۱٫۱٫ خواص کاربید سیلیکون و کاربردهای صنعتی
کاربید سیلیکون (SiC) یا مواد مبتنی بر کربن ترکیبات پلی کریستالی هستند که در طیف گسترده ای از کاربردهای سرامیک مانند الکترونیک، سنگ های قیمتی، مدیریت حرارتی، عناصر گرمایشی، ساینده ها و ترمزها به دلیل دمای تجزیه بالا (۲۸۳۰ درجه سانتیگراد) استفاده می شوند. مقاومت در برابر اکسیداسیون [
۱].
مواد SiC عبارتند از α-سیلیکون کاربید، پایدار در دماهای بالا، و کاربید بتا-سیلیکون، در دماهای پایین تر، که با حرارت دادن به کاربید α-سیلیکون تبدیل می شوند. [
۲].
فاز α با هدایت حرارتی و پایداری بهتر سخت‌تر است و برای کاربردهای با دمای بالا مانند سرامیک‌های پیشرفته و ابزارهای برش مناسب است، در حالی که فاز β با هدایت الکتریکی برتر در نیمه‌رساناها و الکترونیک نوری استفاده می‌شود. [
۳].
پیشرفت‌های تجاری SiC منجر به تجاری‌سازی دیودهای سد SiC Schottky (SBD) در سال ۲۰۰۱ و قدرت ماسفت‌ها در سال ۲۰۱۱ شد و سیستم‌های قدرت با فرکانس بالا را تقویت کرد. [
۲].
علیرغم مزایای سیلیکون، محدودیت‌های آن در انرژی باند و هدایت حرارتی باعث استفاده از کاربید سیلیکون و نیترید گالیم (GaN) در دستگاه‌های نیمه‌رسانای قدرت شد که ولتاژها، فرکانس‌ها و دماهای مسدودکننده بالاتری را ارائه می‌دهند. [
۴].
کاربید سیلیکون به دلیل کاربردهای با درجه حرارت بالا، توان بالا، فرکانس بالا و سخت شده در برابر تشعشع در طراحی مدار قدرت مورد توجه قرار گرفته است، و آن را به عنوان یک نیمه هادی باند وسیع بالغ (۲٫۰ eV ≲ به عنوان مثال ≲ ۷٫۰ eV) با رسانایی کمتر مشخص می کند. تلفات و تعویض سریع [
۵,
۶]. نیمه هادی های باند گپ گسترده، چگالی توان، راندمان حرارتی و اندازه سیستم را بهبود می بخشند و در تنظیمات صنعتی حیاتی تر می شوند. [
۷]. با این حال، در دهه ۱۹۹۰، توسعه به دلیل مشکلات در رشد و فرآیندهای ساخت کریستال با مشکل مواجه شد، اما این مشکلات از آن زمان حل شده است، و دستگاه‌های SiC امروزی در مبدل‌های الکترونیکی قدرت که در دماها و فرکانس‌های بالاتر کار می‌کنند بهتر از همتایان سیلیکونی خود عمل می‌کنند. [
۸].
در حالی که مزایا و کاربردهای کاربید سیلیکون به خوبی مستند شده است، نیاز فوری به توسعه روش‌های پایدار برای تهیه آن وجود دارد. فرآیندهای فعلی تولید SiC اغلب شامل مصرف انرژی بالا و استفاده از مواد شیمیایی خطرناک است که نگرانی های زیست محیطی قابل توجهی را ایجاد می کند. رویکردهای پایدار می توانند این اثرات را کاهش دهند و تولید SiC را با محیط زیست سازگارتر کنند و ردپای کربن آن را کاهش دهند.
از نظر اقتصادی، روش‌های تولید پایدار SiC می‌تواند منجر به صرفه‌جویی قابل توجهی در هزینه شود. با کاهش مصرف انرژی و به حداقل رساندن ضایعات، شرکت‌ها می‌توانند هزینه‌های عملیاتی را کاهش دهند و از مشوق‌های بالقوه دولت برای پذیرش فناوری‌های سبز استفاده کنند. این مزایای اقتصادی می تواند منجر به پذیرش گسترده SiC در صنایع مختلف شود.
