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碳化硅“稻”夢空間：一場由農業(yè)副產物引領的碳化硅材料綠色制造新風尚

文章來源：賢集網更新時間：2024-10-11 14:22:51

在當今科技飛速發(fā)展的時代，創(chuàng)新成為推動各個領域前進的關鍵力量。而在材料科學領域，碳化硅作為一種具有重要應用價值的半導體材料，一直備受關注。近日，武漢科技大學材料學部的 “志同‘稻’合” 學生團隊，以其獨特的創(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、農業(yè)副產物的新機遇

水稻副產物的現狀與挑戰(zhàn)

水稻作為我國的主要糧食作物，每年產生大量的稻稈和稻殼等農業(yè)副產物。然而，這些副產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，其附加值相對較低。同時，焚燒處理還會對環(huán)境造成污染。因此，如何高效地利用這些農業(yè)副產物，成為了一個亟待解決的問題。

納米碳化硅的誕生

武漢科技大學材料學部 “志同‘稻’合” 學生團隊采用低溫鎂熱技術，從稻稈、稻殼中提取制作一種半導體材料 —— 納米碳化硅。顆粒尺寸可細達 30nm，純度達 99.99%，使稻殼附加值提升 9 倍以上。這一創(chuàng)新成果不僅為農業(yè)副產物的高附加值利用開辟了新的途徑，也為半導體材料的生產提供了新的思路。

技術難點的突破

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)，是技術上的難點。目前，國內外工業(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 1600℃~2200℃，能耗大且純度低，轉化工藝也相對復雜。針對這些問題，該團隊利用稻稈和稻殼中的天然納米氧化硅與碳反應，轉化為顆粒均勻的納米碳化硅產品。在反應過程中，團隊自研了低溫鎂熱技術和動態(tài)熱量控制技術，成功突破了鎂熱過程因局部高溫引起的納米碳化硅燒結問題，從而保障了顆粒尺寸的細小和均勻。

二、納米碳化硅的潛在應用

復合材料領域的應用

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性能和抗氧化性能。而納米碳化硅因其具有彈性模量高、強度高、熱穩(wěn)定性好以及耐腐蝕優(yōu)良等特性，被認為是復合材料最理想的補強增韌劑，可廣泛用于聚合物復合材料、金屬基復合材料以及 C/C 復合材料。

場發(fā)射體的應用潛力

場發(fā)射是一種在強外電場作用下固體中的電子從陰極表面逸出的現象。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，在場發(fā)射陰極材料領域中有很好的應用潛力。

傳感器領域的前景

碳化硅納米線具有較大的比表面積，其電導率對于其表面電子狀態(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。當然，與金剛石 NPs 中熒光成像和在傳感中廣泛的應用相比，碳化硅 NPs 在這些領域的應用仍處于起步階段。

超級電容器的應用

碳化硅具有高熔點、優(yōu)異的力學性能、高溫穩(wěn)定性和耐腐蝕性等優(yōu)點，其納米材料常被用作高溫結構材料的納米增強相。考慮到碳化硅納米材料的大比表面積和優(yōu)異的化學穩(wěn)定性等特點，近些年其被廣泛用于超級電容器領域，特別是作為應用于惡劣應用環(huán)境下的儲能材料。

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吸波材料，它可以產生介電損耗從而吸收電磁波，同時還具有化學和力學性能穩(wěn)定、密度小、比表面積大的優(yōu)點。因此，碳化硅納米材料可在極端條件下使用，在吸波領域的發(fā)展前景巨大。

三、碳化硅行業(yè)的發(fā)展現狀與挑戰(zhàn)

市場規(guī)模與發(fā)展趨勢

近年來，中國碳化硅行業(yè)發(fā)展迅速，市場規(guī)模不斷擴大。目前，碳化硅產業(yè)鏈主要包括襯底、外延、器件設計、晶圓制造、模塊封裝，以第三代半導體材料為核心，主要應用于新能源汽車、光伏等領域。產業(yè)鏈上游為碳化硅襯底和外延生長，中游為碳化硅器件和模塊的設計與制造，下游則涉及多個高端應用領域。

根據中研普華產業(yè)研究院發(fā)布的報告顯示，2023 年，中國碳化硅外延設備市場規(guī)模約為 13.07 億元，預計到 2026 年將增至 26.86 億元。根據國際知名市場調研公司 Yole 的數據，2018 年全球碳化硅功率器件市場規(guī)模為 4.2 億美元，2019 年規(guī)模增長至 5.64 億美元，2021 年為 10 億美元。未來，隨著電動汽車、動力電池以及電力供應和太陽能的發(fā)展，碳化硅器件市場將進一步快速增長，特別是電動汽車及動力電池的驅動。預計 2024 年，全球碳化硅器件市場規(guī)模將增長至 20 億美元，2018 年至 2024 年期間的復合增長率接近 30%。

