Зеленый карбид кремния: анализ всей отраслевой цепочки от производства до применения

Зеленый карбид кремния: анализ всей отраслевой цепочки от производства до применения

Зеленый карбид кремния (GC SiC), как важный материал в промышленной сфере, занимает незаменимое положение в таких высокотехнологичных областях, как абразивы, огнеупорные материалы и полупроводники, благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам. В этой статье будет систематически проанализирована общая промышленная цепочка зеленого карбида кремния с трех сторон: определение и характеристики, производственный процесс, продукты переработки и применения, а также будут рассмотрены тенденции его будущего развития.

1. Определение и основные характеристики зеленого карбида кремния

1. Химический состав и кристаллическая структура

Зеленый карбид кремния представляет собой искусственно синтезированный вариант карбида кремния (SiC) с химической формулой SiC, а его кристаллическая структура в основном гексагональная (α - SiC). Его чистота обычно превышает 99,5%, а содержание примесей крайне низкое (Fe ₂ O ∝ ≤ 0,2%, C≤0,1%). Цвет светло-зеленый или темно-зеленый, отличается от серо-черного цвета черного карбида кремния.

2. Physical and chemical properties

Hardness: The Mohs hardness is 9.5, second only to diamond and cubic boron nitride, and 1.3 times that of corundum (Al ₂ O3).

Thermal conductivity: 120-270 W/m · K, can quickly dissipate heat and reduce thermal stress during processing.

Chemical stability: acid and alkali resistant, antioxidant at high temperatures (oxidation initiation temperature ≥ 1600 ℃).

Electrical performance: Semiconductor characteristics (bandgap width of 3.2eV), suitable for high-frequency and high-temperature electronic devices.

3. Differences from black silicon carbide

Purity: The purity of green silicon carbide (≥ 99.5%) is significantly higher than that of black silicon carbide (98-99%).

Application scenarios: Green silicon carbide is used for precision machining, while black silicon carbide is mostly used for rough grinding.

Production cost: Green silicon carbide requires additional acid washing and purification, which increases the cost by 20-30%.

2、 Production process of green silicon carbide

The industrial production of green silicon carbide is a high energy consumption and high technological density process, mainly including four major links: raw material preparation, high-temperature synthesis, crushing and purification, and grading and packaging.

1. Raw material preparation

Quartz sand (SiO ₂): purity ≥ 99%, particle size 0.1-1mm.

Petroleum coke (C): Fixed carbon content ≥ 98%, sulfur content ≤ 0.5%.

Additives: sawdust (adjusts porosity), salt (promotes impurity volatilization).

2. High temperature synthesis (Acheson method)

Furnace structure: rectangular resistance furnace, with graphite electrodes as the core and insulation materials (coke, quartz sand) filled around the periphery.

Reaction principle: At 2200-2500 ℃, SiO ₂ undergoes a carbon thermal reduction reaction with C:

SiO2​+3C→SiC+2CO↑

Process parameters:

Furnace temperature gradient: The central area is ≥ 2400 ℃, and the edge area is about 1800 ℃.

Response time: 36-48 hours.

Energy consumption: Each ton of product consumes 8000-10000 kWh of electricity.

3. Crushing and Purification

Primary crushing: Jaw crusher crushes synthetic blocks to below 50mm.

Acid washing purification:

Soak in hydrochloric acid (HCl) to remove metal impurities (Fe, Al).

Hydrofluoric acid (HF) treatment: Dissolve residual SiO ₂.

Wash with water until neutral, and dry to obtain high-purity SiC particles.

Magnetic separation: Remove ferromagnetic impurities (magnetic content ≤ 0.01%).

4. Grading and Packaging

Airflow classification: According to the particle size requirements (F16-F2000), centrifugal or cyclone classifiers are used.

Packaging standard: Vacuum sealed moisture-proof, 25kg/bag or 1 ton/container bag.