تقاضا برای SiC به سرعت در بخش‌های فناوری پیشرفته، از جمله الکترونیک و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر در حال افزایش است. همانطور که این صنایع رشد می کنند، یک زنجیره تامین قابل اعتماد و سازگار با محیط زیست برای رفع نیازهای آینده بسیار مهم می شود. اجرای روش‌های تولید پایدار، تأمین یکنواخت و مسئولانه SiC را تضمین می‌کند که با استانداردهای در حال تحول صنعت و انتظارات مصرف‌کننده همسو می‌شود.
فشارهای نظارتی نیز در حال افزایش است. مقررات موجود و آتی با هدف کاهش ردپای کربن در فرآیندهای صنعتی، تولید پایدار SiC را نه تنها مفید بلکه ضروری می‌سازد. شرکت ها باید با این الزامات نظارتی سازگار شوند تا در بازار جهانی سازگار و رقابتی باقی بمانند.
نوآوری های تکنولوژیکی در تولید پایدار SiC می تواند باعث پیشرفت بیشتر در کاربردهای SiC شود. توسعه تکنیک‌های تولید تمیزتر و کارآمدتر می‌تواند منجر به ایجاد مواد SiC با کیفیت بالاتر شود و عملکرد و اثربخشی محصولاتی را که در آنها استفاده می‌شود، افزایش دهد. این نوآوری می تواند باعث پیشرفت در بخش های مختلف شود و به پیشرفت های فناوری و اهداف پایداری کمک کند. ادغام این نکات بر اهمیت آماده‌سازی پایدار SiC تأکید می‌کند و یک مورد قانع‌کننده برای اقدام فوری در این زمینه ارائه می‌کند.
میز ۱ یک نمای کلی از مرتبط ترین کاربردهای فناورانه توسط هر بخش صنعتی و ویژگی های فیزیکی SiC مربوط به برنامه های خاص طبقه بندی شده توسط اتحادیه اروپا به عنوان استراتژیک ارائه می دهد. [
۹].
میز ۱ خواص فیزیکی ماسفت های SiC را نشان می دهد که می تواند به مزیت های رقابتی برای کاربران صنعتی و طراحان سیستم های الکترونیک قدرت تبدیل شود.
شکل ۱ نشان می دهد که تا سال ۲۰۲۱ بیشترین سهمیه واردات متعلق به آلمان، ژاپن، ایالات متحده آمریکا و کره جنوبی بوده است. [
۱۹].
بخش فرعی مهم نیمه هادی ها که از نوآوری حمایت می کنند، دستگاه های مدار الکترونیکی هستند. تخصص در الکترونیک با تکنولوژی بالا برای ارزیابی شدت فن آوری صادرات استفاده می شود زیرا عملکرد صادرات در الکترونیک، نمایش داده شده در
شکل ۲، به درجه بالایی از قابلیت های فنی مرتبط با ادغام بالا در اقتصاد جهانی نیاز دارد [
۲۱].
ارتباط کاربید سیلیکون و مواد کامپوزیت آن برای کاربردهای با تکنولوژی بالا خطرات ژئوپلیتیکی به دلیل زنجیره تامین جهانی، مشابه فلزات و سایر کالاهای گرانبها ایجاد می کند. [
۲۲]. از آنجایی که صنایع شیمیایی به نوآوری و تولید مواد جدید ادامه می دهند، اقتصادهای واردکننده مجبور به ارزیابی خطرات و فشار برای جایگزینی عناصر کمیاب، متمرکز یا آلاینده با عناصر فراوان و پایدارتر هستند. [
۲۳].
۱٫۲٫ روش های تولید: آچسون در مقابل تولید زیستی
بخش اول ارزیابی کرده است که کاربید سیلیکون (SiC) یک ترکیب پرکاربرد در صنایع مختلف است که به دلیل هدایت حرارتی بالا، سختی شدید و مقاومت در برابر خوردگی عالی مورد تحسین قرار گرفته است. این محصول با استفاده از فرآیند آچسون، به نام مخترع آن که با ساخت کریستال‌های الماس مانند از کربن و آلوندوم، آزمایش کرد و منجر به طراحی یک کوره الکتریکی کارآمد شد، تولید می‌شود. [
۲۴].
