Ανακύκλωση καρβιδίου πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) έχει αναδειχθεί σε βασικό τεχνολογικό υλικό. Χρησιμοποιείται σε λειαντικά, τεχνικά κεραμικά και πυρίμαχα υλικά - καθώς και στην κατασκευή ημιαγωγών.

Το SiC παράγεται με θέρμανση πυριτικής άμμου αναμεμειγμένης με άνθρακα με τη μορφή πετρελαϊκού κοκ σε υψηλές θερμοκρασίες σε τεράστιους ανοιχτούς κλιβάνους "Acheson" και στη συνέχεια παράγεται σε πράσινη και μαύρη έκδοση για χρήση ως δομικό υλικό.

Λειαντικά

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα βιομηχανικό υλικό με πολυάριθμες εφαρμογές στην παραγωγή λειαντικών, στην κατασκευή τσιπ ημιαγωγών και στην παραγωγή κρυσταλλικών ραδιοφώνων (βλέπε παρακάτω εικόνα). Το ίδιο το καθαρό SiC είναι άχρωμο- ωστόσο, οι προσμίξεις σιδήρου του προσδίδουν την καφέ προς μαύρη απόχρωση. Επιπλέον, το SiC χρησιμεύει τόσο ως καταλύτης όσο και ως φούρνος υψηλής θερμοκρασίας - οπότε τι άλλο θα μπορούσε να πάει στραβά;

Το πριόνισμα με σύρμα των πλινθωμάτων πυριτίου παράγει μεγάλες ποσότητες αποβλήτων πολτού SiC. Αυτό το μείγμα περιλαμβάνει σκόνη SiC, υπεύθυνη για τη σκληρότητα και την απόδοση κοπής, καθώς και πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG), η οποία χρησιμεύει τόσο ως φορέας όσο και ως ψυκτικό μέσο. Κατά τη διάρκεια των εργασιών πριονίσματος, η κατανομή μεγέθους των σωματιδίων αλλάζει και μολύνεται με σωματίδια σκόνης- για λόγους επαναχρησιμοποίησης πρέπει στη συνέχεια να καθαριστεί πριν επαναχρησιμοποιηθεί.

Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου Rice αναπτύσσουν έναν νέο τρόπο ανακύκλωσης των αποβλήτων από ράβδους πυριτίου σε ένα ενεργειακά αποδοτικό, οικονομικά αποδοτικό και υψηλής ποιότητας λειαντικό προϊόν, χρησιμοποιώντας εκχύλιση υγρού-υγρού και διάλυση αλκαλίων για την παραγωγή ενός μίγματος σκόνης με περιεκτικότητα σε SiC 72% και πυρίτιο 28% - που χρησιμοποιείται αργότερα για το τρόχισμα, τη στίλβωση ή την άμμο αντικειμένων- μπορεί να βρεθεί ακόμη και σε αεροπλάνα ή ανεμόμυλους!

Ηλεκτρικά οχήματα

Τα ηλεκτρονικά ισχύος αποτελούν τον πυρήνα των ηλεκτρικών οχημάτων (EV) και θα τροφοδοτήσουν τον μαζικό εξηλεκτρισμό των αυτοκινήτων. Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) έχει γίνει ένα ελκυστικό υλικό αντικατάστασης σε συστήματα μετατροπής ενέργειας, όπως οι μετατροπείς κύριας έλξης για τα BEV και τα FCEV- αυτό επιτρέπει βελτιωμένη ενεργειακή απόδοση, χαμηλότερες απώλειες μεταγωγής, ασφαλέστερη λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες, αυξημένη ικανότητα τάσης σε μικρότερα και ελαφρύτερα συστήματα.

Το SiC έχει γίνει βασικό υλικό στον τομέα των ηλεκτρικών οχημάτων (EV), από μικρούς μετατροπείς έως μεγάλους μετατροπείς και συσσωρευτές. Ο τομέας αυτός αντιπροσωπεύει τεράστιες δυνατότητες ανάπτυξης για τους κατασκευαστές τεχνολογίας SiC- ως εκ τούτου, είναι επιτακτική ανάγκη να παρακολουθούν τις εξελίξεις που θα μπορούσαν να αλλάξουν τη ζήτηση για τα προϊόντα τους.

Τα νέα EV χρησιμοποιούν μπαταρίες με πολύ μεγαλύτερες χωρητικότητες και απαιτούν περισσότερη ισχύ από τους αντιστροφείς τους για τη διαχείριση αυτού του φορτίου, γεγονός που απαιτεί περισσότερα MOSFET ανά αντιστροφέα και ενδεχομένως αυξάνει τη ζήτηση για MOSFET καρβιδίου πυριτίου.

Για να ανταποκριθούν σε αυτή την αυξανόμενη ζήτηση, οι επιχειρήσεις πρέπει να αναπτύξουν μια υγιή στρατηγική ανακύκλωσης που να λαμβάνει υπόψη τις δυναμικές της αγοράς, της αλυσίδας αξίας και της τεχνολογίας. Οι εταιρείες που μπορούν να αναπτύξουν γρήγορα βασικές ικανότητες και να συνάψουν συνεργασίες που υποστηρίζουν τις επιχειρήσεις EV θα αποκτήσουν ανταγωνιστικό πλεονέκτημα και θα δημιουργήσουν αξία- αυτό θα περιλαμβάνει επίσης την επανεξέταση των χρονοδιαγραμμάτων επανεπένδυσης για να διασφαλιστεί ότι δεν θα μείνουν πίσω στην καμπύλη της ζήτησης.

