碳化硅“稻”夢(mèng)空間：一場(chǎng)由農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物引領(lǐng)的碳化硅材料綠色制造新風(fēng)尚
文章來(lái)源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2024-10-11 14:22:51
|
在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，創(chuàng)新成為推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域前進(jìn)的關(guān)鍵力量。而在材料科學(xué)領(lǐng)域，碳化硅作為一種具有重要應(yīng)用價(jià)值的半導(dǎo)體材料，一直備受關(guān)注。近日，武漢科技大學(xué)材料學(xué)部的 “志同‘稻’合” 學(xué)生團(tuán)隊(duì)，以其獨(dú)特的創(chuàng)新成果，為碳化硅材料的制備開辟了一條新的綠色之路。 一、農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物的新機(jī)遇 水稻副產(chǎn)物的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn) 水稻作為我國(guó)的主要糧食作物，每年產(chǎn)生大量的稻稈和稻殼等農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物。然而，這些副產(chǎn)物的綜合利用率并不高，往往被焚燒或作為飼料和生物能源使用，其附加值相對(duì)較低。同時(shí)，焚燒處理還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。因此，如何高效地利用這些農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物，成為了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。 納米碳化硅的誕生 武漢科技大學(xué)材料學(xué)部 “志同‘稻’合” 學(xué)生團(tuán)隊(duì)采用低溫鎂熱技術(shù)，從稻稈、稻殼中提取制作一種半導(dǎo)體材料 —— 納米碳化硅。顆粒尺寸可細(xì)達(dá) 30nm，純度達(dá) 99.99%，使稻殼附加值提升 9 倍以上。這一創(chuàng)新成果不僅為農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物的高附加值利用開辟了新的途徑，也為半導(dǎo)體材料的生產(chǎn)提供了新的思路。 技術(shù)難點(diǎn)的突破 從稻稈和稻殼中低溫便捷地合成納米碳化硅，并控制其尺寸形態(tài)，是技術(shù)上的難點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外工業(yè)常用碳熱還原法制備納米碳化硅，但這種制備方法溫度高達(dá) 1600℃~2200℃，能耗大且純度低，轉(zhuǎn)化工藝也相對(duì)復(fù)雜。針對(duì)這些問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)利用稻稈和稻殼中的天然納米氧化硅與碳反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為顆粒均勻的納米碳化硅產(chǎn)品。在反應(yīng)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)自研了低溫鎂熱技術(shù)和動(dòng)態(tài)熱量控制技術(shù)，成功突破了鎂熱過(guò)程因局部高溫引起的納米碳化硅燒結(jié)問(wèn)題，從而保障了顆粒尺寸的細(xì)小和均勻。 二、納米碳化硅的潛在應(yīng)用 復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用 基體材料中加入納米晶須、納米粒子、納米纖維等可以明顯的提高材料的力學(xué)性能和抗氧化性能。而納米碳化硅因其具有彈性模量高、強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好以及耐腐蝕優(yōu)良等特性，被認(rèn)為是復(fù)合材料最理想的補(bǔ)強(qiáng)增韌劑，可廣泛用于聚合物復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料以及 C/C 復(fù)合材料。 場(chǎng)發(fā)射體的應(yīng)用潛力 場(chǎng)發(fā)射是一種在強(qiáng)外電場(chǎng)作用下固體中的電子從陰極表面逸出的現(xiàn)象。碳化硅在惡劣的條件下具有高的抗氧化性和熱穩(wěn)定性，可以承受高的電流密度。