تشکیل SiC در فرآیند آچسون به دلیل دمای بسیار بالا در مرکز و دمای نسبتاً پایین تر در حاشیه کوره، جایی که تغییرات فاز، تجزیه، تبخیر و تراکم رخ می دهد، پدیده ای پیچیده است. [
۲۵].
جدول ۲ نکات کلیدی روش آچسون برای آماده سازی SiC را برجسته می کند. تهیه کاربید سیلیکون (SiC) از طریق روش آچسون شامل چندین مرحله حیاتی، از جمله اختلاط سیلیس (SiO) است.
۲) و کربن (C)، حرارت دادن مخلوط تا دمای بالا و در نهایت خنک کردن محصول.
علیرغم استفاده و کارایی گسترده، فرآیند آچسون برای تولید کاربید سیلیکون (SiC) دارای اشکالات قابل توجهی است، مانند اتکا به کوره مقاوم در برابر حرارت و استفاده از ماسه و کک نفتی. با این حال، این روش مصرف انرژی بالا، آلودگی محیطی و هزینه های راه اندازی و عملیاتی قابل توجهی را به همراه دارد [
۲۹]بنابراین، در حالی که زیرساخت‌ها و تخصص موجود در فرآیند آچسون مزایایی را فراهم می‌کند، اما تحت الشعاع تأثیرات زیان‌بار زیست‌محیطی و نیازهای انرژی قابل‌توجه آن قرار می‌گیرد.
از آنجایی که جهان با چالش‌های تغییرات آب و هوایی و نیاز به توسعه پایدار دست و پنجه نرم می‌کند، یافتن راه‌حل‌های نوآورانه و سازگار با محیط‌زیست بسیار مهم می‌شود.
روشی جایگزین برای اکتشاف مواد با منبع زیستی، به ویژه ضایعات برنج، یک محصول جانبی کشاورزی به وفور در دسترس است.
تولید برنج انواع مختلفی از ضایعات را تولید می کند که هر کدام ترکیب منحصر به فرد و کاربردهای بالقوه خود را دارند: کاه برنج، سبوس برنج و پوسته برنج.
کاه برنج ساقه ای است که پس از برداشت دانه های برنج باقی می ماند و از آن به عنوان خوراک دام، کمپوست سازی یا به عنوان ماده اولیه برای تولید سوخت زیستی، در تولید کاغذ، بیوچار و مصالح ساختمانی استفاده می شود در حالی که سبوس برنج لایه ای بین لایه داخلی است. دانه برنج سفید و پوسته بیرونی، غنی از مواد مغذی و اغلب در خوراک دام و به عنوان منبع روغن سبوس برنج، با کاربرد در صنایع غذایی و دارویی استفاده می شود. [
۳۰].
چرخه تولید برنج باعث ایجاد ضایعات انبوه در مقادیر و انواع مواد می شود، از جمله مواد اولیه سلولزی مانند کاه یا پوسته و مواد اولیه نشاسته ای مانند سبوس و برنج شکسته. [
۳۰]. با این حال، در حالی که سایر جریان های ضایعات برنج اهداف مفیدی دارند، تنها پوسته برنج، جایی که سیلیکون به مواد آلی در پوسته بیرونی دانه برنج متصل می شود، دارای خواص فیزیکی برای تشکیل یک اسکلت سیلیکون کاربید است. [
۳۱].
پوسته برنج که ۲۰ تا ۲۵ درصد وزن شلتوک را تشکیل می دهد، با ارزش ترین محصول جانبی است که در عین حال کم استفاده شده است، در تضاد با سبوس و برنج شکسته که در غذا و کاه برای احتراق یا خوراک استفاده می شود. [
۳۲].
اقتصادهای شرق و جنوب آسیا بر تولید جهانی برنج مسلط هستند، زیرا برنج یک غذای اصلی در رژیم غذایی محلی است. خارج از آسیا، برزیل و ایالات متحده روی هم، تنها ۲٫۵ درصد در تولید جهانی سهم دارد و ایتالیا بزرگترین تولیدکننده برنج اروپا است، هرچند در مقادیر کمتر. [
۳۳]. به عنوان یک محصول جانبی کشاورزی، پوسته برنج در مناطق تولید برنج فراوان است و با جذب CO به کاهش آلودگی کمک می کند.
