Năm ngành công nghiệp chính cho sự phát triển tương lai của sản phẩm gốm sứ

Ngành công nghiệp xe điện

 

Theo số liệu mới nhất từ ​​Hiệp hội Các nhà sản xuất Ô tô Trung Quốc, Trung Quốc đã sản xuất và bán ra lần lượt 6,253 triệu và 6,067 triệu xe ô tô năng lượng mới từ tháng 1 đến tháng 11, tăng khoảng 100% so với cùng kỳ năm trước, chiếm 25% thị phần. Cùng với tốc độ tăng trưởng sản xuất và doanh số vượt xa thị trường trong thời gian đó, tỷ lệ thâm nhập của xe năng lượng mới đã vượt 36% và tiếp tục tăng. Công nghệ xe điện không ngừng phát triển, giúp đẩy nhanh việc thay thế thiết kế và vật liệu linh kiện. Việc sử dụng xe điện năng lượng mới đã hoàn toàn đón nhận các công nghệ tiên tiến. Vật liệu gốm sứ do những lợi thế về hiệu suất độc đáo của chúng.

Trong số đó, bi bi silicon nitride HIP và chất nền silicon nitride có độ dẫn nhiệt cao là phổ biến.

 

 

01 Bi HIP cho Vòng bi Silicon Nitride

Vòng bi động cơ cho xe năng lượng mới đòi hỏi mật độ thấp hơn và vật liệu chống mài mòn tốt hơn do tốc độ quay cao hơn so với vòng bi tiêu chuẩn. Trong vòng bi gốm silicon nitride, các viên bi tạo ra ít nhiệt và ma sát hơn trong hệ thống vòng bi. Cụ thể, silicon nitride là một chất cách điện tự nhiên có thể ngăn ngừa ăn mòn điện từ phóng điện vòng bi, kéo dài tuổi thọ của chất bôi trơn và vòng bi, và cuối cùng là ngăn ngừa hư hỏng vòng bi. Nó lý tưởng để sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cả ô tô điện.

 

Vòng bi gốm đang dần thay thế vòng bi thép trong thời đại truyền động điện. Vòng bi gốm cách điện silicon nitride được sử dụng trong các mẫu xe Xiaopeng P7, G9, Weilai ET7 nội địa và các mẫu xe khác. Ví dụ, trục ra của động cơ Tesla sử dụng vòng bi gốm, vòng bi gốm lai do NSK thiết kế, và các viên bi được làm từ 50 viên bi silicon nitride.

Ép đẳng tĩnh nóng (HIP) và áp suất khí Thiêu kết (GPS) là hai kỹ thuật chuẩn bị phổ biến nhất cho quá trình thiêu kết bi gốm silicon nitride. Hai phương pháp này tạo ra các bi gốm thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng. Silicon nitride HIP có chất lượng cơ học vượt trội và tuổi thọ chịu mỏi cao hơn so với silicon nitride GPS.

Hiện nay, các công ty nước ngoài nổi tiếng vẫn tiếp tục kiểm soát thị phần quốc tế và phát triểnChiềuhướng phát triển, trong khi các tập đoàn Nhật Bản, Châu Âu và Hoa Kỳ tiếp tục thống trị việc sản xuất các mặt hàng gốm sứ cao cấp. Năm 2015 chứng kiến ​​sự thành lập của Công ty TNHH Gốm sứ Nitrua Công nghệ cao Quốc gia tại quốc gia của tôi.

đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong công nghệ sản xuất hàng loạt bi gốm silicon nitride ép đẳng tĩnh nóng, trở thành công ty đầu tiên tại Trung Quốc thiết lập sản xuất hàng loạt loại vật liệu này và là công ty thứ ba trên thế giới, sau Toshiba tại Nhật Bản và Kustec tại Hoa Kỳ. SKF tại Thụy Điển, Timken tại Hoa Kỳ, GMN tại Đức và Forsa tại Tây Ban Nha là một số quốc gia mà sản phẩm của công ty được xuất khẩu. Ngoài ra, Sinoceramic Jinsheng và các công ty khác cũng sử dụng các phương pháp tương tự để sản xuất bi bi silicon nitride với độ bền uốn 1000 MPa.