Ημιαγωγός

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα συνθετικό βιομηχανικό ορυκτό που χρησιμοποιείται ευρέως σε πολλές βιομηχανίες λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων του, όπως η σκληρότητα, η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και η χημική αντοχή. Ενώ ο μοισσανίτης μπορεί να βρεθεί φυσικά μόνο σε ίχνη σε ορισμένους μετεωρίτες ή κοιτάσματα κορούνδιο, το μεγαλύτερο μέρος του SiC που παράγεται σήμερα προέρχεται σε συνθετική μορφή είτε ως κόκκοι είτε ως σκόνη.

Δυστυχώς, μεγάλο μέρος του υλικού που μπαίνει στις γραμμές παραγωγής καταλήγει ως παραπροϊόντα των διαδικασιών παραγωγής, με πολλά από τα απόβλητα σκωρίας (που περιέχουν πυρίτιο και άνθρακα ) να καταλήγουν συνήθως ως απόβλητα στους φούρνους. Μέχρι τώρα, η μόνη επιλογή ήταν η αποτέφρωση ή η διαλυτοποίηση, η οποία είναι ενεργοβόρα και παράγει επικίνδυνα παραπροϊόντα.

Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια διαδικασία που ονομάζεται ανακύκλωση με φλας για να μετατρέψουν αυτή τη σκωρία σε υψηλής ποιότητας καρβίδιο του πυριτίου (SiC). Θερμαίνοντάς την σε θερμοκρασίες που φτάνουν τους 2.400 βαθμούς Κελσίου σε κλίβανο με αδρανή ατμόσφαιρα, η ανακύκλωση με φλας παράγει καθαρό καρβίδιο του πυριτίου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλές εφαρμογές.

Υπάρχουν διεργασίες διαχωρισμού και καθαρισμού για αυτή τη σκωρία, αλλά η ικανότητά τους να ανακτούν υψηλής ποιότητας εφαρμογές για εφαρμογές υψηλής ποιότητας είναι περιορισμένη λόγω περιορισμών στο μέγεθος των κόκκων και προβλημάτων απόδοσης κοπής.Οι τρέχουσες μέθοδοι ανακύκλωσης περιλαμβάνουν ανακύκλωση ή αποπαγοποίηση.Το Fraunhofer IKTS δημιούργησε μια προσιτή μέθοδο ανακύκλωσης κονιοποιημένων αποβλήτων SiC χρησιμοποιώντας απλές αλλά οικονομικές διεργασίες και προϊόντα.

Ιατρικό

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα σκληρό και ανθεκτικό μη οξειδωτικό κεραμικό με μια εντυπωσιακή σειρά φυσικών και χημικών ιδιοτήτων, όπως η υψηλή αντοχή, η χαμηλή θερμική διαστολή και η ικανότητά του να αντέχει σε ακραίες θερμοκρασίες - ιδιότητες που το έχουν καταστήσει δημοφιλές ως πυρίμαχο υλικό καθώς και ως εξαρτήματα ηλεκτρονικών ισχύος για ηλεκτρικά οχήματα και ασύρματους πομπούς 5G. Δυστυχώς, το κόστος παραγωγής του καρβιδίου του πυριτίου παραμένει σχετικά ακριβό.

Το SiC είναι ευρέως αναγνωρισμένο για την πολύ υψηλής ποιότητας κρυσταλλική του μορφή, που χρησιμοποιείται για ιατρικές εφαρμογές όπως κοπτικά εργαλεία και χειρουργικά εμφυτεύματα. Σύμφωνα με εκτιμήσεις, το ετήσιο κόστος παραγωγής του μπορεί να φτάσει το $1,5 δισεκατομμύριο!

Οι ερευνητές ανέπτυξαν με επιτυχία έναν φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο παραγωγής καρβιδίου του πυριτίου από απόβλητα γυαλιού και πλαστικού. Χρησιμοποιώντας μια ενεργειακά αποδοτική διαδικασία ανακύκλωσης με φλας, μετέτρεψαν τα πλαστικά ενισχυμένα με ίνες γυαλιού (GFRP) στο τέλος του κύκλου ζωής τους σε καρβίδιο του πυριτίου (SiC). Το GFRP είναι ένα άφθονο υλικό που συναντάται παντού, από εξαρτήματα αεροσκαφών μέχρι πτερύγια ανεμόμυλων, αλλά οι ισχυρές αλλά και ανθεκτικές ιδιότητές του καθιστούν συχνά δύσκολη την ανακύκλωσή του όταν η διάρκεια ζωής του έχει φτάσει στο τέλος της.

Η ανακύκλωση με φλας είναι μια φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική λύση στην αποτέφρωση και τη διαλυτοποίηση που χρησιμοποιούν τοξικές χημικές ουσίες. Επιπλέον, η ανάλυση κύκλου ζωής δείχνει ότι αυτό το αναγεννητικό σύστημα παράγει λιγότερη κατανάλωση ενέργειας, εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου και κατανάλωση νερού από τις παραδοσιακές μεθόδους διάθεσης FRP.