Widoki: 222 Autor: Loretta Publikuj Czas: 2025-02-08 Pochodzenie: Strona
Menu treści
● Co to jest węgliek krzemowy?
>> Zastosowania węgliku krzemu
● Czynniki wpływające na koszt węgliku krzemu
>> Wolumen produkcyjny i korzyści skali
>> Zapotrzebowanie i zastosowania rynkowe
>> Wymagania dotyczące jakości i czystości
>> Obecne ceny
>> Czynniki wpływające na trendy cenowe
● Zastosowania popytu na krzemowe zapotrzebowanie na węglika
>> Systemy energii odnawialnej
● Porównanie węgliku krzemu z krzemionem
● Wniosek
● FAQ
>> 1. Dlaczego krzem jest droższy niż krzem?
>> 2. Jakie są główne zastosowania węgliku krzemu?
>> 3. W jaki sposób koszt węgliku krzemu wpływa na cenę pojazdów elektrycznych?
>> 4. Jakie są zalety korzystania z węgliku krzemu w elektronice energetycznej?
>> 5. Czy cena węgliku krzemu spadnie w przyszłości?
● Cytaty:
Krzemowy węglika (SIC) pojawiła się jako kluczowy materiał we współczesnej technologii, znajdując zastosowania w różnych sektorach, takich jak motoryzacyjna, elektroniczna, lotnicza i energia odnawialna [2]. Znany z wyjątkowej twardości, wysokiej przewodności cieplnej i odporności na wysokie temperatury i korozję chemiczną, SIC oferuje doskonałą wydajność w porównaniu z tradycyjnymi materiałami, takimi jak krzem w wielu wymagających zastosowaniach [5] [3]. Jednak wzmocnione właściwości węgliku krzemu mają cenę. Ten artykuł zagłębia się nad czynnikami kosztowymi związanymi z węglikiem krzemowym, trendami cenowymi i przyczynami jego kosztów.
Krzem krzemowy (SIC), znany również jako karborundum, jest związkiem krzemowym i węgla o wzorze chemicznym. Odkryty przez Edwarda Goodricha Achesona w 1893 r., SIC nie znajduje się naturalnie na Ziemi, z wyjątkiem niezwykle rzadkich wystąpień w meteorytach [5]. Jest on syntetycznie wytwarzany na dużą skalę przy użyciu procesu Achesona, który obejmuje ogrzewanie piasku krzemionkowego i węgla do wysokich temperatur w elektrycznym piecu oporowym [3].
- Wysoka twardość: SIC jest wyjątkowo trudny, ranking tuż poniżej diamentu pod względem twardości, co czyni go doskonałym materiałem ściernym [8].
- Wysoka przewodność cieplna: ma wysoką przewodność cieplną, umożliwiając efektywne rozpraszanie ciepła [5].
- Wysoka odporność termiczna: SIC może wytrzymać wyjątkowo wysokie temperatury, o temperaturze topnienia 2700 ° C [3].
- Newa chemiczne: jest wysoce odporna na korozję chemiczną, co czyni ją odpowiednim dla trudnych środowisk [5].
- Właściwości półprzewodników: SIC jest półprzewodnikiem o szerokim pasma, umożliwiając działanie na wyższe napięcia, częstotliwości i temperatury niż krzem [2].
- Ściernie ścierne: Ze względu na swoją twardość, SIC jest szeroko stosowany w szlifowaniu kół, narzędzi tnących i papieru ściernym [5] [8].
- Automotive: SIC jest stosowany w wysokowydajnych ceramicznych dyskach hamulca, filtry cząstek diesla i jako dodatek oleju w celu zmniejszenia tarcia [5] [2].
-Elektronika: SIC jest stosowany w urządzeniach o dużej mocy i wysokiej częstotliwości, takich jak MOSFET, diody i tranzystory [3].
- Przemysłowe: jest zatrudniony w tyglach do trzymania topnienia metalu, nośników katalizatora i elementów grzewczych [5].
