Siliziumkarbid-Recycling

Siliziumkarbid (SiC) hat sich zu einem wichtigen technologischen Werkstoff entwickelt. Es wird in Schleifmitteln, technischer Keramik und feuerfesten Materialien sowie in der Halbleiterherstellung eingesetzt.

SiC wird durch Erhitzen von Quarzsand, der mit Kohlenstoff in Form von Petrolkoks vermischt ist, bei hohen Temperaturen in riesigen offenen "Acheson"-Öfen hergestellt und dann in den beiden Varianten Grün und Schwarz für die Verwendung als Baumaterial produziert.

Abrasivmittel

Siliciumcarbid (SiC) ist ein industrielles Material mit zahlreichen Anwendungen in der Schleifmittelproduktion, der Herstellung von Halbleiterchips und der Produktion von Kristallradios (siehe Abbildung unten). Reines SiC selbst ist farblos; Eisenverunreinigungen verleihen ihm jedoch seinen braunen bis schwarzen Farbton. Außerdem dient SiC sowohl als Katalysator als auch für Hochtemperaturöfen - was kann da noch schiefgehen?

Beim Drahtsägen von Silizium-Ingot-Wafern fallen große Mengen an SiC-Slurry-Abfall an. Dieses Gemisch enthält pulverförmiges SiC, das für die Härte und die Schnittleistung verantwortlich ist, sowie Polyethylenglykol (PEG), das sowohl als Träger als auch als Kühlmittel dient. Während des Sägevorgangs verändert sich die Partikelgrößenverteilung und wird mit Staubpartikeln verunreinigt; für die Wiederverwendung muss es dann gereinigt werden, bevor es wiederverwendet werden kann.

Forscher an der Rice University entwickeln eine neue Methode, um Siliziumbarrenabfälle in ein energieeffizientes, kostengünstiges und hochwertiges Schleifmittelprodukt umzuwandeln. Dabei wird durch Flüssig-Flüssig-Extraktion und Alkalilösung ein Pulvergemisch mit einem Gehalt von 72% SiC und 28% Silizium hergestellt, das später zum Schleifen, Polieren oder Schmirgeln von Gegenständen verwendet wird; es kann sogar in Flugzeugen oder Windrädern eingesetzt werden!

Elektrisch betriebene Fahrzeuge

Leistungselektronik ist das Herzstück von Elektrofahrzeugen (EVs) und wird die Elektrifizierung von Massenfahrzeugen vorantreiben. Siliziumkarbid (SiC) ist ein attraktiver Ersatzwerkstoff für Energieumwandlungssysteme wie z. B. Hauptantriebswechselrichter für BEVs und FCEVs geworden. Dies ermöglicht eine verbesserte Energieeffizienz, geringere Schaltverluste, einen sichereren Betrieb bei hohen Temperaturen sowie eine höhere Spannungsfähigkeit bei kleineren und leichteren Systemen.

SiC ist zu einem unverzichtbaren Material im Bereich der Elektrofahrzeuge geworden, von kleinen Wechselrichtern bis hin zu großen Umrichtern und Akkumulatoren. Dieser Bereich birgt ein immenses Wachstumspotenzial für die Hersteller von SiC-Technologie; daher ist es unerlässlich, dass sie mit den Entwicklungen Schritt halten, die die Nachfrage nach ihren Produkten verändern könnten.

Neue Elektrofahrzeuge verwenden Batterien mit viel größerer Kapazität und benötigen mehr Leistung von ihren Wechselrichtern, um diese Last zu bewältigen, was mehr MOSFETs pro Wechselrichter erfordert und die Nachfrage nach Siliziumkarbid-MOSFETs erhöhen könnte.

Um diese wachsende Nachfrage zu befriedigen, müssen Unternehmen eine solide Recyclingstrategie entwickeln, die die Dynamik von Markt, Wertschöpfungskette und Technologie berücksichtigt. Unternehmen, die in der Lage sind, schnell Schlüsselkompetenzen zu entwickeln und Partnerschaften einzugehen, die das EV-Geschäft unterstützen, werden einen Wettbewerbsvorteil erlangen und Mehrwert schaffen; dazu gehört auch die Überprüfung von Reinvestitionszeitplänen, um sicherzustellen, dass sie nicht hinter die Nachfragekurve zurückfallen.