 

 

02 Tấm nền gốm silicon nitride có độ dẫn nhiệt cao

Chất nền gốm silicon nitride chủ yếu được sử dụng trong các bộ nguồn, thiết bị bán dẫn và biến tần của xe điện thuần túy (EV) và xe điện hybrid (HEV), có tiềm năng thị trường và triển vọng ứng dụng rất lớn.

Hiện nay, vật liệu nền gốm silicon nitride có độ dẫn nhiệt cao cần có độ bền uốn 650 MPa, độ dẻo dai chịu gãy 5–7 MPa·m1/2 và độ dẫn nhiệt 85 W/(m·K) để sử dụng thương mại. Tập đoàn Toshiba, Hitachi Metals, Nippon Electric Chemical, Maruwa và Nippon Fine Ceramics là những công ty hàng đầu có năng lực sản xuất hàng loạt vật liệu nền gốm silicon nitride có độ dẫn nhiệt cao.

 

Ngoài ra, nghiên cứu trong nước về vật liệu nền gốm silicon nitride cũng đã có những tiến bộ nhất định. Bằng cách tối ưu hóa phương pháp và quy trình thiêu kết, Công ty TNHH Viện Nghiên cứu Tinh thể Nhân tạo Sinoma Bắc Kinh đã chế tạo thành công nền gốm silicon nitride với cường độ uốn 700-800MPa, độ bền đứt gãy ≥8MPa·m1/2 và độ dẫn nhiệt ≥80W/(m·K). Nền gốm silicon nitride do Chi nhánh Bắc Kinh của Công ty TNHH Gốm sứ Nitride Công nghệ cao Sinoma sản xuất bằng quy trình đúc băng có độ dẫn nhiệt 100 W/(m·K).

 

Xe điện hiện đang tiến gần hơn đến trí thông minh nhân tạo nhờ sự phổ biến ngày càng tăng của các loại xe năng lượng mới và sự phát triển của trí tuệ nhân tạo (AI). Các nhà sản xuất ô tô cũng đã thể hiện sự quan tâm đến nhiều loại vật liệu gốm, bao gồm vật liệu đóng gói lidar, phanh gốm carbon, MLCC dung lượng cao, vật liệu dẫn nhiệt gốm, v.v.

 

Sản xuất chất bán dẫn

Quy luật công nghiệp "một thế hệ công nghệ, một thế hệ quy trình, một thế hệ thiết bị" chi phối ngành công nghiệp bán dẫn, và những tiến bộ trong công nghệ linh kiện chính xác đóng vai trò then chốt trong việc hiện đại hóa và lặp lại các thiết bị bán dẫn. Trong số đó, linh kiện gốm chính xác là vật liệu tiêu biểu nhất cho các linh kiện bán dẫn chính xác. Chúng được sử dụng trong một số quy trình sản xuất bán dẫn quan trọng, bao gồm khắc, lắng đọng hơi hóa học, lắng đọng hơi vật lý và cấy ion, chẳng hạn như tay cầm cơ khí, mâm cặp tĩnh điện, ống lót, ray dẫn hướng và ổ trục, cùng nhiều chức năng khác. Nó đóng vai trò ổn định, bảo vệ và phân tán, đặc biệt là trong khoang thiết bị.

 

Sản xuất chất bán dẫn Ngành công nghiệp bán dẫn tuân theo quy luật công nghiệp "một thế hệ công nghệ, một thế hệ quy trình, một thế hệ thiết bị", và việc cải tiến công nghệ linh kiện chính xác là điều cần thiết cho việc hiện đại hóa và lặp lại máy móc bán dẫn. Trong số tất cả các vật liệu được sử dụng cho các linh kiện bán dẫn chính xác, linh kiện gốm chính xác là đại diện tiêu biểu nhất. Chúng được sử dụng trong quá trình khắc, lắng đọng hơi hóa học, lắng đọng hơi vật lý và cấy ion, cùng nhiều quy trình sản xuất bán dẫn quan trọng khác, chẳng hạn như ổ trục, ống lót, ray dẫn hướng, mâm cặp tĩnh điện và tay cầm cơ khí, v.v. Chúng đóng vai trò chuyển hướng, bảo vệ và ổn định, đặc biệt là bên trong khoang thiết bị.

