Les principales matières premières synthétiques pour les céramiques en carbure de silicium sont le sable de quartz et le coke de pétrole. Le procédé de fabrication de ces céramiques comprend principalement quatre types de procédés : le frittage par réaction, le frittage sans pression, le frittage par pressage à chaud et le frittage par recristallisation. Parmi ces procédés, le frittage par réaction détient la plus grande part de marché, le frittage sans pression offre d'excellentes performances, le frittage par pressage à chaud est plus coûteux, et le frittage par recristallisation permet de produire des matériaux poreux. Les céramiques en carbure de silicium, classées en céramiques techniques et céramiques fonctionnelles, sont largement utilisées dans des domaines spécialisés, notamment les matériaux réfractaires traditionnels, les batteries au lithium, les bagues d'étanchéité mécaniques, les échangeurs de chaleur, l'aérospatiale et d'autres applications haut de gamme. La demande pour ce type de carbure de silicium est en forte croissance. Le marché des rouleaux utilisés dans les fours de frittage des batteries pour les nouvelles énergies est important, et celui des tubes d'échange thermique est également en pleine expansion.
Matières premières, procédés de production et caractéristiques du marché des céramiques en carbure de silicium
Les principales matières premières synthétiques du carbure de silicium sont le sable de quartz et le coke de pétrole, la Chine concentrant la capacité de production mondiale. Le procédé de fabrication de céramiques au carbure de silicium se divise en deux catégories : le frittage par recristallisation, le frittage par réaction et le frittage sans pression. Parmi ces procédés, le carbure de silicium fritté par réaction détient la plus grande part de marché. Il convient au moulage par voie humide et permet la fabrication de composants de formes complexes, bien que sa résistance aux températures élevées, sa solidité et sa résistance à l'usure soient relativement inférieures. La production de ces produits implique des barrières techniques importantes et constitue le segment le plus rentable de l'industrie du carbure de silicium. Le carbure de silicium n'a pas de point de fusion ; il passe directement de l'état solide à l'état gazeux sans fusion.
1. Source de matière première :
La principale source de carbure de silicium est la synthèse artificielle. En Chine, les matières premières utilisées pour la synthèse du carbure de silicium sont principalement le sable de quartz et le coke de pétrole, la capacité de production étant principalement concentrée dans les régions du nord-ouest, comme le Ningxia, le Gansu et le Xinjiang. La présence naturelle de carbure de silicium étant minime, la majeure partie est produite par synthèse. Le procédé de fusion consomme beaucoup d'énergie et pollue l'environnement. Les fonderies sont généralement de grande taille et le seuil d'entrée dans ce secteur est élevé. Le sable de quartz est généralement d'origine locale, tandis que le coke de pétrole est fourni par des entreprises chimiques.
2. Techniques de traitement de la céramique :
Le procédé céramique au carbure de silicium se divise en frittage par recristallisation, frittage par réaction et frittage sans pression. Le carbure de silicium fritté par réaction détient la plus grande part de marché et convient au moulage par voie humide. Il permet de produire des pièces de formes complexes d'une masse volumique inférieure à 3,05 g/cm³, bien que sa résistance à la température, sa solidité et sa résistance à l'usure soient relativement faibles. Le frittage sans pression nécessite une granulométrie de poudre extrêmement fine, généralement de l'ordre de 0,5 à 0,6 micron. Lors du frittage par recristallisation, les petites particules de carbure de silicium sont chauffées jusqu'à gazéification, après quoi les particules plus grosses se lient. Dans la pratique, ces trois techniques de frittage se chevauchent souvent.
3. Carbure de silicium
Le carbure de silicium n'a pas de point de fusion et ses états physiques sont solides et gazeux ; il n'y a pas de phase fondue. Sa dureté élevée le rend difficile à broyer après concassage. Une fois les gros blocs de carbure de silicium brisés, le matériau obtenu est appelé sable. Les entreprises de micropoudres en aval achètent généralement ce sable auprès de producteurs en amont, le broient, puis le vendent selon les normes. classificationCes micropoudres sont ensuite vendues à des fabricants en aval. La pureté du bloc de carbure de silicium d'origine a un impact significatif sur la qualité de la micropoudre. Lors des étapes ultérieures de traitement, les blocs doivent être traités à l'acide pour éliminer les impuretés telles que le carbone libre, la silice non réagie et le fer.