因此，在場(chǎng)發(fā)射陰極材料領(lǐng)域中有很好的應(yīng)用潛力。 傳感器領(lǐng)域的前景 碳化硅納米線具有較大的比表面積，其電導(dǎo)率對(duì)于其表面電子狀態(tài)的改變十分敏感。這使得碳化硅納米線在傳感器等方面有較大的前景。當(dāng)然，與金剛石 NPs 中熒光成像和在傳感中廣泛的應(yīng)用相比，碳化硅 NPs 在這些領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于起步階段。 超級(jí)電容器的應(yīng)用 碳化硅具有高熔點(diǎn)、優(yōu)異的力學(xué)性能、高溫穩(wěn)定性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，其納米材料常被用作高溫結(jié)構(gòu)材料的納米增強(qiáng)相。考慮到碳化硅納米材料的大比表面積和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，近些年其被廣泛用于超級(jí)電容器領(lǐng)域，特別是作為應(yīng)用于惡劣應(yīng)用環(huán)境下的儲(chǔ)能材料。 吸波材料的發(fā)展前景 納米碳化硅是一種理想的高溫輕質(zhì)吸波材料，它可以產(chǎn)生介電損耗從而吸收電磁波，同時(shí)還具有化學(xué)和力學(xué)性能穩(wěn)定、密度小、比表面積大的優(yōu)點(diǎn)。因此，碳化硅納米材料可在極端條件下使用，在吸波領(lǐng)域的發(fā)展前景巨大。 三、碳化硅行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn) 市場(chǎng)規(guī)模與發(fā)展趨勢(shì) 近年來(lái)，中國(guó)碳化硅行業(yè)發(fā)展迅速，市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。目前，碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要包括襯底、外延、器件設(shè)計(jì)、晶圓制造、模塊封裝，以第三代半導(dǎo)體材料為核心，主要應(yīng)用于新能源汽車、光伏等領(lǐng)域。產(chǎn)業(yè)鏈上游為碳化硅襯底和外延生長(zhǎng)，中游為碳化硅器件和模塊的設(shè)計(jì)與制造，下游則涉及多個(gè)高端應(yīng)用領(lǐng)域。 根據(jù)中研普華產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的報(bào)告顯示，2023 年，中國(guó)碳化硅外延設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模約為 13.07 億元，預(yù)計(jì)到 2026 年將增至 26.86 億元。根據(jù)國(guó)際知名市場(chǎng)調(diào)研公司 Yole 的數(shù)據(jù)，2018 年全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模為 4.2 億美元，2019 年規(guī)模增長(zhǎng)至 5.64 億美元，2021 年為 10 億美元。未來(lái)，隨著電動(dòng)汽車、動(dòng)力電池以及電力供應(yīng)和太陽(yáng)能的發(fā)展，碳化硅器件市場(chǎng)將進(jìn)一步快速增長(zhǎng)，特別是電動(dòng)汽車及動(dòng)力電池的驅(qū)動(dòng)。預(yù)計(jì) 2024 年，全球碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)至 20 億美元，2018 年至 2024 年期間的復(fù)合增長(zhǎng)率接近 30%。 全球產(chǎn)業(yè)格局與國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 從全球產(chǎn)業(yè)格局看，碳化硅領(lǐng)先品牌美、歐、日三足鼎立，高技術(shù)門檻導(dǎo)致第三代半導(dǎo)體材料市場(chǎng)被壟斷，國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)品主要集中在中低端市場(chǎng)。美國(guó)全球獨(dú)大，占有全球碳化硅產(chǎn)量的 70%-80%，美國(guó) Wolfspeed 在碳化硅晶圓市場(chǎng)的占有率達(dá) 60% 之多。歐洲擁有完整的碳化硅襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，在全球電力電子市場(chǎng)擁有強(qiáng)大的話語(yǔ)權(quán)，日本是設(shè)備和模塊開發(fā)方面的絕對(duì)領(lǐng)先者。 國(guó)內(nèi)企業(yè)在碳化硅襯底方面以 4 英寸為主。