Recyklace karbidu křemíku

Karbid křemíku (SiC) se stal základním technologickým materiálem. Používá se v brusivech, technické keramice a žáruvzdorných materiálech - a také při výrobě polovodičů.

SiC se vyrábí zahříváním křemičitého písku smíchaného s uhlíkem ve formě ropného koksu při vysokých teplotách v obrovských otevřených "Achesonových" pecích a poté se vyrábí v zelené i černé variantě pro použití jako stavební materiál.

Abrazivní

Karbid křemíku (SiC) je průmyslový materiál s četnými aplikacemi při výrobě brusiva, polovodičových čipů a krystalových rádií (viz obrázek níže). Čistý SiC je sám o sobě bezbarvý; příměsi železa mu však dodávají hnědý až černý odstín. Kromě toho SiC slouží jako katalyzátor i jako vysokoteplotní pec - co by se tedy ještě mohlo pokazit?

Při drátovém řezání křemíkových ingotových destiček vzniká velké množství odpadní SiC suspenze. Tato směs obsahuje práškový SiC, který je zodpovědný za tvrdost a řezný výkon, a polyetylenglykol (PEG), který slouží jako nosič i chladicí kapalina. Během řezání se mění distribuce velikosti částic a dochází ke znečištění prachovými částicemi; pro účely opětovného použití je pak nutné ji před opětovným použitím vyčistit.

Výzkumníci z Rice University vyvíjejí nový způsob recyklace odpadu z křemíkových ingotů na energeticky účinný, nákladově efektivní a vysoce kvalitní brusný produkt s využitím extrakce kapalina-kapalina a alkalického rozpouštění k výrobě práškové směsi s obsahem 72% SiC a 28% křemíku - později se používá k broušení, leštění nebo broušení předmětů; lze jej dokonce nalézt v letadlech nebo větrných mlýnech!

Elektrická vozidla

Výkonová elektronika je základem elektromobilů a bude pohánět masovou elektrifikaci automobilů. Karbid křemíku (SiC) se stal atraktivním náhradním materiálem v systémech pro přeměnu energie, jako jsou hlavní trakční měniče pro BEV a FCEV; to umožňuje lepší energetickou účinnost, nižší spínací ztráty, bezpečnější provoz při vysokých teplotách, vyšší napěťovou kapacitu v rámci menších a lehčích systémů.

SiC se stal základním materiálem v oblasti elektromobilů (EV), od malých měničů až po velké měniče a akumulátory. Tato oblast představuje pro výrobce technologií SiC obrovský růstový potenciál, a proto je nezbytné, aby drželi krok s vývojem, který by mohl změnit poptávku po jejich výrobcích.

Nové elektromobily používají baterie s mnohem větší kapacitou a vyžadují od svých střídačů větší výkon pro zvládnutí této zátěže, což vyžaduje více tranzistorů MOSFET na střídač a potenciálně zvyšuje poptávku po karbidových tranzistorech MOSFET.

Aby podniky mohly uspokojit tuto rostoucí poptávku, musí vypracovat rozumnou recyklační strategii, která zohlední dynamiku trhu, hodnotového řetězce a technologií. Společnosti, které dokážou rychle rozvíjet klíčové schopnosti a vytvářet partnerství podporující podnikání v oblasti elektrických vozidel, získají konkurenční výhodu a vytvoří hodnotu; to bude zahrnovat také přezkoumání časových plánů reinvestic, aby se zajistilo, že nezůstanou pozadu za křivkou poptávky.

Polovodiče

Karbid křemíku (SiC) je syntetický průmyslový minerál, který se díky svým výjimečným vlastnostem, jako je tvrdost, odolnost vůči vysokým teplotám a chemikáliím, hojně využívá v mnoha průmyslových odvětvích. Zatímco moissanit se přirozeně vyskytuje pouze ve stopovém množství v některých meteoritech nebo korundových ložiscích, většina dnes vyráběného SiC pochází ze syntetické formy ve formě granulí nebo prášku.

Bohužel velká část materiálu, který se dostává do výrobních linek, končí jako vedlejší produkt výrobních procesů, přičemž velká část struskového odpadu (obsahujícího křemík a uhlík) obvykle končí jako odpad v pecích. Až dosud bylo jedinou možností spalování nebo solvolýza, které jsou energeticky náročné a produkují nebezpečné vedlejší produkty.

Výzkumníci vyvinuli proces zvaný flash upcycling, který tuto strusku přeměňuje na vysoce kvalitní karbid křemíku (SiC). Zahříváním při teplotách dosahujících 2 400 stupňů C v peci s inertní atmosférou se při bleskové recyklaci získává čistý karbid křemíku, který lze využít v mnoha aplikacích.

Pro tuto strusku existují separační a čisticí procesy, avšak jejich schopnost získat vysoce kvalitní aplikace, jako jsou vysoce kvalitní aplikace, je omezená kvůli omezením velikosti zrn a problémům s řezným výkonem; současné metody recyklace zahrnují downcycling nebo deponierung; Fraunhofer IKTS vytvořil cenově dostupnou metodu recyklace práškovitých SiC odpadů pomocí jednoduchých, ale ekonomických procesů a produktů.

Lékařské stránky

Karbid křemíku je tvrdá a odolná neoxidová keramika s působivou řadou fyzikálních a chemických vlastností, jako je vysoká pevnost, nízká tepelná roztažnost a schopnost odolávat extrémním teplotám - vlastnosti, díky nimž se stal oblíbeným žáruvzdorným materiálem i součástkami výkonové elektroniky pro elektromobily a bezdrátové vysílače 5G. Výrobní náklady karbidu křemíku jsou bohužel stále poměrně vysoké.

SiC je široce uznáván pro svou velmi kvalitní krystalizovanou formu, která se používá pro lékařské aplikace, jako jsou řezné nástroje a chirurgické implantáty. Podle odhadů by roční náklady na jeho výrobu mohly dosáhnout až $1,5 miliardy!

Vědci úspěšně vyvinuli ekologický způsob výroby karbidu křemíku z odpadního skla a plastů. Pomocí energeticky účinného procesu bleskové recyklace přeměnili vyřazené plasty vyztužené skleněnými vlákny (GFRP) na karbid křemíku (SiC). GFRP je hojně rozšířený materiál, který se nachází všude, od součástí letadel po lopatky větrných mlýnů, ale jeho silné a zároveň odolné vlastnosti často činí recyklaci po skončení jeho životnosti náročnou.

Blesková upcyklace je ekologickou alternativou spalování a solvolýzy, při níž se používají toxické chemikálie. Analýza životního cyklu navíc ukazuje, že tento regenerační systém produkuje méně energie, emisí skleníkových plynů a vody než tradiční metody likvidace FRP.