۲ و اسید سیلیسیک از محیط زیست [
۳۴]. آنها از حدود ۷۲-۸۵٪ لیگنوسلولز و ۱۵-۲۸٪ سیلیس تشکیل شده اند، به ویژه در اطراف هسته برنج. [
۳۵,
۳۶]. با این حال، به دلیل چگالی ظاهری کم آنها، دفع در محل های دفن زباله یا سوزاندن آنها که آنها را به خاکستر تبدیل می کند، مشکل ساز است. [
۳۷].
بیش از ۹۰ درصد پوسته برنج در هوای آزاد یا آب دور ریخته می شود [
۳۸]، ایجاد خطرات زیست محیطی. تجمع محلی زباله و چگالی کم مانع از حمل و نقل در مسافت های طولانی می شود [
۳۹]. روش دفع اولیه استفاده از زیست توده پوسته در انرژی از طریق احتراق مستقیم به خاکستر یا تجزیه در اثر حرارت است. [
۴۰].
دومین کاربرد بزرگ در کنار تولید انرژی، تولید محصولات کشاورزی برای آسیاب یا روشنایی روستایی است [
۴۱]با مصارف ثانویه در پرورش طیور، کمپوست سازی و به عنوان مکمل بتن [
۴۲]، بهبود مقاومت فشاری و کاهش صدای ضربه را نشان می دهد [
۴۳].
برای استفاده صحیح از محصولات جانبی مانند خاکستر یا از طریق تجزیه در اثر حرارت، تخصص فنی بالایی در متالورژی مورد نیاز است که چین، ایتالیا و آلمان در این روش ها پیشرو هستند.
شکل ۳).
از دهه ۱۹۸۰، اقتصادهای در حال توسعه یافتن کاربردهای مقرون به صرفه برای پوسته برنج را در اولویت قرار داده اند، با ادبیات اولیه پتانسیل آنها در تولید مواد شیمیایی آلی صنعتی مانند کاربید سیلیکون، سیلیکات و مواد عایق. [
۴۴]. تحقیقات در حال انجام به طور فزاینده ای پوسته برنج را به عنوان منبع ارزشمندی از ترکیبات مختلف سیلیکون، از جمله کاربید سیلیکون، سیلیس، نیترید سیلیکون، تتراکلرید سیلیکون، زئولیت و سیلیکون خالص شناسایی کرده است. [
۴۵]. مطالعات نشان می دهد که پوسته و پوسته برنج دارای ترکیب شیمیایی ثابتی در منابع مختلف، با غلظت کم (۱۰ تا ۲۰ پی پی ام) آلومینیوم و آهن است که یک ویژگی مهم برای کاهش ناخالصی های اصلی موجود در مواد خام برای سیلیکون متالورژی (Ca, K, Mg) است. منگنز) با حدود ۱۰۰ ppmw از طریق لیچینگ اسید هیدروکلریک داغ [
۴۶].
در حال حاضر، هیچ فرآیند صنعتی ساده ای برای تبدیل پوسته برنج به کاربید سیلیکون وجود ندارد و اصلاحات مداوم در این روش انجام می شود، اما همه فرآیندهای موجود به طور کلی شامل چندین مرحله کلیدی هستند: جداسازی و پیش تصفیه پوسته برنج، تبدیل حرارتی یا عملیات اسیدی، استخراج و احیا و پردازش نهایی سیلیس همانطور که در نشان داده شده است
شکل ۴.
جداسازی و پیش تصفیه پوسته برنج: این فرآیند با جمع‌آوری پوسته برنج از کارخانه‌های آسیاب آغاز می‌شود و به دنبال آن جداسازی مکانیکی برای حذف ناخالصی‌هایی مانند گرد و غبار و خاک انجام می‌شود و اطمینان حاصل می‌شود که فقط پوسته‌های خالص ادامه می‌یابند. روش‌های پیش تصفیه شامل اندازه‌گیری، شستشو/شستشو با اسید یا ترورفاکشن است [
۴۷]، درمان قلیایی [
۴۸,
۴۹]، درمان شیمیایی مرطوب یا مایع یونی [
۳۵]و وثیقه یا گندله سازی. علاوه بر این، گزینه‌های پیش تصفیه بیولوژیکی برای به حداقل رساندن از دست دادن قند و به حداکثر رساندن حذف لیگنین، کاهش هزینه‌های مرتبط با پیش تصفیه‌های معمولی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. [
۵۰].