近幾年，國(guó)內(nèi)企業(yè)已實(shí)現(xiàn) 4 英寸襯底的量產(chǎn)，并已經(jīng)開發(fā)出 6 英寸導(dǎo)電性碳化硅襯底和高純半絕緣碳化硅襯底。山東天岳、天科合達(dá)、河北同光、中科節(jié)能均已完成 6 英寸襯底的研發(fā)，中電科裝備已成功研制出 6 英寸半絕緣襯底。其中，山東天岳、天科合達(dá)和河北同光在碳化硅單晶襯底技術(shù)上形成自主技術(shù)體系。 行業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn) 盡管全球碳化硅器件市場(chǎng)已經(jīng)初具規(guī)模，但是碳化硅功率器件領(lǐng)域仍然存在諸多共性問(wèn)題亟待突破，比如碳化硅單晶和外延材料價(jià)格居高不下、材料缺陷問(wèn)題仍未完全解決、碳化硅器件制造工藝難度較高、高壓碳化硅器件工藝不成熟、器件封裝不能滿足高頻高溫應(yīng)用需求等。全球碳化硅技術(shù)和產(chǎn)業(yè)距離成熟尚有一定的差距，在一定程度上制約了碳化硅器件市場(chǎng)擴(kuò)大的步伐。 四、碳化硅行業(yè)的未來(lái)展望 國(guó)產(chǎn)替代的趨勢(shì) 隨著國(guó)內(nèi)碳化硅企業(yè)技術(shù)水平的提升和產(chǎn)能擴(kuò)張，國(guó)產(chǎn)替代將成為行業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)企業(yè)將逐步減少對(duì)進(jìn)口碳化硅的依賴，提高自給率。隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)的不斷努力和創(chuàng)新，差距正在逐步縮小。同時(shí)，國(guó)內(nèi)企業(yè)在市場(chǎng)規(guī)模、生產(chǎn)成本等方面也具有一定的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和市場(chǎng)的不斷拓展，中國(guó)碳化硅行業(yè)有望在國(guó)際市場(chǎng)上占據(jù)更重要的地位。 8 英寸碳化硅的布局 新能源汽車、5G 通訊、數(shù)據(jù)中心以及光伏等熱門應(yīng)用領(lǐng)域拉動(dòng)需求，碳化硅市場(chǎng)規(guī)模開始爆發(fā)。在此背景下，全球碳化硅相關(guān)廠商正在不斷尋求合作，保障供應(yīng)鏈體系，以及擴(kuò)充產(chǎn)能，以滿足市場(chǎng)需求。 從今年 1 月份到現(xiàn)在，越來(lái)越多的從業(yè)者都知道碳化硅 6 英寸轉(zhuǎn) 8 英寸，是未來(lái)三年整個(gè)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈最大的一件事情。未來(lái) 6 英寸產(chǎn)品每年降幅在 5%-8% 之間，8 英寸產(chǎn)品降幅則更大，能夠達(dá)到 10%。如果 8 英寸擴(kuò)展順利，未來(lái)碳化硅價(jià)格會(huì)持續(xù)走低，彼時(shí)切入將會(huì)成為企業(yè)優(yōu)選。但若 8 英寸擴(kuò)產(chǎn)不順利，僅僅依賴 6 英寸，價(jià)格可能會(huì)維持或上漲。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái) 8 英寸將會(huì)迎來(lái)一場(chǎng)大戰(zhàn)。 共建良性產(chǎn)業(yè)生態(tài) 隨著行業(yè)的發(fā)展，碳化硅企業(yè)將面臨更多的發(fā)展機(jī)會(huì)。而通過(guò)產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同、兼并重組等方式，共建良性產(chǎn)業(yè)生態(tài)，優(yōu)化資源配置，提高產(chǎn)業(yè)集中度，是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 去年以來(lái)，碳化硅行業(yè)火熱，國(guó)內(nèi)內(nèi)卷嚴(yán)重，特別是襯底下游的器件等環(huán)節(jié)。企業(yè)需要?jiǎng)?chuàng)新，包括技術(shù)創(chuàng)新、體系創(chuàng)新以及產(chǎn)業(yè)生態(tài)的創(chuàng)新，體現(xiàn)在上下游企業(yè)之間如何協(xié)同上。要想沖出內(nèi)卷，其中一個(gè)辦法就是 “出海”，面對(duì)國(guó)外頭部企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，核心還是自己的產(chǎn)品過(guò)硬。企業(yè)發(fā)展到一定階段，不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些分化和洗牌，在這個(gè)階段行業(yè)需要進(jìn)行整合，鼓勵(lì)企業(yè)之間的兼并整合，最終形成行業(yè)龍頭。 