 

 

Ngành công nghiệp tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường

Dưới sự chỉ đạo của chính sách "carbon kép" quốc gia, tất cả các ngành công nghiệp đang dần phát triển theo hướng tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải carbon, giảm ô nhiễm và nâng cao hiệu suất. Trong bối cảnh này, ngành gốm sứ đang phải đối mặt với áp lực tiêu thụ năng lượng và bảo vệ môi trường, nhưng cũng mang lại những cơ hội phát triển mới cho vật liệu gốm sứ.

 

 

01 Màng gốm

Để thay thế công nghệ tách lọc thông thường, công nghệ tách màng với màng gốm làm lõi hiện đang được sử dụng chủ yếu như một quy trình tách hiệu suất cao trong ngành công nghiệp chế biến và các lĩnh vực xử lý nước đặc biệt để tách lọc, cô đặc và tinh chế, cũng như tinh chế và loại bỏ tạp chất.

Màng phẳng gốm

Trong số đó, chất lỏng trong môi trường phức tạp có thể được lọc, tách và tinh chế bằng màng phẳng gốm hiệu suất cao. Khả năng chịu nhiệt độ và áp suất cao, độ ổn định hóa học mạnh mẽ, hiệu suất lọc cao, độ tin cậy tốt, chi phí vận hành và bảo trì thấp, tuổi thọ dài và thân thiện với môi trường trong suốt vòng đời là một số đặc tính của màng phẳng gốm hiệu suất cao. Sản phẩm đã được sử dụng và quảng bá rộng rãi trong các lĩnh vực xử lý nước thải đô thị, xử lý nước phân phối, xử lý nước đen và nước có mùi, tái sử dụng nước thải và xử lý nước thải khu công nghiệp. Đây là hướng phát triển chủ đạo trong lĩnh vực màng phân tách gốm hiệu suất cao quốc tế và có triển vọng thị trường rộng lớn.

Cùng với xử lý nước, việc quản lý ô nhiễm không khí ở quốc gia tôi cũng đang trong tầm tay. Chất xúc tác khử nitrat nano hệ thống oxit kim loại đất hiếm thân thiện với môi trường được đưa vào vật liệu màng composite sợi gốm làm vật liệu hỗ trợ để tạo ra màng sợi nhiệt độ cao dùng cho quá trình khử nitrat và loại bỏ bụi. Đây là một lõi lọc tích hợp chức năng khử nitrat và loại bỏ bụi, có thể lọc khí trực tiếp trong điều kiện nhiệt độ cao.

 

 

02 Khí gel

Sự phát triển rộng rãi và bền vững của aerogel, một loại vật liệu siêu cách điện, đã tạo ra tiềm năng phát triển chưa từng có cho ngành aerogel. Công nghệ aerogel mới được kỳ vọng sẽ được tích hợp với sự phát triển của sản xuất xanh, tạo ra nhiều ứng dụng sản phẩm mới, phù hợp với xu hướng phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp xanh.

 

Aerogel có mật độ cực thấp, độ xốp cực cao, chiết suất thấp, độ dẫn nhiệt thấp, trở kháng âm thanh thấp và nhiều đặc tính khác mà vật liệu rắn thông thường không có. Những đặc tính này khiến nó có triển vọng ứng dụng to lớn trong các lĩnh vực cách nhiệt, y sinh, cách âm, hấp phụ, v.v., và tiềm năng nhu cầu thị trường là rất lớn.

