1、新能源汽车
2、光伏发电领域
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碳化硅陶瓷性能卓越！2024 碳化硅“卷”出新高度！
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- 2024-04-13 14:37:51
- 碳酸钙研究院
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碳化硅陶瓷以其卓越的性能，正成为工业界的新宠。这种神奇的材料，不仅耐高温、耐腐蚀，还拥有惊人的强度与轻盈的体重，使其在高温窑炉、化工机械等领域大显身手。不仅如此，碳化硅在新能源汽车、光伏发电等绿色能源产业中的应用，更是预示着一场能源革命的到来。随着全球对这一材料需求的激增，行业内的竞争也日趋激烈，一场关于碳化硅的“内卷”大战正在上演。从实验室到生产线，从研发突破到市场占领，各家企业都在竭尽全力，试图在这场竞争中拔得头筹。 一、碳化硅陶瓷 近年来碳化硅化合物半导体受到行业的广泛关注，但其实碳化硅作为一种高性能材料，电子器件（二极管，功率器件）只是其中的一小部分应用，还可以用作磨料，切削材料，结构材料，光学材料，催化剂载体等等。 今天我们主要介绍的是碳化硅陶瓷（silicon carbide ceramic），它具有化学性能稳定、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、导热系数高、热膨胀系数小、密度小、机械强度高等优点，广泛应用于化工机械、能源环保、半导体、冶金、国防军工等领域。 图 碳化硅陶瓷 来源：华美新材 二、碳化硅结构和性能 碳化硅 SiC 含有硅和碳，是一种典型的多型结构化合物，主要包括 α-SiC（高温稳定型）和 β-SiC（低温稳定型）两种晶型，共有200多种多型体，其中 β-SiC的3C-SiC，和 α-SiC的2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC这几种比较具有代表性。 图 SiC多型体结构 在温度低于 1600℃时，SiC以 β－SiC形式存在，可在 1450℃左右温度下由简单的硅和碳混合物制得。当高于 1600℃时，β－SiC缓慢转变成 α－SiC的各种多型体。4H－SiC在 2000℃左右容易生成；6H 和 15R多型体均需在 2100℃以上的高温才易生成；6H－SiC在温度超过 2200℃时也能保持非常稳定，因此在工业应用上较为普遍。 纯碳化硅是无色透明的结晶，工业碳化硅有无色、淡黄色、浅绿色、深绿色、浅蓝色、深蓝色乃至黑色的，透明程度依次降低。磨料行业将碳化硅按色泽分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两类，其中无色的至深绿色的都归入绿色碳化硅类，浅兰色的至黑色的则归入黑色碳化硅类。黑色碳化硅和绿色碳化硅均为 α-SiC六方晶体，一般碳化硅陶瓷采用绿色碳化硅微粉作为原材料。 三、碳化硅陶瓷制备工艺 碳化硅陶瓷材料是由碳化硅原材料通过粉碎、研磨、分级，获得粒度分布均匀的 SiC颗粒，再将 SiC颗粒和烧结添加剂、临时粘合剂混料压制成素坯，经过高温烧结形成的。但由于 Si-C键具有高度共价键特性（~88%），扩散系数低，导致其在制备过程中的主要问题之一是烧结致密化困难。高致密碳化硅陶瓷制备方法包括反应烧结法、无压烧结法、常压烧结法、热压烧结法、重结晶烧结法、热等静压烧结法、放电等离子烧结等。 不同工艺制备的碳化硅陶瓷性能 但碳化硅陶瓷有断裂韧性较低，也就是脆性较大的缺点，为此近几年以碳化硅陶瓷为基的复相陶瓷，如纤维（或晶须）补强、异相颗粒弥散强化以及梯度功能材料相继出现，改善了单体材料的韧性和强度。 四、碳化硅陶瓷的应用发展前景 作为性能优异的结构陶瓷高温材料，碳化硅陶瓷已在高温窑炉、钢铁冶金、石油化工、机械电子、航天航空、能源环保、核能、汽车等领域得到越来越多的应用。 未来随着新能源汽车、能源、工业、通讯等领域渗透率提升，及各领域对高精密度、高耐磨耗、高可靠度机械零组件或电子元件要求日趋严格，碳化硅陶瓷产品市场规模有望持续扩大，其中新能源汽车和光伏为重要发展领域。 1、新能源汽车