全球產業(yè)格局與國內現狀

從全球產業(yè)格局看，碳化硅領先品牌美、歐、日三足鼎立，高技術門檻導致第三代半導體材料市場被壟斷，國內碳化硅產品主要集中在中低端市場。美國全球獨大，占有全球碳化硅產量的 70%-80%，美國 Wolfspeed 在碳化硅晶圓市場的占有率達 60% 之多。歐洲擁有完整的碳化硅襯底、外延、器件以及應用產業(yè)鏈，在全球電力電子市場擁有強大的話語權，日本是設備和模塊開發(fā)方面的絕對領先者。

國內企業(yè)在碳化硅襯底方面以 4 英寸為主。近幾年，國內企業(yè)已實現 4 英寸襯底的量產，并已經開發(fā)出 6 英寸導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、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、天科合達和河北同光在碳化硅單晶襯底技術上形成自主技術體系。

行業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

盡管全球碳化硅器件市場已經初具規(guī)模，但是碳化硅功率器件領域仍然存在諸多共性問題亟待突破，比如碳化硅單晶和外延材料價格居高不下、材料缺陷問題仍未完全解決、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用需求等。全球碳化硅技術和產業(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擴大的步伐。

四、碳化硅行業(yè)的未來展望

國產替代的趨勢

隨著國內碳化硅企業(yè)技術水平的提升和產能擴張，國產替代將成為行業(yè)發(fā)展的重要趨勢。國內企業(yè)將逐步減少對進口碳化硅的依賴，提高自給率。隨著國內企業(yè)的不斷努力和創(chuàng)新，差距正在逐步縮小。同時，國內企業(yè)在市場規(guī)模、生產成本等方面也具有一定的優(yōu)勢。未來，隨著技術的進一步發(fā)展和市場的不斷拓展，中國碳化硅行業(yè)有望在國際市場上占據更重要的地位。

8 英寸碳化硅的布局

新能源汽車、5G 通訊、數據中心以及光伏等熱門應用領域拉動需求，碳化硅市場規(guī)模開始爆發(fā)。在此背景下，全球碳化硅相關廠商正在不斷尋求合作，保障供應鏈體系，以及擴充產能，以滿足市場需求。

從今年 1 月份到現在，越來越多的從業(yè)者都知道碳化硅 6 英寸轉 8 英寸，是未來三年整個碳化硅產業(yè)鏈最大的一件事情。未來 6 英寸產品每年降幅在 5%-8% 之間，8 英寸產品降幅則更大，能夠達到 10%。如果 8 英寸擴展順利，未來碳化硅價格會持續(xù)走低，彼時切入將會成為企業(yè)優(yōu)選。但若 8 英寸擴產不順利，僅僅依賴 6 英寸，價格可能會維持或上漲。可以預見，未來 8 英寸將會迎來一場大戰(zhàn)。

共建良性產業(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)展機會。而通過產業(yè)鏈上下游協(xié)同、兼并重組等方式，共建良性產業(yè)生態(tài)，優(yōu)化資源配置，提高產業(yè)集中度，是未來發(fā)展的必然趨勢。

去年以來，碳化硅行業(yè)火熱，國內內卷嚴重，特別是襯底下游的器件等環(huán)節(jié)。企業(yè)需要創(chuàng)新，包括技術創(chuàng)新、體系創(chuàng)新以及產業(yè)生態(tài)的創(chuàng)新，體現在上下游企業(yè)之間如何協(xié)同上。要想沖出內卷，其中一個辦法就是 “出海”，面對國外頭部企業(yè)的競爭，核心還是自己的產品過硬。企業(yè)發(fā)展到一定階段，不可避免地會出現一些分化和洗牌，在這個階段行業(yè)需要進行整合，鼓勵企業(yè)之間的兼并整合，最終形成行業(yè)龍頭。

新能源汽車帶來的機遇

新能源汽車的高速發(fā)展，強勁推動碳化硅功率器件的應用，尤其是在 EV 主逆變器等方面的需求，讓碳化硅市場高速增長。雖然國產碳化硅芯片 “上車” 剛起步，存在眾多堵點和難點，但難阻碳化硅企業(yè)紛紛 “注目抬腳”“奔跑沖刺”。

當前，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、封裝技術等方面。堵點無非是兩個問題，品質和成本。現在國產芯片跟進口器件相比，質量還存在一定差距，價格還可能比進口的貴。但必須要用，只有在使用過程中才能不斷優(yōu)化產品，才會打磨出高品質的產品。隨著價格不斷下降、質量不斷提高、產能持續(xù)擴大，主驅芯片國產替代已經起步，但量還沒有起來。碳化硅這個行業(yè)是中國比較擅長的賽道，有可能主導國際的供應鏈和市場。在這種情況下，國際企業(yè)和國內企業(yè)需要強強聯合才能有更好的發(fā)展。

總之，武漢科技大學材料學部 “志同‘稻’合” 學生團隊的納米碳化硅制備新突破，為農業(yè)副產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，碳化硅行業(yè)在市場規(guī)模不斷擴大的同時，也面臨著諸多挑戰(zhàn)。未來，通過國產替代、8 英寸碳化硅的布局、共建良性產業(yè)生態(tài)以及抓住新能源汽車帶來的機遇，碳化硅行業(yè)有望實現更加快速的發(fā)展。

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來源：賢集網
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