 

 

Ngành công nghiệp y sinh học

Ngày càng có nhiều cấy ghép và nội tạng nhân tạo được sử dụng trong điều trị khi xã hội phát triển và cuộc sống của con người được cải thiện. Ở nước tôi, các kim loại như thép không gỉ và hợp kim coban từ lâu đã được sử dụng để chữa lành và phục hồi chỉnh hình nhờ các đặc tính cơ học và kiểm soát vượt trội; tuy nhiên, tính tương thích sinh học của chúng còn hạn chế. Do đó, thị trường và nghiên cứu về vật liệu phủ hoặc gốm sinh học lành mạnh và tương thích hơn đang phát triển nhanh chóng.

Nhờ độ bền gãy và khả năng chống mài mòn vượt trội, gốm y sinh như Al2O3, ZrO2, ZTA, Si3N4 và các vật liệu gốm composite liên quan thường được sử dụng trong các phục hình phẫu thuật chịu lực, cấy ghép nha khoa, vật liệu thay thế xương, v.v. Oxit Zirconium thường được sử dụng trong vật liệu phục hình răng nhờ hiệu suất tốt và tính thẩm mỹ, nhưng độ bền của nó đến từ gốm thủy tinh. Trong số đó, silicon nitride kết hợp hiệu quả diệt khuẩn và đặc tính tự bôi trơn, và vật liệu cấy ghép của nó có độ ổn định sinh học lâu dài.

Năm 2022, quy mô thị trường vật liệu gốm y tế toàn cầu dự kiến ​​đạt khoảng 15 tỷ đô la Mỹ. Thị trường vật liệu gốm y tế tại Trung Quốc dự kiến ​​đạt giá trị khoảng 4,5 tỷ đô la Mỹ vào năm 2022. Trong đó, gốm alumina chiếm phần lớn (khoảng 60%). Gốm silicon nitride được sử dụng cho cấy ghép chỉnh hình, trong khi gốm zirconia chủ yếu được sử dụng trong nha khoa.

 

 

Ngành hàng không vũ trụ

Gốm sứ luôn nổi bật nhờ hiệu suất vượt trội trong nhiều tình huống ứng dụng khắc nghiệt. Quân sự và hàng không vũ trụ là hai trong số những thị trường ứng dụng gốm sứ tiên tiến được ưa chuộng nhất. "Khả năng chịu nhiệt độ cao" và "tàng hình" là hai hướng phát triển gốm sứ chính trong ngành hàng không vũ trụ.

 

Thế hệ động cơ hàng không quân sự mới đang ngày càng cần vật liệu kết cấu chịu nhiệt độ cao mới do tiềm năng của các tinh thể đơn, lớp phủ cản nhiệt và làm mát bằng không khí chủ động đang dần cạn kiệt. SiC/SiC-CMC đã nổi lên như một trong những lựa chọn hàng đầu cho vật liệu kết cấu chịu nhiệt độ cao. SiC/SiC-CMC được gia cường và tôi luyện phần lớn bằng sợi silicon carbide. Nguyên liệu thô quan trọng nhất cho SiC/SiC-CMC là sợi silicon carbide, có khả năng chịu nhiệt trên 1200°C và đã thu hút sự chú ý của các cường quốc hàng không trong một cuộc thi nghiên cứu.

 

 

Thông thường, vật liệu hấp thụ bao gồm môi trường hấp thụ (chất hấp thụ) và vật liệu nền (đôi khi được gọi là chất kết dính), là một trong những vật liệu tàng hình quan trọng nhất. Silicon carbide là thành phần chính được sử dụng để tạo ra vật liệu gốm hấp thụ đa băng tần; các hạt nano gốm vô cơ và vật liệu polymer vô cơ kết hợp với nhau để tạo thành vật liệu tàng hình hồng ngoại gốm, một loại lớp phủ. Để tạo ra khả năng hấp thụ sóng điện từ băng thông rộng hiệu quả, các hạt nano gốm vô cơ được phân tán đồng đều trong một nền polymer vô cơ và được kiểm soát cẩn thận.