- Aerospace: SIC jest stosowany w materiałach konstrukcyjnych do zastosowań w wysokiej temperaturze [3].
- Energia odnawialna: SIC jest wykorzystywany w falownikach energii dla systemów energii słonecznej i wiatrowej, zwiększając wydajność i zmniejszając rozmiar [2].
Kilka czynników przyczynia się do wysokiego kosztu węgliku krzemu, od cen surowców po złożone procesy produkcyjne [1] [7]. Zrozumienie tych czynników ma kluczowe znaczenie dla oceny ogólnego kosztu SIC.
Podstawowymi surowcami wymaganymi do produkcji węglików krzemu są metal krzemowy i koks ropy naftowej [7]. Koszt tych materiałów może się zmieniać na podstawie dynamiki podaży i popytu oraz kosztów produkcji [7] [4].
-Metal krzemowy: Metal krzemowy o wysokiej czystości jest niezbędny do produkcji wysokiej jakości węgliku krzemowego. Na cenę metalu krzemowego wpływają koszty wydobycia, procesy rafinacyjne i dostępność rynku [7].
- Petroleum Coke: Petroleum Coke, produkt uboczny rafinacji oleju, służy jako źródło węgla w syntezie SIC. Na jego koszty mają wpływ ceny ropy naftowej, zdolności rafinacyjne i przepisy środowiskowe [4] [7].
Gdy ceny krzemowej i ropy naftowej rosną, całkowity koszt produkcji węglików krzemu wzrasta odpowiednio [4].
Proces produkcji węgliku krzemu jest złożony i energooszczędny, obejmujący kilka kroków, które znacząco wpływają na jego koszt [3] [7].
- Proces Achesona: Najczęstszą metodą wytwarzania SIC jest proces Achesona, który obejmuje ogrzewanie mieszaniny piasku krzemionkowego i węgla w elektrycznym piecu oporowym w temperaturach do 2500 ° C [3]. Proces ten wymaga znacznego zużycia energii, przyczyniając się do wysokich kosztów produkcji.
- Wzrost kryształów: wytwarzanie wysokiej jakości pojedynczych kryształów SIC do zastosowań półprzewodników obejmuje wyrafinowane techniki, takie jak metoda LELE lub chemiczne osadzanie pary (CVD). Metody te są powolne, wymagają precyzyjnej kontroli, a zatem są drogie [3]. Według Thunder Said Energy, tworzenie kryształów SIC poprzez proces Lely w 2000ºC przebiega z prędkością 100-300 μm na godzinę, co jest znacznie wolniejsze niż tworzenie mono-krystalicznego poli-silikonu [3].
- Produkcja waflowa: Przetwarzanie pojedynczych kryształów SIC w płytki dla urządzeń półprzewodnikowych jest trudne ze względu na twardość i kruchość materiału. Wymagane są zaawansowane techniki krojenia, szlifowania i polerowania, zwiększając koszt [3].
Zlecenia tych etapów produkcyjnych, w połączeniu z potrzebą specjalistycznego sprzętu i wiedzy specjalistycznej, zwiększają koszty węgliku krzemu [3].
Objętość wytwarzanego węgliku krzemu odgrywa również kluczową rolę w określaniu jego kosztów [7]. Gospodarki skali mogą prowadzić do niższych kosztów na jednostkę wraz ze wzrostem wielkości produkcji.
- Ograniczona zdolność produkcyjna: W porównaniu z krzemionem zdolność produkcyjna dla węglików krzemowych jest stosunkowo ograniczona. Wynika to z wyzwań związanych z wzrostem kryształów i przetwarzania opłat [1].
- Wysokie inwestycje kapitałowe: Ustanowienie obiektów produkcyjnych SIC wymaga znacznych inwestycji kapitałowych w specjalistyczne sprzęt i infrastrukturę [3]. Duża SIC Fab produkująca 30 000 płytek miesięcznie może zużywać tylko około 50 ton SIC rocznie, z znacznymi nakładami inwestycyjnymi [3].
