Resirkulering av silisiumkarbid

Silisiumkarbid (SiC) har utviklet seg til å bli et viktig teknologisk materiale. Det brukes i slipemidler, teknisk keramikk og ildfaste materialer - samt i halvlederproduksjon.

SiC produseres ved å varme opp silikasand blandet med karbon i form av petroleumskoks ved høye temperaturer i store, åpne "Acheson"-ovner. SiC produseres deretter i både grønne og svarte varianter for bruk som byggemateriale.

Slipende

Silisiumkarbid (SiC) er et industrielt materiale med mange bruksområder innen slipemiddelproduksjon, produksjon av halvlederbrikker og krystallradioproduksjon (se bildet nedenfor). Rent SiC er fargeløst, men jernforurensninger gir det en brun til svart fargetone. SiC brukes dessuten både som katalysator og i høytemperaturovner - så hva annet kan vel ikke gå galt?

Wiresaging av silisiumskiver produserer store mengder SiC-slurryavfall. Denne blandingen inneholder SiC i pulverform, som er ansvarlig for hardhet og skjæreytelse, samt polyetylenglykol (PEG), som fungerer både som bærer og kjølevæske. Under saging endres partikkelstørrelsesfordelingen og blir forurenset av støvpartikler, og for å kunne gjenbrukes må slurryen renses før den kan brukes på nytt.

Forskere ved Rice University utvikler en ny metode for å omdanne avfall fra silisiumbarrer til et energieffektivt, kostnadseffektivt og høykvalitets slipeprodukt ved hjelp av væske-væske-ekstraksjon og alkalioppløsning for å produsere en pulverblanding med 72% SiC og 28% silisiuminnhold - som senere kan brukes til å slipe, polere eller pusse gjenstander; det kan til og med finnes i fly eller vindmøller!

Elektriske kjøretøyer

Kraftelektronikk er kjernen i elbiler, og vil bidra til elektrifisering av massebiler. Silisiumkarbid (SiC) har blitt et attraktivt erstatningsmateriale i energikonverteringssystemer, for eksempel i hovedomformere for BEV- og FCEV-biler. Dette gir bedre energieffektivitet, lavere koblingstap, tryggere drift ved høye temperaturer og økt spenningskapasitet i mindre og lettere systemer.

SiC har blitt et viktig materiale i elbilsektoren, fra små omformere til store omformere og akkumulatorer. Dette området representerer et enormt vekstpotensial for produsenter av SiC-teknologi, og det er derfor viktig at de holder seg oppdatert på utviklingen som kan endre etterspørselen etter produktene deres.

Nye elbiler bruker batterier med mye større kapasitet og krever mer strøm fra omformerne for å håndtere denne belastningen, noe som krever flere MOSFET-er per omformer og potensielt øker etterspørselen etter MOSFET-er av silisiumkarbid.

For å møte denne økende etterspørselen må bedriftene utvikle en solid resirkuleringsstrategi som tar hensyn til dynamikken i markedet, verdikjeden og teknologien. Bedrifter som raskt kan utvikle nøkkelkompetanse og danne partnerskap som støtter EV-virksomheten, vil få et konkurransefortrinn og skape verdi. Det vil også omfatte en gjennomgang av tidsfrister for reinvesteringer for å sikre at de ikke sakker akterut i forhold til etterspørselskurven.

Halvleder

Silisiumkarbid (SiC) er et syntetisk industrimineral som er mye brukt i en rekke bransjer på grunn av sine eksepsjonelle egenskaper, som hardhet, høy temperaturbestandighet og kjemisk resistens. Mens moissanitt bare finnes naturlig i spormengder i visse meteoritter eller korundforekomster, kommer det meste av SiC som produseres i dag i syntetisk form som enten granulat eller pulver.

Dessverre ender mye av materialet som kommer inn i produksjonslinjene opp som biprodukter i produksjonsprosessene, og mye av slaggavfallet (som inneholder silisium og karbon) ender vanligvis opp som avfall i ovnene. Frem til nå har det eneste alternativet vært forbrenning eller solvolyse, noe som er energikrevende og produserer farlige biprodukter.

Forskere har utviklet en prosess kalt flash upcycling for å omdanne dette slagget til høyverdig silisiumkarbid (SiC). Ved å varme det opp til 2400 grader i en ovn med inert atmosfære, får man rent silisiumkarbid som kan brukes til mange forskjellige formål.

Det finnes separasjons- og renseprosesser for dette slagget, men deres evne til å gjenvinne høykvalitetsapplikasjoner er begrenset på grunn av kornstørrelsesbegrensninger og problemer med skjæreytelse. Dagens resirkuleringsmetoder innebærer downcycling eller deponering. Fraunhofer IKTS har utviklet en rimelig metode for resirkulering av pulverformige SiC-avfallsprodukter ved hjelp av enkle, men økonomiske prosesser og produkter.

Medisinsk

Silisiumkarbid er en hard og slitesterk ikke-oksidkeramikk med en imponerende rekke fysiske og kjemiske egenskaper, som høy styrke, lav termisk ekspansjon og evne til å motstå ekstreme temperaturer - egenskaper som har gjort det populært som ildfast materiale og som kraftelektronikkomponenter i elektriske kjøretøy og 5G-sendere for trådløs kommunikasjon. Dessverre er produksjonskostnadene for silisiumkarbid fortsatt relativt høye.

SiC er viden kjent for sin svært høyverdige krystalliserte form, som brukes til medisinske anvendelser som skjæreverktøy og kirurgiske implantater. Ifølge estimater kan de årlige produksjonskostnadene komme opp i hele $1,5 milliarder!

Forskere har utviklet en miljøvennlig måte å produsere silisiumkarbid fra glass- og plastavfall på. Ved hjelp av en energieffektiv flash upcycling-prosess har de forvandlet glassfiberarmert plast (GFRP) til silisiumkarbid (SiC). GFRP er et materiale som finnes overalt, fra flydeler til vindmøllevinger, men de sterke og holdbare egenskapene gjør det ofte utfordrende å resirkulere det når levetiden er over.

Flash upcycling er et miljøvennlig alternativ til forbrenning og solvolyse, der det brukes giftige kjemikalier. Livssyklusanalyser viser dessuten at dette regenerative systemet gir mindre energiforbruk, klimagassutslipp og vannforbruk enn tradisjonelle metoder for avhending av FRP.