia technológie, jedna generácia procesu, jedna generácia zariadení“ riadi polovodičový priemysel a pokroky v technológii presných dielov sú rozhodujúce pre modernizáciu a iteráciu polovodičových zariadení. Presné keramické diely sú spomedzi nich najreprezentatívnejším materiálom pre presné polovodičové diely. Používajú sa v mnohých kľúčových procesoch výroby polovodičov, vrátane leptania, chemického nanášania pár, fyzikálneho naparovania a implantácie iónov. ako sú okrem iného mechanické manipulačné ramená, elektrostatické skľučovadlá, vložky, vodiace lišty a ložiská. Plní úlohy stabilizácie, obrany a rozptýlenia, najmä v dutine zariadenia.
Výroba polovodičov Polovodičový priemysel sa riadi priemyselným zákonom „jedna generácia technológie, jedna generácia procesu, jedna generácia zariadení“ a vylepšenia technológie presných dielov sú nevyhnutné pre modernizáciu a iteráciu polovodičových strojov. Zo všetkých materiálov používaných na presné polovodičové diely sú najreprezentatívnejšie presné keramické diely. Používajú sa pri leptaní, chemickom nanášaní pár, fyzikálnom nanášaní pár a implantácii iónov, medzi inými dôležitými postupmi výroby polovodičov. ako sú ložiská, vložky, vodiace lišty, elektrostatické skľučovadlá a mechanické manipulačné ramená, aby sme vymenovali aspoň niektoré. Slúži ako diverzia, obrana a stabilizácia, najmä vo vnútri dutiny zariadenia.
Priemysel šetriaci energiu a ochranu životného prostredia
Pod vedením národnej politiky „duálneho uhlíka“ sa všetky priemyselné odvetvia postupne rozvíjajú smerom k úspore energie, znižovaniu uhlíka, znižovaniu znečistenia a zvyšovaniu efektívnosti. V tomto kontexte čelí keramický priemysel tlaku spotreby energie a ochrany životného prostredia, no zároveň prináša nové možnosti rozvoja keramických materiálov.
01 Keramická membrána
Aby sa nahradila konvenčná technológia filtračnej separácie, technológia membránovej separácie s keramickou membránou vo svojom jadre sa v súčasnosti primárne využíva ako vysoko účinný separačný proces v spracovateľskom priemysle a špeciálnych oblastiach úpravy vody na filtračnú separáciu, koncentráciu a čistenie, ako aj čistenie a odstraňovanie nečistôt.
Keramická plochá membrána
Medzi nimi je možné filtrovať, separovať a čistiť tekutiny v zložitých podmienkach pomocou vysokovýkonných keramických plochých membrán. Vysoká teplotná a tlaková odolnosť, silná chemická stabilita, vysoká filtračná účinnosť, dobrá spoľahlivosť, nízke prevádzkové náklady a náklady na údržbu, predĺžená životnosť a šetrnosť k životnému prostrediu počas celého životného cyklu sú niektoré z ich vlastností. Je široko používaný a propagovaný v oblastiach komunálnych odpadových vôd, distribuovanej úpravy vody, úpravy čiernej a zapáchajúcej vody, opätovného využitia regenerovanej vody a čistenia odpadových vôd priemyselných parkov. Je to primárny smer vývoja v oblasti medzinárodných vysokovýkonných keramických separačných membrán a má širokú škálu trhových vyhliadok.
Spolu s úpravou vody je na obzore aj manažment znečistenia ovzdušia v mojej krajine. Nanodenitrifikačný katalyzátor systému oxidu vzácnych zemín, ktorý je šetrný k životnému prostrediu, je naložený na kompozitný membránový materiál z keramických vlákien ako nosné teleso na vytvorenie vysokoteplotnej vláknitej membrány na denitrifikáciu a odstraňovanie prachu, filtračný prvok s integrovanými funkciami denitrifikácie a odstraňovania prachu, ktorý môže dosiahnuť priame čistenie plynu za podmienok vysokej teploty.
02 Aerogél
Rozsiahly zelený a nízkouhlíkový vývoj aerogélu, super izolačného materiálu, vytvoril doteraz neslýchaný potenciál pre rast sektora aerogélov. Očakáva sa, že nová technológia aerogélu bude integrovaná s rastom zelenej výroby, aby sa vytvorilo viac nových aplikácií produktov v súlade s trendom rýchlejšieho rozvoja zeleného priemyslu.