新能源汽車帶來(lái)的機(jī)遇 新能源汽車的高速發(fā)展，強(qiáng)勁推動(dòng)碳化硅功率器件的應(yīng)用，尤其是在 EV 主逆變器等方面的需求，讓碳化硅市場(chǎng)高速增長(zhǎng)。雖然國(guó)產(chǎn)碳化硅芯片 “上車” 剛起步，存在眾多堵點(diǎn)和難點(diǎn)，但難阻碳化硅企業(yè)紛紛 “注目抬腳”“奔跑沖刺”。 當(dāng)前，碳化硅器件微型化面臨的挑戰(zhàn)主要涉及制造工藝、熱管理、封裝技術(shù)等方面。堵點(diǎn)無(wú)非是兩個(gè)問(wèn)題，品質(zhì)和成本。現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)芯片跟進(jìn)口器件相比，質(zhì)量還存在一定差距，價(jià)格還可能比進(jìn)口的貴。但必須要用，只有在使用過(guò)程中才能不斷優(yōu)化產(chǎn)品，才會(huì)打磨出高品質(zhì)的產(chǎn)品。隨著價(jià)格不斷下降、質(zhì)量不斷提高、產(chǎn)能持續(xù)擴(kuò)大，主驅(qū)芯片國(guó)產(chǎn)替代已經(jīng)起步，但量還沒(méi)有起來(lái)。碳化硅這個(gè)行業(yè)是中國(guó)比較擅長(zhǎng)的賽道，有可能主導(dǎo)國(guó)際的供應(yīng)鏈和市場(chǎng)。在這種情況下，國(guó)際企業(yè)和國(guó)內(nèi)企業(yè)需要強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合才能有更好的發(fā)展。 總之，武漢科技大學(xué)材料學(xué)部 “志同‘稻’合” 學(xué)生團(tuán)隊(duì)的納米碳化硅制備新突破，為農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物的高附加值利用和碳化硅材料的綠色制造提供了新的途徑。同時(shí)，碳化硅行業(yè)在市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的同時(shí)，也面臨著諸多挑戰(zhàn)。未來(lái)，通過(guò)國(guó)產(chǎn)替代、8 英寸碳化硅的布局、共建良性產(chǎn)業(yè)生態(tài)以及抓住新能源汽車帶來(lái)的機(jī)遇，碳化硅行業(yè)有望實(shí)現(xiàn)更加快速的發(fā)展。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_559168.html 來(lái)源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
相關(guān)新聞
- [2024-10-11]·人工智能助力破解蛋白質(zhì)神奇結(jié)構(gòu)
- [2024-10-09]·中共中央辦公廳 國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)
- [2024-09-30]·茂名石化30萬(wàn)噸/年環(huán)氧丙烷裝置
- [2024-09-30]·浙高建公司新型公路聚氨酯標(biāo)線產(chǎn)
- [2024-09-30]·濱華新材料24萬(wàn)噸PO/74.2萬(wàn)噸MTB
- [2024-10-11]·碳化硅“稻”夢(mèng)空間：一場(chǎng)由農(nóng)業(yè)
- [2024-10-11]·聚合物氮化碳（PCN）主要應(yīng)用于
- [2024-10-11]·【聚焦】超高分子量聚丙烯（UHMW
- [2024-10-11]·匯富納米氣相納米材料在勃姆石中
- [2024-10-11]·創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展“無(wú)縫銜接”——
主辦單位：山東省化工情報(bào)信息協(xié)會(huì)
山東省濟(jì)南市文化東路80號(hào)郵編：250014電話：0531—86399950、86399980、86399990傳真：0531—86399186
山東化工網(wǎng)在線交流：
Copyright(C)山東省化工情報(bào)信息協(xié)會(huì) 版權(quán)所有 備案號(hào)：魯ICP備2021036540號(hào)
山東省濟(jì)南市文化東路80號(hào)郵編：250014電話：0531—86399950、86399980、86399990傳真：0531—86399186
山東化工網(wǎng)在線交流：
Copyright(C)山東省化工情報(bào)信息協(xié)會(huì) 版權(quán)所有 備案號(hào)：魯ICP備2021036540號(hào)
魯公網(wǎng)安備 37010202001033號(hào)