- Potencjał redukcji kosztów: Wraz ze wzrostem popytu na rozwój SIC i technologie produkcyjne można zrealizować korzyści skali, potencjalnie prowadząc do niższych kosztów [1].
Zapotrzebowanie na węglika krzemu w różnych zastosowaniach wpływa na jego cenę rynkową [1] [4]. Zastosowania na wysokim poziomie, takie jak pojazdy elektryczne i energia odnawialna, mogą zwiększyć ceny z powodu ograniczeń podaży [2].
- Pojazdy elektryczne (EV): SIC jest coraz częściej stosowany w falownikach i innych komponentach w EVS, oferując lepszą wydajność i wydajność [2]. Rosnące zapotrzebowanie sektora motoryzacyjnego na SIC jest znaczącym motorem ceny rynkowej [1].
- Energia odnawialna: SIC jest stosowany w systemach energii słonecznej i wiatrowej w celu zwiększenia wydajności konwersji mocy. Ekspansja sektora energii odnawialnej przyczynia się do zapotrzebowania na SIC [2].
- Zastosowania przemysłowe: Zastosowanie SIC w różnych zastosowaniach przemysłowych, takich jak zasilacze i kontrola motoryczna, dodatkowo obsługuje jego zapotrzebowanie rynkowe [2].
Wymagana jakość i czystość węgliku krzemu wpływają również na jego koszt [3]. Kryształy SIC o dużej czystości potrzebne do aplikacji półprzewodnikowych dowodzą ceną premium ze względu na rygorystyczne kontrole produkcyjne i procesy oczyszczania [7].
- Klasa półprzewodnikowa SIC: SIC stosowane w urządzeniach półprzewodnikowych musi mieć bardzo niskie poziomy zanieczyszczenia, aby zapewnić optymalną wydajność. Osiągnięcie tego poziomu czystości wymaga zaawansowanych technik oczyszczania, zwiększając koszt [3].
- Wady materiałowe: Wady w kryształach SIC mogą negatywnie wpływać na wydajność urządzenia. Minimalizacja wad wymaga precyzyjnej kontroli warunków wzrostu kryształów, co może być trudne i kosztowne [3].
- Jakość opłat: jakość płytek SIC, w tym wykończenie powierzchni i integralność strukturalna, ma kluczowe znaczenie dla wytwarzania urządzeń. Wysokiej jakości płytki wymagają zaawansowanych technik przetwarzania, zwiększających koszty [3].
Cena węgliku krzemowego różni się w zależności od jego formy, jakości i zastosowania [1]. Zrozumienie trendów cenowych może zapewnić wgląd w czynniki napędzające koszty i potencjalne przyszłe zmiany.
- Czarny węglik krzemowy: Czarny krzemowa węglika zazwyczaj kosztuje około 850 USD za tonę metryczną [1]. Ta forma jest powszechnie stosowana w zastosowaniach ściernych ze względu na jej wysoką twardość [5].
- Wafle z węglików krzemowych: Cena płytek z węglików krzemowych może wynosić około 1200 USD za cal kwadratowy [1]. Wafle te są stosowane w zastosowaniach półprzewodnikowych, w których niezbędna jest wysoka czystość i integralność strukturalna [3].
- Grit z węglikami krzemowymi: W marcu 2022 r. Cena krzemowego piaska węglika wzrosła, a koszty surowców wzrosły o około 65-80 USD za tonę [4].
Kilka czynników wpływa na trendy cenowe węgliku krzemu [1] [4]:
- Zwiększona zdolność produkcyjna: Inwestycje w nowe zdolności produkcyjne mogą prowadzić do wzrostu podaży, potencjalnie wywierając presję na obniżenie cen [1].
- Zapotrzebowanie rynku: Silny popyt z kluczowych sektorów, takich jak energia motoryzacyjna i odnawialna, może zwiększyć ceny [2].