4. Produits finis
Les obstacles techniques à la fabrication de produits sont importants, notamment dans les procédés de calibrage et de frittage. Les produits finis représentent le segment le plus rentable de l'industrie du carbure de silicium. Ils sont largement utilisés dans des applications telles que les supports de four résistants à la chaleur, les garnitures mécaniques et autres composants haute température. Les produits frittés par recristallisation sont poreux et présentent une faible résistance mécanique. Ils sont principalement utilisés dans les supports de four et autres matériaux résistants à la chaleur ne nécessitant pas une résistance élevée. Le carbure de silicium à toute épreuve connaît un développement rapide, la demande provenant principalement des pays européens touchés par la guerre russo-ukrainienne. Les tubes en carbure de silicium frittés sans pression sont utilisés dans les applications d'échange thermique et remplacent progressivement les matériaux d'échange thermique conventionnels.
Le procédé de frittage par réaction consiste à former une préforme poreuse à partir de carbure de silicium et de carbone, puis à l'infiltrer avec du silicium élémentaire à haute température. Le silicium réagit avec le carbone pour former du carbure de silicium supplémentaire, tandis que les pores restants sont remplis de silicium non réagi. Le produit final est un matériau composite composé de carbure de silicium d'origine, de carbure de silicium nouvellement formé et d'environ 10% de silicium élémentaire. Le carbure de silicium fritté par réaction détient la plus grande part de marché, convient au moulage humide, permet de produire des composants de formes complexes et présente une masse volumique inférieure à 3,05 g/cm³. Cependant, sa résistance aux températures élevées, sa résistance mécanique et sa résistance à l'usure sont relativement faibles.
Les matières premières utilisées pour le frittage par réaction sont grossières et le procédé nécessite une température de réaction plus basse, ce qui se traduit par des coûts de production réduits. Le frittage par recristallisation produit des matériaux très poreux, tandis que le frittage par réaction produit des matériaux denses à porosité minimale. Le traitement des micropoudres en aval présente un seuil technique bas et représente un segment à faible valeur ajoutée. Parmi les fonderies, Pingmei détient une part de marché importante et est présente sur l'ensemble de la chaîne de valeur, des blocs d'origine aux micropoudres et aux céramiques. Actuellement, la capacité de production de carbure de silicium est suffisante pour répondre à la demande du marché, et l'approvisionnement en matières premières reste relativement stable.
Segmentation du marché et paysage applicatif des céramiques en carbure de silicium
La demande en carbure de silicium à toute épreuve connaît une croissance rapide. Le marché des rouleaux pour fours de frittage de batteries à énergie nouvelle est considérable, et la demande en tubes d'échange thermique connaît également une croissance rapide.
Le marché de la céramique en carbure de silicium est divisé en quatre segments : le frittage par réaction, le frittage sans pression, le frittage par pressage à chaud et le frittage par recristallisation.
Frittage par réaction détient la plus grande part de marché en raison de son faible coût de production et est principalement utilisé dans les applications réfractaires traditionnelles et les rouleaux dans la production de batteries au lithium.
Frittage sans pression est plus coûteux mais offre des performances supérieures et est principalement utilisé dans les bagues d'étanchéité mécaniques et les échangeurs de chaleur.
Frittage par pressage à chaud offre les meilleures performances globales, mais entraîne des coûts élevés et est principalement appliqué dans des domaines spécialisés tels que l'aérospatiale.
Frittage par recristallisation produit des matériaux poreux aux performances relativement médiocres et est principalement utilisé dans les meubles de four, les éléments chauffants, le traitement des gaz d'échappement automobiles, les allumeurs, les buses et les substrats d'emballage.
1. Frittage par réaction
Le frittage par réaction représente la part la plus importante du marché des céramiques en carbure de silicium. Il est principalement utilisé dans les matériaux réfractaires traditionnels et les rouleaux pour le frittage des batteries au lithium. Les matières premières utilisées sont grossières et le procédé fonctionne à des températures relativement basses, ce qui se traduit par de faibles coûts de production. Le prix typique d'un produit est d'environ 40 à 50 CNY/kg. Cependant, les performances des matériaux frittés par réaction sont modérées, avec une résistance thermique et mécanique limitée. Néanmoins, cette méthode convient à un large éventail d'applications.
