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碳化硅“稻”夢空間：一場由農業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

在當今科技飛速發展的時代，創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、農業副產物的新機遇

水稻副產物的現狀與挑戰

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，焚燒處理還會對環境造成污染。因此，如何高效地利用這些農業副產物，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。這一創新成果不僅為農業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，是技術上的難點。目前，國內外工業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、熱穩定性好以及耐腐蝕優良等特性，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。

場發射體的應用潛力

場發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定性，可以承受高的電流密度。因此，在場發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、優異的力學性能、高溫穩定性和耐腐蝕性等優點，其納米材料常被用作高溫結構材料的納米增強相?？紤]到碳化硅納米材料的大比表面積和優異的化學穩定性等特點，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境下的儲能材料。

吸波材料的發展前景

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定、密度小、比表面積大的優點。因此，碳化硅納米材料可在極端條件下使用，在吸波領域的發展前景巨大。

三、碳化硅行業的發展現狀與挑戰

市場規模與發展趨勢

近年來，中國碳化硅行業發展迅速，市場規模不斷擴大。目前，碳化硅產業鏈主要包括襯底、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。

根據中研普華產業研究院發布的報告顯示，2023 年，中國碳化硅外延設備市場規模約為 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模為 4.2 億美元，2019 年規模增長至 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%。

全球產業格局與國內現狀

從全球產業格局看，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方面的絕對領先者。

國內企業在碳化硅襯底方面以 4 英寸為主。近幾年，國內企業已實現 4 英寸襯底的量產，并已經開發出 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、中科節能均已完成 6 英寸襯底的研發，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。

行業發展面臨的挑戰

盡管全球碳化硅器件市場已經初具規模，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、碳化硅行業的未來展望

國產替代的趨勢

隨著國內碳化硅企業技術水平的提升和產能擴張，國產替代將成為行業發展的重要趨勢。國內企業將逐步減少對進口碳化硅的依賴，提高自給率。隨著國內企業的不斷努力和創新，差距正在逐步縮小。同時，國內企業在市場規模、生產成本等方面也具有一定的優勢。未來，隨著技術的進一步發展和市場的不斷拓展，中國碳化硅行業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，碳化硅市場規模開始爆發。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走低，彼時切入將會成為企業優選。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。

共建良性產業生態

隨著行業的發展，碳化硅企業將面臨更多的發展機會。而通過產業鏈上下游協同、兼并重組等方式，共建良性產業生態，優化資源配置，提高產業集中度，是未來發展的必然趨勢。

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

新能源汽車帶來的機遇

新能源汽車的高速發展，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，國際企業和國內企業需要強強聯合才能有更好的發展。

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，碳化硅行業在市場規模不斷擴大的同時，也面臨著諸多挑戰。未來，通過國產替代、8 英寸碳化硅的布局、共建良性產業生態以及抓住新能源汽車帶來的機遇，碳化硅行業有望實現更加快速的發展。

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