-
پس از جمع آوری، پوسته ها خشک نگه داشته می شوند و برای حذف مواد غیر سلولزی و رسیدن به رطوبت مورد نظر، تحت تمیز کردن قرار می گیرند.
-
تبدیل به مواد غنی از کربن: مرحله بعدی شامل تبدیل حرارتی از طریق تجزیه در اثر حرارت است، جایی که پوسته برنج در یک محیط کم یا بدون اکسیژن گرم می شود و آنها را به کربن و سیلیس آمورف تبدیل می کند. این مرحله از فرآیند برای تولید نهایی کاربید سیلیکون حیاتی است.
پیرولیز، تجزیه حرارتی اجزای آلی در زیست توده بدون اکسیژن در دماهای متوسط، قطران، زغال سنگ و گازها را تولید می کند و به طور گسترده در جامعه علمی به ویژه برای پوسته برنج در چند دهه گذشته مورد مطالعه قرار گرفته است. [
۵۱]. پوسته برنج که معمولاً بین ۵۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد در راکتورهایی مانند کوره های دوار یا بسترهای سیال رخ می دهد، به دلیل محتوای خاکستر بالای خود، چالش هایی را در گاز و احتراق ایجاد می کند که منجر به تبدیل کربن ناکارآمد می شود. [
۳۲].
در طی پیرولیز، پوسته برنج به ذغال پوسته برنج (RHC) تبدیل می‌شود که یک ماده متخلخل با کربن بالا است. در دمای بالاتر از ۷۵۰ درجه سانتی گراد، دی اکسید سیلیکون آمورف موجود در پوسته ها به کریستوبالیت تبدیل می شود. [
۵۲]. یک فرآیند پیرولیز مستقیم تک مرحله‌ای چهار تغییر اصلی را مشاهده می‌کند: تشکیل سبیل‌ها و پلی کریستال‌های SiC، تبلور سیلیس آمورف، و گرافیت شدن کربن. دماهای بین ۱۱۵۰ تا ۱۳۱۰ درجه سانتی گراد عمدتاً سبیل های SiC و سیلیس متبلور تولید می کنند، در حالی که دماهای بالاتر باعث تشکیل پلی کریستال های SiC و گرافیت شدن می شود. پیرولیز چند مرحله‌ای تا دمای ۱۳۱۰ درجه سانتیگراد بازده بالاتری از سبیل‌های SiC نسبت به روش‌های مستقیم به دست می‌آورد. [
۵۳].
پس از تجزیه در اثر حرارت، ذغال سنگ تحت یک فرآیند فعال سازی برای افزایش تخلخل و مساحت سطح، با استفاده از عوامل فعال کننده یا گازها قرار می گیرد. به دنبال آن کلسینه بین ۷۰۰ درجه سانتیگراد تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد برای تثبیت مواد و حذف اجزای فرار انجام می شود.
- ۳٫
-
استخراج و کاهش سیلیس
زغال سنگ پوسته برنج، یک کامپوزیت هیبریدی، به یک نانوکامپوزیت کربن سیلیس همگن (C/SiO) تبدیل می شود.
۲) از طریق استخراج. در این مرحله از اسید هیدروفلوئوریک برای حذف انتخابی سیلیس آمورف استفاده می شود و ساختار کربن را پشت سر می گذارد. سیلیس استخراج شده بیشتر برای تولید سیلیس آمورف با خلوص بالا پردازش می شود. پس از آن، مخلوطی از کربن و سیلیس خالص شده در دمای بالا حرارت داده می شود تا محصول نهایی را تشکیل دهد. [
۵۴].