碳化硅陶瓷以其优异的高温机械性能，耐火性能以及抗热震性能应用于陶瓷窑中，其中辊道窑炉主要用于锂离子电池正极材料、负极材料和电解液的烘干、烧结和热处理等工序，而锂电正、负极材料正是新能源汽车不可或缺的。碳化硅陶瓷窑具是窑炉的关键配件，可提高窑炉生产能力，大幅度降低能耗。 2、光伏发电领域
碳化硅陶瓷在光伏电池片生产过程中作关键载具材料时，所制舟托、舟盒、管件制品等热稳定性能好，高温使用不变形，无有害析出污染物，可代替目前普遍使用的石英舟托、舟盒、管件制品，具有显著的成本优势。 此外光伏碳化硅功率器件市场前景广阔，SiC 材料具有更低的导通电阻、栅极电荷和反向恢复电荷特性，使用 SiC-Mosfet 或 SiC-Mosfet 与 SiC-SBD 结合的光伏逆变器，可将转换效率从 96% 提升至 99% 以上，能量损耗降低 50%+，设备循环寿命提升 50 倍。 图 绿碳化硅微粉 来源：华美新材图 常压烧结碳化硅密封环 来源：华美新材 五、2024 碳化硅“卷”出新高度 2023年碳化硅打的火热，国外合作扩产，国内项目“大乱斗”，2024年是关键的一年，面对需求端新能源汽车+光伏上量与供给端良率突破，2024年碳化硅有望大规模放量，国内外厂商在这条赛道上也卷到极致。 截至目前，全球已有27家企业实现了8英寸SiC单晶生长的研发突破，其中包括17家中国企业。 目前，PVT法是发展最成熟的并已成功实现商业化的制备方法，已被全球绝大多数研究机构和公司所采用，已基本实现4~6英寸SiC衬底批量化制备，衬底市场呈现美日欧三足鼎立的局面。其中采用该方法已实现产业化公司有美国Wolfspeed，Dowcorning，II-VI，德国SiCrystal，日本Nipponsteel，中国的天科合达等。而美国Wolfspeed率先采用PVT法成功获得8英寸SiC单晶衬底，并建立全全球首座、最大8英寸晶圆厂。 国内方面，中科院陈小龙团队通过气相法将碳化硅晶体直径从小于10毫米不断增大到2英寸、4英寸、6英寸和8英寸，而在2022年上半年，其实验室已取得8英寸碳化硅生长的突破；2024年1月，陈小龙团队利用高温液相法，在国际上首次生长出了直径2-4英寸、厚度4-10mm、单一晶型的3C-SiC单晶；2022年，南砂晶圆与山东大学联合采用PVT法扩径制备了8英寸导电型4H-SiC单晶，并加工成厚度520μm的8英寸4H-SiC衬底；2023年天岳先进采用液相法制备出了低缺陷的8英寸晶体，通过热场、溶液设计和工艺创新突破了碳化硅单晶高质量生长界面控制和缺陷控制难题，尚属业内首创；2024年开年，平煤神马集团碳化硅半导体实验室成功生长出河南省第一块8英寸碳化硅单晶晶锭等。 陈小龙团队利用高温液相法实现了2-4英寸、厚度4-10 mm、立方碳化硅晶体 据不完全统计，国际厂商去年一年贡献6英寸碳化硅衬底产能超过200万片。随着衬底材料持续突破技术“天花板”，全球8英寸SiC晶圆厂的扩张规模也在2023年达到了新高水平，而就目前来看，在新能源汽车+光伏行业上量与供给端良率突破，全球各大碳化硅相关厂商正疯狂发力碳化硅。 据业内人士预测，未来6寸产品每年降幅可达在5%～8%之间，8寸产品降幅则更大，能够达到10%。如果8英寸扩展顺利，未来碳化硅价格会持续走低，彼时切入碳化硅将会成为企业优选，但若8英寸扩产不顺利，仅仅依赖6英寸，价格可能会维持或上涨。 可以预见，未来8英寸将会迎来一场大战，2024年碳化硅市场只会更卷！ 文章来源：综合自陶瓷科技视野。
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