3、 Downstream products and application areas of green silicon carbide

1. Abrasives and precision machining tools

Consolidation grinding tool:

Resin grinding wheel: used for grinding hard alloy cutting tools (F80-F220).

Ceramic grinding wheel: semiconductor wafer cutting (F1500-F2000).

Coated grinding tools:

Sandpaper/sand belt: Polish optical glass (Ra ≤ 0.1 μ m).

Grinding fluid: Chemical Mechanical Polishing (CMP) for semiconductor substrates.

2. Refractory materials

High temperature kiln equipment:

Kiln car shed board: resistant to temperatures of 1800 ℃, with a lifespan 50% longer than traditional materials.

Box bowl: used for sintering electronic ceramics (such as MLCC).

Refractory castables:

Add green carbide micro powder (D50=5 μ m) to improve thermal shock resistance.

3. Semiconductor and Electronics Industry

Wafer substrate: 4H SiC single crystal wafer is used to manufacture power devices such as MOSFETs and IGBTs.

RF components: GaN on SiC RF chips are used for 5G base stations, with a working frequency of up to 28GHz.

LED packaging: SiC heat dissipation substrate reduces junction temperature and improves lamp lifespan.

4. New energy and environmental protection

Photovoltaic industry: Diamond wire for multi wire cutting of silicon ingots (assisted by SiC suspension).

Fuel cell: SiC coated bipolar plate, resistant to hydrogen embrittlement corrosion.

Wastewater treatment: Porous SiC ceramic filter element, resistant to acid and alkali corrosion, with a service life of over 10 years.

5. Other high-end applications

Aerospace: Bottom material of thermal barrier coating (TBC) for turbine blades.

Biomedical: SiC artificial joints have better biocompatibility than titanium alloys.

Nuclear industry: SiC fiber-reinforced composites (SiC/SiC) used for reactor cladding tubes.

4、 Challenges and Future Trends of Green Silicon Carbide Industry

1. Current technological bottleneck

Energy consumption issue: The Acheson method consumes 40% of the cost and urgently requires low-carbon processes such as microwave synthesis.

Nano scale processing: The agglomeration problem of submicron SiC powder has not been fully resolved.

Wafer defect control: The dislocation density of SiC single crystals over 6 inches needs to be reduced to ≤ 100 cm ².

2. Направление инноваций

Зеленые производственные технологии:

Переработка отработанного газа CO для производства метанола, достижение углеродного цикла.

Регенерация и утилизация отработанной жидкости кислотного травления (например, восстановление электролиза соляной кислоты).

Усовершенствованная технология синтеза:

Получение высокочистого β-SiC методом химического осаждения из паровой фазы (CVD).

Плазмоактивированное спекание (PAS) снижает потребление энергии на 30%.

Модернизация продукции на последующих этапах:

3D-печать сложных компонентов керамики SiC с использованием технологии фотополимеризационного формования.

Датчик SiC с квантовыми точками (точность обнаружения до уровня ppb).

3. Перспективы рынка

По данным Grand View Research, ожидается, что среднегодовой темп роста (CAGR) мирового рынка карбида кремния достигнет 15,7% в период с 2023 по 2030 год, а доля зеленого карбида кремния в секторе полупроводников, как ожидается, увеличится с 25% до 40%.

4. Заключение

Промышленная цепочка зеленого карбида кремния охватывает широкий спектр областей от плавки минералов до передовых технологий, и уровень ее развития напрямую отражает высокотехнологичную производственную мощь страны. С взрывным развитием таких отраслей, как новые энергетические транспортные средства, связь 5G и полупроводники третьего поколения, зеленый карбид кремния превращается из «промышленного зуба» в «технологический краеугольный камень». В будущем, благодаря технологическим инновациям и междисциплинарной интеграции, этот материал, несомненно, раскроет больший потенциал, направляя человечество к эре эффективного и чистого интеллектуального производства.