Genbrug af siliciumcarbid

Siliciumcarbid (SiC) er blevet et vigtigt teknologisk materiale. Det bruges til slibemidler, teknisk keramik og ildfaste materialer - samt til fremstilling af halvledere.

SiC fremstilles ved at opvarme kvartssand blandet med kulstof i form af petroleumskoks ved høje temperaturer i store åbne "Acheson"-ovne og produceres derefter i både grønne og sorte varianter til brug som byggemateriale.

Slibende

Siliciumcarbid (SiC) er et industrielt materiale med mange anvendelsesmuligheder inden for slibemiddelproduktion, fremstilling af halvlederchips og krystalradioproduktion (se billedet nedenfor). Rent SiC er farveløst, men urenheder i form af jern giver det en brun-sort nuance. Desuden fungerer SiC både som katalysator og i højtemperaturovne - så hvad skulle der ellers kunne gå galt?

Wiresavning af siliciumskiver producerer store mængder affald i form af SiC-slurry. Denne blanding indeholder pulveriseret SiC, der er ansvarlig for hårdhed og skæreevne, samt polyethylenglycol (PEG), der fungerer som både bærer og kølemiddel. Under savning ændres partikelstørrelsesfordelingen og bliver forurenet med støvpartikler; til genbrugsformål skal det derefter renses, før det genbruges igen.

Forskere ved Rice University er ved at udvikle en ny måde at upcycle affald af siliciumbarrer til et energieffektivt, omkostningseffektivt slibeprodukt af høj kvalitet ved hjælp af væske-væske-ekstraktion og alkaliopløsning for at producere en pulverblanding med 72% SiC og 28% siliciumindhold - som senere bruges til at slibe, polere eller slibe genstande; det kan endda findes i fly eller vindmøller!

Elektriske køretøjer

Effektelektronik er kernen i elektriske køretøjer (EV'er) og vil drive elektrificeringen af massebiler. Siliciumcarbid (SiC) er blevet et attraktivt erstatningsmateriale i energikonverteringssystemer som f.eks. hovedtraktionsomformere til BEV'er og FCEV'er; dette giver mulighed for forbedret energieffektivitet, lavere koblingstab, mere sikker drift ved høje temperaturer, øget spændingskapacitet i mindre og lettere systemer.

SiC er blevet et vigtigt materiale i elbilsektoren, fra små invertere til store omformere og akkumulatorer. Dette område repræsenterer et enormt vækstpotentiale for producenter af SiC-teknologi; derfor er det vigtigt, at de holder sig ajour med udviklingen, der kan ændre efterspørgslen efter deres produkt(er).

Nye elbiler bruger batterier med meget større kapacitet og kræver mere strøm fra deres invertere for at håndtere denne belastning, hvilket kræver flere MOSFET'er pr. inverter og potentielt øger efterspørgslen efter siliciumcarbid-MOSFET'er.

For at imødekomme denne voksende efterspørgsel skal virksomhederne udvikle en sund genbrugsstrategi, der tager højde for dynamikken i markedet, værdikæden og teknologien. Virksomheder, der hurtigt kan udvikle nøglekompetencer og danne partnerskaber, der understøtter EV-forretningen, vil få en konkurrencemæssig fordel og skabe værdi; det vil også omfatte gennemgang af geninvesteringstidsplaner for at sikre, at de ikke kommer bagud i forhold til efterspørgselskurven.

Halvleder

Siliciumcarbid (SiC) er et syntetisk industrimineral, der er meget udbredt i mange brancher på grund af dets enestående egenskaber, såsom hårdhed, modstandsdygtighed over for høje temperaturer og kemisk resistens. Mens moissanit kun findes naturligt i spormængder i visse meteoritter eller korundaflejringer, kommer det meste SiC, der produceres i dag, i syntetisk form som enten granulat eller pulver.

Desværre ender meget af det materiale, der finder vej til produktionslinjerne, som biprodukter fra fremstillingsprocesser, og meget slaggeaffald (der indeholder silicium og kulstof) ender typisk med at blive smidt ind i ovne som affald. Indtil nu har den eneste mulighed været forbrænding eller solvolyse, som er energikrævende og producerer farlige biprodukter.

Forskere har udviklet en proces kaldet flash upcycling til at omdanne denne slagge til siliciumcarbid (SiC) af høj kvalitet. Ved at opvarme den ved temperaturer på op til 2.400 grader i en ovn med inert atmosfære giver flash upcycling ren siliciumcarbid, der kan bruges til mange formål.

Der findes separations- og rensningsprocesser for denne slagge, men deres evne til at genvinde applikationer af høj kvalitet er begrænset på grund af kornstørrelsesbegrænsninger og problemer med skæreevne; nuværende genanvendelsesmetoder involverer downcycling eller deponering; Fraunhofer IKTS har skabt en overkommelig metode til genanvendelse af pulverformige SiC-affaldsprodukter ved hjælp af enkle, men økonomiske processer og produkter.

Medicinsk

Siliciumcarbid er en hård og holdbar ikke-oxidkeramik med en imponerende række fysiske og kemiske egenskaber, såsom høj styrke, lav varmeudvidelse og evnen til at modstå ekstreme temperaturer - egenskaber, der har gjort det populært som ildfast materiale samt som effektelektronikkomponenter til elektriske køretøjer og trådløse 5G-sendere. Desværre er produktionsomkostningerne for siliciumcarbid stadig relativt høje.

SiC er bredt anerkendt for sin meget højkvalitets krystalliserede form, der bruges til medicinske anvendelser som skæreværktøjer og kirurgiske implantater. Ifølge estimater kan de årlige produktionsomkostninger nå helt op på $1,5 milliarder!

Forskere har med succes udviklet en miljøvenlig måde at producere siliciumcarbid på fra glas- og plastaffald. Ved at anvende en energieffektiv flash upcycling-proces har de omdannet udtjent glasfiberforstærket plast (GFRP) til siliciumcarbid (SiC). GFRP er et udbredt materiale, der findes overalt fra flydele til vindmøllevinger, men dets stærke og holdbare egenskaber gør det ofte udfordrende at genanvende det, når dets levetid er slut.

Flash upcycling er et miljøvenligt alternativ til forbrænding og solvolyse, hvor der anvendes giftige kemikalier. Desuden viser livscyklusanalyser, at dette regenerative system producerer mindre energiforbrug, drivhusgasemissioner og vandforbrug end traditionelle metoder til bortskaffelse af FRP.