Silīcija karbīda pārstrāde

Silīcija karbīds (SiC) ir kļuvis par būtisku tehnoloģisko materiālu. To izmanto abrazīvos materiālos, tehniskajā keramikā un ugunsizturīgajos materiālos, kā arī pusvadītāju ražošanā.

SiC ražo, augstā temperatūrā milzīgās atklātās “Acheson” krāsnīs karsējot kvarca smiltis, kas sajauktas ar oglekli naftas koksa veidā; pēc tam to ražo gan „zaļā”, gan „melnā” variantā izmantošanai kā celtniecības materiālu.

Abrazīvs

Silīcija karbīds (SiC) ir rūpniecības materiāls, kam ir daudzveidīgi pielietojumi abrazīvo materiālu ražošanā, pusvadītāju mikroshēmu izgatavošanā un kristāla radioaparātu ražošanā (sk. attēlu zemāk). Tīrs SiC pats par sevi ir bezkrāsains, taču dzelzs piemaisījumi tam piešķir brūnu līdz melnu nokrāsu. Turklāt SiC tiek izmantots gan kā katalizators, gan augsttemperatūras krāsnīs – tāpēc, kas gan vēl varētu noiet greizi?

Silīcija ingotu plātņu griešana ar stieples zāģi rada lielus SiC šķidrā atkritumu daudzumus. Šajā maisījumā ir pulverveida SiC, kas nodrošina cietību un griešanas veiktspēju, kā arī polietilēnglikols (PEG), kas kalpo gan kā nesējs, gan kā dzesēšanas šķidrums. Zāģēšanas procesa laikā daļiņu izmēru sadalījums mainās, un maisījums piesārņojas ar putekļu daļiņām; lai to varētu atkārtoti izmantot, tas ir jāattīra pirms atkārtotas izmantošanas.

Raisa Universitātes pētnieki izstrādā jaunu metodi, kā pārstrādāt silīcija lietņu atkritumus energoefektīvā, rentablā un augstas kvalitātes abrazīvo produktu, izmantojot šķidruma-šķidruma ekstrakciju un sārmainu izšķīdināšanu, lai iegūtu pulvera maisījumu ar 72% SiC un 28% silīcija saturu – to vēlāk izmanto priekšmetu slīpēšanai, pulēšanai vai smiltināšanai; to var atrast pat lidmašīnās vai vēja ģeneratoros!

Elektromobiļi

Jaudas elektronika ir elektromobiļu (EV) pamatā un veicinās automobiļu masveida elektrifikāciju. Silīcija karbīds (SiC) ir kļuvis par pievilcīgu aizstājējmateriālu enerģijas pārveides sistēmās, piemēram, BEV un FCEV galvenajos vilces invertoros; tas ļauj uzlabot energoefektivitāti, samazināt komutācijas zudumus, nodrošināt drošāku darbību augstās temperatūrās, kā arī palielināt sprieguma kapacitāti mazākās un vieglākās sistēmās.

SiC ir kļuvis par būtisku materiālu elektromobiļu (EV) nozarē — sākot no maziem invertoriem līdz lieliem pārveidotājiem un akumulatoriem. Šī joma piedāvā milzīgu izaugsmes potenciālu SiC tehnoloģiju ražotājiem; tādēļ ir ārkārtīgi svarīgi, lai viņi būtu informēti par jaunākajām tendencēm, kas varētu ietekmēt pieprasījumu pēc viņu produktiem.

Jaunajos elektromobiļos tiek izmantotas baterijas ar daudz lielāku jaudu, un to invertoriem ir nepieciešama lielāka jauda, lai nodrošinātu šīs slodzes pārvaldību, tādējādi uz vienu invertoru ir nepieciešams lielāks MOSFET skaits, kas, iespējams, palielinās pieprasījumu pēc silīcija karbīda MOSFET.

Lai apmierinātu šo pieaugošo pieprasījumu, uzņēmumiem ir jāizstrādā pamatota pārstrādes stratēģija, kas ņemtu vērā tirgus, vērtības ķēdes un tehnoloģiju dinamiku. Uzņēmumi, kas spēs ātri attīstīt galvenās spējas un veidot partnerības, kas atbalsta elektromobiļu biznesu, iegūs konkurences priekšrocības un radīs pievienoto vērtību; tas ietvers arī reinvestīciju termiņu pārskatīšanu, lai nodrošinātu, ka tie neatpaliek no pieprasījuma izmaiņām.