Aerogél má extrémne nízku hustotu, ultra vysokú pórovitosť, nízky index lomu, nízku tepelnú vodivosť, nízku akustickú impedanciu a ďalšie vlastnosti, ktoré bežné pevné materiály nemajú. Vďaka týmto vlastnostiam má veľkú perspektívu použitia v oblasti tepelnej izolácie, biomedicíny, zvukovej izolácie, adsorpcie atď. a potenciál dopytu na trhu je obrovský.
Priemysel biomedicíny
Čoraz viac umelých implantátov a orgánov sa bude používať v terapeutických prostrediach, pretože spoločnosť sa vyvíja a životy ľudí sa zlepšujú. V mojej krajine sa kovy ako nehrdzavejúca oceľ a zliatiny kobaltu už dlho používajú na ortopedické liečenie a opravy kvôli ich vynikajúcim mechanickým a kontrolným vlastnostiam; napriek tomu ich biokompatibilita chýba. V dôsledku toho sa trh a výskum náterových materiálov alebo biokeramiky, ktoré sú zdravšie a kompatibilnejšie, rýchlo rozširujú.
Biomedicínska keramika ako Al2O3, ZrO2, ZTA, Si3N4 a príbuzné kompozitné keramické materiály sa kvôli ich výnimočnej lomovej húževnatosti a odolnosti proti opotrebeniu často používajú v chirurgických nosných protézach, zubných implantátoch, kostných náhradách atď. Oxid zirkoničitý sa často používa v materiáloch na zubné náhrady kvôli svojmu dobrému výkonu a kráse, ale jeho pevnosť je spôsobená sklokeramikou. Medzi nimi nitrid kremíka kombinuje baktericídny účinok a samomazacie vlastnosti a jeho implantát má dlhodobo stabilnú biologickú stabilitu.
V roku 2022 sa predpokladá, že veľkosť celosvetového trhu s medicínskymi keramickými materiálmi bude približne 15 miliárd USD. V roku 2022 sa očakáva, že trh s medicínskymi keramickými materiálmi v Číne bude mať hodnotu približne 4,5 miliardy amerických dolárov. Z nich väčšinu (asi 60 %) tvorí hlinitá keramika. Keramika z nitridu kremíka sa používa na ortopedické implantáty, zatiaľ čo zirkónová keramika sa používa predovšetkým v zubnom lekárstve.
Letecký sektor
Keramika neustále vyniká svojim výnimočným výkonom v rôznych náročných situáciách použitia. Vojenský a letecký priemysel sú dva z najobľúbenejších aplikačných trhov pre pokročilú keramiku. „Odolnosť voči vysokej teplote“ a „stealth“ sú dve primárne keramické vývojové línie v leteckom a kozmickom priemysle.
Nová generácia vojenských leteckých motorov má čoraz väčšiu potrebu nových konštrukčných materiálov odolných voči vysokým teplotám, pretože potenciál monokryštálov, povlakov tepelnej bariéry a aktívneho chladenia vzduchom sa postupne vyčerpáva. SiC/SiC-CMC sa ukázal ako jedna z najlepších možností pre konštrukčné materiály odolné voči vysokým teplotám. SiC/SiC-CMC je z veľkej časti spevnený a spevnený vláknom z karbidu kremíka. Najdôležitejšou surovinou pre SiC/SiC-CMC je vlákno z karbidu kremíka, ktoré má teplotnú odolnosť nad 1200 °C a prilákalo pozornosť leteckých veľmocí vo výskumnej súťaži.
Absorpčné materiály, ktoré sa zvyčajne skladajú z absorpčného média (absorbentu) a matricového materiálu (niekedy známeho ako spojivo), patria medzi najdôležitejšie stealth materiály. Karbid kremíka je primárnou zložkou používanou na vytvorenie viacpásmových absorpčných keramických materiálov; anorganické keramické nanočastice a anorganické polymérne materiály vytvárajú keramické infračervené stealth materiály, druh povlaku. Aby sa dosiahla účinná širokopásmová absorpcia elektromagnetických vĺn, anorganické keramické nanočastice sú rovnomerne dispergované v anorganickej polymérnej matrici a starostlivo kontrolované.