Halbleiter

Siliciumcarbid (SiC) ist ein synthetisches Industriemineral, das aufgrund seiner außergewöhnlichen Eigenschaften wie Härte, hoher Temperaturbeständigkeit und chemischer Beständigkeit in zahlreichen Industriezweigen verwendet wird. Während Moissanit in der Natur nur in Spuren in bestimmten Meteoriten oder Korundvorkommen vorkommt, wird das meiste SiC heute in synthetischer Form als Granulat oder Pulver hergestellt.

Leider landet ein Großteil des Materials, das in die Produktionslinien gelangt, als Nebenprodukt des Herstellungsprozesses, wobei ein Großteil der Schlackenabfälle (die Silizium und Kohlenstoff enthalten) in der Regel als Abfall in den Öfen landet. Bislang gab es nur die Möglichkeit der Verbrennung oder Solvolyse, die energieintensiv ist und gefährliche Nebenprodukte erzeugt.

Forscher haben ein Verfahren namens Flash Upcycling entwickelt, um diese Schlacke in hochwertiges Siliziumkarbid (SiC) umzuwandeln. Durch Erhitzen auf bis zu 2.400 Grad Celsius in einem Ofen mit Schutzgasatmosphäre wird beim Flash-Upcycling reines Siliziumkarbid gewonnen, das für zahlreiche Anwendungen genutzt werden kann.

Für diese Schlacke gibt es Trenn- und Reinigungsverfahren, die jedoch aufgrund von Korngrößenbeschränkungen und Problemen bei der Schneidleistung nur begrenzt geeignet sind, um hochwertige Anwendungen wiederzugewinnen. Die derzeitigen Recyclingverfahren beinhalten Downcycling oder Deponierung; das Fraunhofer IKTS hat eine erschwingliche Methode für das Recycling pulverförmiger SiC-Abfallprodukte mit einfachen und wirtschaftlichen Verfahren und Produkten entwickelt.

Medizinische

Siliziumkarbid ist eine harte und langlebige Nichtoxid-Keramik mit einer beeindruckenden Reihe physikalischer und chemischer Eigenschaften wie hoher Festigkeit, geringer Wärmeausdehnung und der Fähigkeit, extremen Temperaturen standzuhalten - Eigenschaften, die es zu einem beliebten Material für feuerfeste Werkstoffe und Komponenten der Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge und 5G-Mobilfunksender gemacht haben. Leider sind die Produktionskosten für Siliziumkarbid nach wie vor relativ hoch.

SiC ist weithin bekannt für seine sehr hochwertige kristallisierte Form, die für medizinische Anwendungen wie Schneidwerkzeuge und chirurgische Implantate verwendet wird. Schätzungen zufolge könnten die jährlichen Produktionskosten bis zu $1,5 Milliarden betragen!

Forschern ist es gelungen, eine umweltfreundliche Methode zur Herstellung von Siliziumkarbid aus Altglas und Kunststoff zu entwickeln. Mit Hilfe eines energieeffizienten Flash-Upcycling-Verfahrens haben sie glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) in Siliziumkarbid (SiC) umgewandelt. GFK ist ein weitverbreitetes Material, das überall zu finden ist, von Flugzeugteilen bis hin zu Windmühlenflügeln, aber seine starken und dauerhaften Eigenschaften machen das Recycling oft schwierig, wenn seine Lebensdauer abgelaufen ist.

Flash-Upcycling ist eine umweltfreundliche Alternative zur Verbrennung und Solvolyse, bei der giftige Chemikalien eingesetzt werden. Darüber hinaus zeigt die Lebenszyklusanalyse, dass dieses regenerative System weniger Energieverbrauch, Treibhausgasemissionen und Wasserverbrauch verursacht als herkömmliche FVK-Entsorgungsmethoden.