- ۴٫
-
پردازش و تکمیل کاربید سیلیکون
مرحله نهایی شامل احیای کربوترمال است که در آن سیلیس آمورف به کاربید سیلیکون کریستالی تبدیل می شود. این فرآیند در دمای بالا مستلزم معرفی مواد غنی از کربن است که در نتیجه کاربید سیلیکون تشکیل می شود و مونوکسید کربن آزاد می شود. مراحل بعدی شامل آسیاب، خرد کردن، و اصلاحات ساختاری، همراه با خالص سازی، درجه بندی و اصلاح سطح برای برآوردن مشخصات کیفی است. واکنش بین سیلیس پوسته برنج و کربن، که منجر به تشکیل کاربید ß-سیلیکون در دمای ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد می شود، برای کاربردهای نیمه هادی حیاتی است. اندازه ذرات ریز کاربید ß-سیلیکون که در دماهای پایین تر تشکیل می شود، از تبدیل آن به آلفا-سیلیکون کاربید جلوگیری می کند. [
۵۵,
۵۶].
ادامه تحقیقات نشان می دهد که کاربید سیلیکون که از پوسته برنج به دست می آید، به دلیل مزایای اقتصادی و زیست محیطی، پتانسیل قابل توجهی برای فناوری های پیشرفته دارد. سو و همکاران (۲۰۱۶) یک فرآیند مقیاس‌پذیر برای تولید نانوذرات SiC فاز β از پوسته برنج در دمای نسبتاً پایین (۶۰۰ درجه سانتیگراد) ایجاد کرد که به طور موثر مورفولوژی نانو SiO بیوژنتیک را حفظ کرد.
۲ و ارائه یک راه حل مقرون به صرفه برای تولید در مقیاس بزرگ در حالی که به مصرف انرژی بالا می پردازد [
۵۷]. نوآوری های دیگر شامل استفاده از تف جوشی پلاسمای جرقه ای برای ایجاد سرامیک های SiC از پوسته برنج آنیل شده، بهینه سازی توزیع اجزای واکنش دهنده، و حذف نیاز به مرحله اختلاط جداگانه، در نتیجه پیشرفت تولید مواد سرامیکی است. [
۵۸].
با این حال، نتیجه نهایی این فناوری‌های ارزش‌گذاری پوسته برنج توسط طیف وسیعی از کاربردها برای گسترش کاربرد آنها فراتر از استفاده‌های سنتی، نه محدود به بیوسیلیکا، بلکه از طریق فرآیندهای ترموشیمیایی، سوخت‌های زیستی با پتانسیل کمک به راه‌حل‌های انرژی پایدار تعیین می‌شود. [
۵۹].
تحقیقات تجربی همچنین سینتیک عملیات استخراج اسیدی پوسته برنج را مورد بررسی قرار داده است، مانند تحقیقات لیاشنکو و همکاران. (۲۰۲۰)، ایجاد یک روش برای به دست آوردن SiC با خلوص بالا مناسب برای کاربردهای مختلف، به ویژه در افزایش خواص الکتروفیزیکی و ضد خوردگی برای سناریوهای شدید [
۶۰]. علاوه بر این، جاسوال و ناندبالان (۲۰۲۲) از نانوذرات سیلیکونی مشتق از پوسته برنج برای تقویت آندها در سلول‌های سوختی میکروبی استفاده کردند که به طور قابل‌توجهی تولید برق و راندمان حذف COD را افزایش داد و پتانسیل SiC از پوسته برنج را برجسته کرد. [
۶۱]. تطبیق پذیری تبدیل پوسته برنج به سیلیس از طریق سنتز نانو ذرات سیلیس، بهینه سازی شرایط برای عملکرد و خلوص بالا، مناسب برای کاربردهای زیست محیطی مانند تصفیه آب بیشتر نشان داده شده است. [
۶۲]. علاوه بر این، پیشرفت در استخراج سیلیکون و کربن از پوسته برنج از طریق الکترولیز نمک مذاب، پتانسیل تولید آند باتری لیتیوم یونی مقرون به صرفه و پایدار را نشان داده است. [
۶۳].
مطالعات ارائه شده تاکنون شواهدی را ارائه می دهد که کاربید سیلیکون یک ماده نوظهور با کاربردهای فراوان در فناوری های پیشرفته و پتانسیل اقتصادی بسیار زیاد است، پوسته برنج یک مشکل زیست محیطی است که با بازیافت بهتر حل می شود، و جامعه علمی در حال کار بر روی امکان سنجی تکنولوژیکی پوسته برنج است. تبدیل -SiC با موفقیت های تجربی.