2. Frittage sans pression
Le frittage sans pression est un autre segment clé du marché des céramiques en carbure de silicium, principalement utilisé dans les bagues d'étanchéité mécaniques et les applications d'échange thermique. Bien que plus coûteux, il offre une meilleure résistance à l'usure, à la température et à la résistance mécanique que le frittage par réaction. Il nécessite une poudre extrêmement fine, généralement de 0,5 à 0,6 micron. Le corps cru est sensible à la déformation pendant le frittage, et le produit final atteint une densité de 98 à 991 TP3T. Le carbure de silicium fritté sans pression est le matériau principal pour les bagues d'étanchéité mécaniques, largement utilisé comme manchons de palier et dans les applications pare-balles.
3. Frittage par pressage à chaud
Le frittage par pressage à chaud produit des céramiques en carbure de silicium aux performances optimales, principalement utilisées dans l'aéronautique et d'autres applications haut de gamme. Bien que coûteux, ce procédé offre une dureté, une résistance à l'usure et une résistance thermique exceptionnelles. La granulométrie de la matière première est généralement d'environ 3,5 microns, et le matériau est densifié par chauffage et pressage simultanés, atteignant une densité supérieure à 99%. Cependant, sa formabilité est faible et il est généralement limité à la production de plaques planes. En raison de son coût élevé et de ses capacités de formage limitées, le marché est relativement restreint.
4. Frittage par recristallisation
Le frittage par recristallisation produit principalement des matériaux poreux aux performances inférieures et est couramment utilisé dans les supports de four, les éléments chauffants, le traitement des gaz d'échappement automobiles, les allumeurs, les buses et les substrats d'emballage. Ce procédé nécessite moins d'additifs et permet d'atteindre une grande pureté. La taille plus importante des particules des matières premières améliore la résistance à la chaleur. En conditions anaérobies, les produits recristallisés peuvent supporter des températures supérieures à 2 000 °C ; les matériaux frittés par réaction peuvent supporter jusqu'à 1 400 °C en milieu oxygéné, tandis que les matériaux frittés sans pression peuvent atteindre 1 600 °C. Pour les matériaux réfractaires, la résistance aux chocs thermiques est essentielle, et les matériaux poreux ont tendance à bien performer à cet égard.
5. Céramiques en carbure de silicium
Les céramiques en carbure de silicium se divisent en céramiques techniques et céramiques fonctionnelles. Les céramiques techniques privilégient les performances mécaniques, tandis que le carbure de silicium recristallisé est de plus en plus développé pour les applications céramiques fonctionnelles. Par exemple, le carbure de silicium poreux est couramment utilisé dans les ventouses en céramique pour la fabrication de puces.
6. Carbure de silicium à l'épreuve des balles
La demande de carbure de silicium à toute épreuve connaît une croissance rapide, principalement tirée par les pays européens touchés par la guerre russo-ukrainienne. Une seule usine de production peut généralement atteindre une capacité de 1 à 2 tonnes par jour. Le marché des rouleaux utilisés dans les fours de frittage destinés à la production de batteries pour les énergies nouvelles est estimé à 1 milliard de yuans, avec des capacités de production similaires. Les rouleaux servent de composants structurels sur ces lignes de production.
7. Tubes en carbure de silicium
Le marché des tubes d'échange thermique en céramique de carbure de silicium connaît une croissance rapide, même si le volume global reste faible. Les tubes en carbure de silicium remplacent de plus en plus les tubes traditionnels en acier inoxydable ou en graphite grâce à leur excellente résistance à la corrosion et à l'usure. Historiquement, les principaux marchés des céramiques de carbure de silicium comprenaient les supports de four, les garnitures mécaniques, les roulements et autres composants mécaniques. Environ 50% de la croissance du marché au cours des deux dernières années peut être attribuée à des facteurs géopolitiques tels que le conflit russo-ukrainien, tandis que les nouvelles applications énergétiques ont contribué à hauteur de 30 à 40% à cette croissance.
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