Pusvadītājs

Silīcija karbīds (SiC) ir sintētisks rūpniecības minerāls, ko plaši izmanto daudzās nozarēs tā izcilo īpašību dēļ, piemēram, cietības, izturības pret augstām temperatūrām un ķīmiskās izturības dēļ. Lai gan moissanīts dabā sastopams tikai nelielos daudzumos noteiktos meteorītos vai korunda atradnēs, lielākā daļa mūsdienās ražotā SiC ir sintētiskais variants granulu vai pulvera veidā.

Diemžēl liela daļa materiāla, kas nonāk ražošanas līnijās, kļūst par ražošanas procesu blakusproduktiem, un liela daļa izdedžu atkritumu (kas satur silīciju un oglekli) parasti tiek izmesti krāsnīs kā atkritumi. Līdz šim vienīgā iespēja bija sadedzināšana vai solvolīze, kas ir energoietilpīga un rada bīstamus blakusproduktus.

Pētnieki ir izstrādājuši procesu, ko sauc par „flash upcycling”, lai pārvērstu šo izdedžu augstas kvalitātes silīcija karbīdā (SiC). Sildot to inertas atmosfēras krāsnī temperatūrā, kas sasniedz 2 400 °C, „flash upcycling” procesā tiek iegūts tīrs silīcija karbīds, ko var izmantot daudzās jomās.

Šim izdedžiem ir pieejami atdalīšanas un attīrīšanas procesi, taču to spēja iegūt augstas kvalitātes materiālus, piemēram, izmantošanai augstas kvalitātes lietojumos, ir ierobežota graudu izmēra ierobežojumu un griešanas veiktspējas problēmu dēļ; pašreizējās pārstrādes metodes ietver zemākas kvalitātes produktu ražošanu vai apglabāšanu; Fraunhofer IKTS ir izstrādājis pieejamu metodi pulverveida SiC atkritumu pārstrādei, izmantojot vienkāršus, bet ekonomiskus procesus un produktus.

Medicīna

Silīcija karbīds ir cieta un izturīga neoksīda keramika ar iespaidīgu fizikālo un ķīmisko īpašību klāstu, piemēram, augstu izturību, zemu siltuma izplešanos un spēju izturēt ekstremālas temperatūras — šīs īpašības ir padarījušas to populāru gan kā ugunsizturīgu materiālu, gan kā jaudas elektronikas komponentus elektriskajiem transportlīdzekļiem un 5G bezvadu raidītājiem. Diemžēl silīcija karbīda ražošanas izmaksas joprojām ir salīdzinoši augstas.

SiC ir plaši atzīts par savu ļoti augstas kvalitātes kristalizēto formu, ko izmanto medicīniskām vajadzībām, piemēram, griešanas instrumentu un ķirurģisko implantu ražošanā. Pēc aplēsēm, tā gada ražošanas izmaksas varētu sasniegt pat $1,5 miljardus!

Pētnieki ir veiksmīgi izstrādājuši videi draudzīgu metodi, kā no stikla un plastmasas atkritumiem ražot silīcija karbīdu. Izmantojot energoefektīvu „flash upcycling” procesu, viņi ir pārveidojuši nolietotus stikla šķiedras pastiprinātos plastmasas materiālus (GFRP) par silīcija karbīdu (SiC). GFRP ir plaši izplatīts materiāls, ko var atrast visur — sākot no lidmašīnu detaļām līdz pat vēja ģeneratoru lāpstām —, taču tā izturīgās un ilgmūžīgās īpašības bieži vien apgrūtina tā pārstrādi, kad tā kalpošanas laiks ir beidzies.

„Flash upcycling” ir videi draudzīga alternatīva sadedzināšanai un solvolīzei, kurā tiek izmantotas toksiskas ķīmiskas vielas. Turklāt dzīves cikla analīze liecina, ka šī reģeneratīvā sistēma rada mazāku enerģijas patēriņu, siltumnīcefekta gāzu emisijas un ūdens patēriņu nekā tradicionālās FRP apglabāšanas metodes.