- Koszty surowców: Wahania kosztów surowców, takich jak krzemowy metal i ropa naftowa, mogą wpływać na ceny SIC [7].
- Postęp technologiczny: Innowacje w procesach produkcyjnych, takie jak wzrost kryształów i przetwarzanie wafli, mogą potencjalnie obniżyć koszty [3].
Przyszła cena węgliku krzemu podlega różnym czynnikom, w tym postępom technologicznym, dynamice rynku i warunkom ekonomicznym [1] [4].
- Rosnące popyt: Oczekuje się, że rosnące przyjęcie SIC w pojazdach elektrycznych, systemach energii odnawialnej i zastosowaniach przemysłowych będzie zwiększały popyt, potencjalnie wspierając ceny [2].
- Innowacje technologiczne: postęp w technologiach produkcyjnych SIC mogą prowadzić do poprawy wydajności i niższych kosztów produkcji [3].
- Rozwój łańcucha dostaw: Inwestycje w zwiększenie zdolności produkcyjnych SIC mogą pomóc zaspokoić rosnący popyt i ustabilizować ceny [1].
Unikalne właściwości z węglików krzemu czynią go atrakcyjnym materiałem do szerokiej gamy zastosowań. Zapotrzebowanie tych sektorów znacząco wpływa na jego dynamikę i koszt rynku [2].
Krzemowy węglik rewolucjonizuje przemysł pojazdów elektrycznych, umożliwiając bardziej wydajną i wyższą wydajność elektroniki mocy [2].
- falowniki mocy: MOSFET i diody SIC są używane w falownikach zasilania do konwersji zasilania akumulatora DC na prąd przemienny dla silnika. Urządzenia SIC oferują niższe straty przełączania, wyższą wydajność i lepszą wydajność cieplną w porównaniu z urządzeniami krzemowymi [3].
- Ładowarki pokładowe: SIC jest używany w pokładowych ładowarkach do wydajnego przekształcania zasilania prądu przemiennego z siatki na DC w celu ładowania baterii. Jego możliwości przełączania o wysokiej częstotliwości pozwalają na mniejsze i lżejsze projekty ładowarki [2].
-Konwertery DC-DC: Urządzenia SIC są stosowane w przetwornikach DC-DC w celu regulacji poziomów napięcia w pojeździe, zapewniając wydajny rozkład mocy [2].
Przyjęcie SIC w EVS powoduje dłuższe zakresy jazdy, szybsze czasy ładowania i poprawę ogólnej wydajności pojazdu [2].
Krzemowa węglika odgrywa kluczową rolę w zwiększaniu wydajności i niezawodności systemów energii odnawialnej [2].
- falowniki słoneczne: SIC jest używany w falownikach słonecznych do konwersji zasilania prądu stałego z paneli słonecznych na zasilanie prądu przemiennego do integracji siatki. Jego wysoka wydajność i działanie w wysokiej temperaturze zmniejszają straty energii i poprawia wydajność systemu [2].
-Turbiny wiatrowe: SIC jest stosowany w konwerterach mocy turbiny wiatrowej w celu skutecznego przekształcania mocy prądu przemiennego o zmiennej częstotliwości na siatkę prądu przemiennego. Urządzenia SIC umożliwiają bardziej kompaktowe i niezawodne projekty konwertera [2].
- Systemy magazynowania energii: SIC jest wykorzystywane w systemach magazynowania energii do wydajnego zarządzania przepływem mocy między akumulatorami a siatką. Możliwości obsługi o dużej mocy i szybkie prędkości przełączania poprawiają reaktywność systemu [2].
Zastosowanie SIC w systemach energii odnawialnej przyczynia się do wyższych rentowności energii, zmniejszenia kosztów operacyjnych i lepszej stabilności sieci [2].
Krzem krzemowy jest szeroko stosowany w różnych zastosowaniach przemysłowych ze względu na jego solidność, stabilność w wysokiej temperaturze i bezwładność chemiczną [5].
