Переработка карбида кремния

Карбид кремния (SiC) стал одним из важнейших технологических материалов. Он применяется в производстве абразивов, технической керамики и огнеупоров, а также в полупроводниковой промышленности.

Карбид кремния (SiC) получают путем нагрева кварцевого песка, смешанного с углеродом в виде нефтяного кокса, при высоких температурах в огромных открытых печах типа “Ачесон”; затем его производят в «зеленом» и «черном» вариантах для использования в качестве строительного материала.

Абразив

Карбид кремния (SiC) — это промышленный материал, находящий широкое применение в производстве абразивных материалов, полупроводниковых микросхем и кристаллических радиоприемников (см. рисунок ниже). Чистый SiC сам по себе бесцветен, однако примеси железа придают ему оттенок от коричневого до чёрного. Кроме того, SiC используется как катализатор и в высокотемпературных печах — так что же ещё может пойти не так?

При пилении кремниевых слитков с помощью проволочной пилы образуются большие объемы отходов в виде суспензии SiC. Эта смесь содержит порошкообразный SiC, обеспечивающий твердость и режущие свойства, а также полиэтиленгликоль (ПЭГ), который служит одновременно носителем и охлаждающей жидкостью. В процессе пиления распределение частиц по размерам изменяется, и суспензия загрязняется частицами пыли; для повторного использования её необходимо очистить перед повторным применением.

Исследователи из Университета Райса разрабатывают новый способ вторичной переработки отходов кремниевых слитков с целью получения энергоэффективного, экономичного и и высококачественный абразивный материал. В процессе используются жидко-жидкостная экстракция и щелочное растворение для получения порошковой смеси с содержанием 72% SiC и 28% кремния, которая впоследствии применяется для шлифования, полировки или зачистки поверхностей; её можно даже найти в самолётах или ветряных турбинах!

Электромобили

Силовая электроника является основой электромобилей (EV) и станет движущей силой массовой электрификации автомобилей. Карбид кремния (SiC) стал привлекательным заменителем в системах преобразования энергии, таких как основные тяговые инверторы для батарейных электромобилей (BEV) и электромобилей на топливных элементах (FCEV); это позволяет повысить энергоэффективность, снизить потери на переключение, обеспечить более безопасную работу при высоких температурах, а также увеличить напряжение в более компактных и лёгких системах.

SiC стал незаменимым материалом в секторе электромобилей (EV) — от небольших инверторов до крупных преобразователей и аккумуляторов. Эта область представляет собой огромный потенциал роста для производителей технологий на основе SiC; поэтому им крайне важно быть в курсе событий, которые могут повлиять на спрос на их продукцию.

В новых электромобилях используются аккумуляторы значительно большей ёмкости, и для управления такой нагрузкой требуется более высокая мощность инверторов, что приводит к необходимости использования большего количества МОСФЕТ на каждый инвертор и, возможно, к росту спроса на МОСФЕТы на основе карбида кремния.

Чтобы удовлетворить этот растущий спрос, предприятиям необходимо разработать продуманную стратегию переработки отходов, учитывающую динамику рынка, цепочки создания стоимости и технологий. Компании, способные оперативно развить ключевые компетенции и наладить партнерские отношения, способствующие развитию бизнеса в сфере электромобилей, получат конкурентное преимущество и создадут добавленную стоимость; это также потребует пересмотра сроков реинвестирования, чтобы не отставать от кривой спроса.

Полупроводник

Карбид кремния (SiC) — это синтетический промышленный минерал, широко применяемый во многих отраслях промышленности благодаря своим исключительным свойствам, таким как твердость, термостойкость и химическая стойкость. Хотя моиссанит в природе встречается лишь в следовых количествах в некоторых метеоритах или месторождениях корунда, большая часть производимого сегодня SiC выпускается в синтетической форме в виде гранул или порошка.

К сожалению, значительная часть сырья, поступающего на производственные линии, в конечном итоге превращается в побочные продукты производственных процессов, причем большая часть шлаковых отходов (содержащих кремний и углерод) обычно выбрасывается в печи в качестве отходов. До сих пор единственным способом утилизации было сжигание или сольволиз, которые требуют больших затрат энергии и приводят к образованию опасных побочных продуктов.

Учёные разработали процесс, получивший название «flash upcycling», позволяющий преобразовывать этот шлак в высококачественный карбид кремния (SiC). Путем нагрева до температуры 2 400 °C в печи с инертной атмосферой с помощью технологии «flash upcycling» получается чистый карбид кремния, который может использоваться в самых разных областях.

Для данного шлака существуют процессы разделения и очистки, однако их способность извлекать сырьё для высококачественных применений ограничена из-за ограничений по размеру зёрен и проблем с режущими свойствами; существующие методы переработки включают понижение уровня переработки или захоронение; Институт Fraunhofer IKTS разработал экономичный метод переработки порошкообразных отходов SiC с использованием простых, но экономически эффективных процессов и продуктов.

Медицинский

Карбид кремния — это твердая и прочная неоксидная керамика, обладающая впечатляющим набором физических и химических свойств, таких как высокая прочность, низкое тепловое расширение и способность выдерживать экстремальные температуры — качества, благодаря которым он стал популярным как огнеупорный материал, так и в качестве компонентов силовой электроники для электромобилей и беспроводных передатчиков 5G. К сожалению, себестоимость производства карбида кремния по-прежнему остается относительно высокой.

SiC широко известен благодаря своей кристаллической форме очень высокого качества, которая используется в медицинских целях, например, для изготовления режущих инструментов и хирургических имплантатов. По оценкам, годовые затраты на его производство могут достигать $1,5 миллиарда!

Исследователи успешно разработали экологически безопасный способ производства карбида кремния из отходов стекла и пластика. Используя энергоэффективный процесс мгновенной переработки, они преобразовали отслужившие свой срок стеклопластики (GFRP) в карбид кремния (SiC). СФК — широко распространённый материал, который используется повсеместно, от деталей самолётов до лопастей ветряных турбин, однако его прочность и долговечность зачастую затрудняют переработку по истечении срока службы.

Утилизация методом «Flash upcycling» представляет собой экологически безопасную альтернативу сжиганию и сольволизу, при которых используются токсичные химические вещества. Кроме того, анализ жизненного цикла показывает, что эта регенеративная система характеризуется меньшим энергопотреблением, меньшими выбросами парниковых газов и меньшим расходом воды по сравнению с традиционными методами утилизации стеклопластика.