- zasilacze: SIC jest wykorzystywane w zasilaczach do sprzętu przemysłowego, oferując wysoką wydajność, wysoką gęstość energii i lepszą niezawodność [2].
- Kontrola silnika: SIC jest stosowany w systemach kontroli silnika w celu poprawy wydajności energetycznej i zmniejszenia wielkości silnika. Jego szybkie prędkości przełączania i niskie straty umożliwiają precyzyjną kontrolę silnika [2].
-Piece o wysokiej temperaturze: Elementy ogrzewania SIC są stosowane w piecach o wysokiej temperaturze do różnych procesów przemysłowych, oferując doskonałą stabilność termiczną i długą żywotność usług [5].
- Przetwarzanie chemiczne: SIC jest stosowany w urządzeniach do przetwarzania chemicznego ze względu na jego odporność na korozję chemiczną i stabilność w wysokiej temperaturze [5].
Krzem krzemowy i krzem to dwa najczęściej stosowane materiały półprzewodników. Jednak SIC oferuje kilka korzyści w stosunku do krzemu w zastosowaniach o dużej mocy, wysokiej temperaturze i wysokiej częstotliwości [2].
| Cecha | krzemowy (SI) | węglik krzemowy (SIC) |
|---|---|---|
| Bandgap Energy | 1.1 eV | 3,26 eV |
| Pole rozpadu | 0,3 mV/cm | 2,8 mV/cm |
| Przewodność cieplna | 1,5 W/cm · k | 4,9 W/cm · k |
| Mobilność elektronów | 1400 cm²/v · s | 900 cm²/v · s |
| Max. Temperatura operacyjna. | 150 ° C. | 400 ° C lub wyższy |
| Częstotliwość przełączania | Niżej | Wyższy |
| Zastosowania | Ogólna elektronika, niska moc | O dużej mocy, wysokiej częstotliwości, EVS, |
- Wyższa energia bandgap: SIC ma szerszą bandgap niż krzem, co pozwala na działanie w wyższych temperaturach i napięciach [2].
- Wyższe pole podziału: SIC ma wyższe pole rozpadu, umożliwiając wytrzymanie wyższych pól elektrycznych bez rozkładania [2].
- Wyższa przewodność cieplna: SIC ma wyższą przewodność cieplną, umożliwiając mu bardziej efektywne rozpraszanie ciepła [2].
- Wyższa częstotliwość przełączania: Urządzenia SIC mogą przełączać się na wyższych częstotliwościach, zmniejszać straty przełączania i poprawić wydajność [3].
Podczas gdy krzem jest tańszy i ma wyższą mobilność elektronów, najwyższe właściwości węglików krzemu czyni go preferowanym materiałem do wymagających zastosowań [2].
Podsumowując, krzemowy węglik jest rzeczywiście kosztownym materiałem ze względu na połączenie czynników, w tym kosztów surowców, złożonych procesów produkcyjnych, ograniczonej ilości produkcji, wysokiego popytu rynku i rygorystycznych wymagań jakościowych. Pomimo wysokich kosztów, doskonała wydajność węglików krzemowych w zastosowaniach o dużej mocy, wysokiej temperaturze i wysokiej częstotliwości sprawia, że jest to cenny materiał w sektorach, takich jak motoryzacyjna, odnawialna energia i elektronika przemysłowa. Wraz ze wzrostem technologii i objętości produkcji koszt węgliku krzemu może się zmniejszyć, co czyni go bardziej dostępnym dla szerszego zakresu zastosowań.
Krzem krzemowy jest droższy niż krzem ze względu na kilka czynników:
- Złożona produkcja: Produkcja SIC obejmuje złożone i energochłonne procesy, takie jak techniki procesu Achesona i kryształowe, które są trudniejsze i kosztowne niż produkcja krzemowa [3] [7].
- Czystość surowca: do produkcji SIC wymagane są surowce o dużej czystości, rosnące koszty [7].
- Ograniczona ilość produkcji: Wolumen produkcyjny SIC jest niższy niż krzem, co spowoduje mniejszą liczbę korzyści skali [1].
- Wysoki popyt: silny popyt ze strony sektorów takich jak pojazdy elektryczne i energia odnawialna podnosi cenę [2].
Krzemowy węglika jest stosowana w różnych zastosowaniach ze względu na jego unikalne właściwości:
- Ściernie ścierne: używane w szlifowaniu kół, narzędzi tnących i papieru ściernym ze względu na jego wysoką twardość [5] [8].
- Automotive: Używany w wysokowydajnych ceramicznych dyskach hamulca, filtry cząstek diesla i elektronice energetycznej dla pojazdów elektrycznych [5] [2].
-Elektronika: stosowana w urządzeniach o dużej mocy i wysokiej częstotliwości, takich jak MOSFET i diody [3].
- Industrial: Używany w krzyżach do topnienia metalu, nośników katalizatora i pieców o wysokiej temperaturze [5].
- Energia odnawialna: używana w falownikach energii dla systemów energii słonecznej i wiatrowej [2].
Koszt komponentów węglików krzemowych, takich jak falowniki energetyczne i ładowarki pokładowe, przyczynia się do ogólnej ceny pojazdów elektrycznych [2]. Podczas gdy SIC zapewnia lepszą wydajność i wydajność, jego wyższy koszt może zwiększyć cenę EV w porównaniu z stosowaniem komponentów na bazie krzemowej [3]. Wraz ze wzrostem ilości produkcji SIC i procesów produkcyjnych oczekuje się spadku kosztów komponentów SIC, potencjalnie prowadząc do bardziej przystępnych cen EV [1].
Krzemowy Carbide oferuje kilka korzyści w stosunku do krzemu w elektronice energetycznej:
- Wyższa wydajność: Urządzenia SIC mają niższe straty przełączania i wyższą wydajność, zmniejszając zużycie energii [2].
- Wyższa operacja temperatury: SIC może działać w wyższych temperaturach, upraszczając wymagania chłodzenia [2].
- Wyższe możliwości napięcia: SIC może wytrzymać wyższe napięcia, co czyni go odpowiednim do zastosowań o dużej mocy [2].
- Wyższa częstotliwość przełączania: Urządzenia SIC mogą przełączać się na wyższych częstotliwościach, umożliwiając mniejsze i lżejsze projekty [3].
Zalety te powodują lepszą wydajność, większą gęstość mocy i lepszą niezawodność w systemach elektronicznych energii [2].
Oczekuje się, że cena węgliku krzemu spadnie w przyszłości z powodu kilku czynników:
- Zwiększona zdolność produkcyjna: Inwestycje w rozszerzającą się zdolność produkcyjną SIC zwiększą podaż, potencjalnie obniżając ceny [1].
- Postęp technologiczny: Innowacje w zakresie wzrostu kryształów, przetwarzania opłat i wytwarzania urządzeń poprawi wydajność i obniży koszty [3].
- Gospodarki skali: W miarę wzrostu popytu na SIC, ekonomie skali doprowadzą do niższych kosztów na jednostkę [1].
- Konkurencja: Zwiększona konkurencja między producentami SIC obniży ceny [4].
Oczekuje się, że czynniki te sprawi, że węglik krzemowy będzie bardziej dostępny dla szerszego zakresu zastosowań [2].
[1] https://hsachn.com/blog/silicon-carbide-price-trend.html
[2] https://www.wolfspeed.com/applications/
[3] https://thundersaidenergy.com/downloads/silicon-carbide-production-costs/
[4] https://greensiliconarbide.com/silicon-carbide-rit-price/
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/silicon_carbide
[6] https://www.edn.com/silicon-carbides-lafer-cost-conundrum-and-the-way-forward/
[7] https://www.silicon-carbides.com/blog/silicon-carbide-cost-per-kg-understanding-the-factors-affecting-the-price.html
[8] https://www.preciseceramic.com/blog/what-are-the-uses-of-silicon-carbide.html
