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碳化硅“稻”梦空间：一场由农业副产物引领的碳化硅材料绿色制造新风尚

文章来源：贤集网更新时间：2024-10-11 14:22:51

在当今科技飞速发展的时代，创新成为推动各个领域前进的关键力量。而在材料科学领域，碳化硅作为一种具有重要应用价值的半导体材料，一直备受关注。近日，武汉科技大学材料学部的 “志同‘稻’合” 学生团队，以其独特的创新成果，为碳化硅材料的制备开辟了一条新的绿色之路。

一、农业副产物的新机遇

水稻副产物的现状与挑战

水稻作为我国的主要粮食作物，每年产生大量的稻秆和稻壳等农业副产物。然而，这些副产物的综合利用率并不高，往往被焚烧或作为饲料和生物能源使用，其附加值相对较低。同时，焚烧处理还会对环境造成污染。因此，如何高效地利用这些农业副产物，成为了一个亟待解决的问题。

纳米碳化硅的诞生

武汉科技大学材料学部 “志同‘稻’合” 学生团队采用低温镁热技术，从稻秆、稻壳中提取制作一种半导体材料 —— 纳米碳化硅。颗粒尺寸可细达 30nm，纯度达 99.99%，使稻壳附加值提升 9 倍以上。这一创新成果不仅为农业副产物的高附加值利用开辟了新的途径，也为半导体材料的生产提供了新的思路。

技术难点的突破

从稻秆和稻壳中低温便捷地合成纳米碳化硅，并控制其尺寸形态，是技术上的难点。目前，国内外工业常用碳热还原法制备纳米碳化硅，但这种制备方法温度高达 1600℃~2200℃，能耗大且纯度低，转化工艺也相对复杂。针对这些问题，该团队利用稻秆和稻壳中的天然纳米氧化硅与碳反应，转化为颗粒均匀的纳米碳化硅产品。在反应过程中，团队自研了低温镁热技术和动态热量控制技术，成功突破了镁热过程因局部高温引起的纳米碳化硅烧结问题，从而保障了颗粒尺寸的细小和均匀。

二、纳米碳化硅的潜在应用

复合材料领域的应用

基体材料中加入纳米晶须、纳米粒子、纳米纤维等可以明显的提高材料的力学性能和抗氧化性能。而纳米碳化硅因其具有弹性模量高、强度高、热稳定性好以及耐腐蚀优良等特性，被认为是复合材料最理想的补强增韧剂，可广泛用于聚合物复合材料、金属基复合材料以及 C/C 复合材料。

场发射体的应用潜力

场发射是一种在强外电场作用下固体中的电子从阴极表面逸出的现象。碳化硅在恶劣的条件下具有高的抗氧化性和热稳定性，可以承受高的电流密度。因此，在场发射阴极材料领域中有很好的应用潜力。

传感器领域的前景

碳化硅纳米线具有较大的比表面积，其电导率对于其表面电子状态的改变十分敏感。这使得碳化硅纳米线在传感器等方面有较大的前景。当然，与金刚石 NPs 中荧光成像和在传感中广泛的应用相比，碳化硅 NPs 在这些领域的应用仍处于起步阶段。

超级电容器的应用

碳化硅具有高熔点、优异的力学性能、高温稳定性和耐腐蚀性等优点，其纳米材料常被用作高温结构材料的纳米增强相。考虑到碳化硅纳米材料的大比表面积和优异的化学稳定性等特点，近些年其被广泛用于超级电容器领域，特别是作为应用于恶劣应用环境下的储能材料。

吸波材料的发展前景

纳米碳化硅是一种理想的高温轻质吸波材料，它可以产生介电损耗从而吸收电磁波，同时还具有化学和力学性能稳定、密度小、比表面积大的优点。因此，碳化硅纳米材料可在极端条件下使用，在吸波领域的发展前景巨大。

三、碳化硅行业的发展现状与挑战

市场规模与发展趋势

近年来，中国碳化硅行业发展迅速，市场规模不断扩大。目前，碳化硅产业链主要包括衬底、外延、器件设计、晶圆制造、模块封装，以第三代半导体材料为核心，主要应用于新能源汽车、光伏等领域。产业链上游为碳化硅衬底和外延生长，中游为碳化硅器件和模块的设计与制造，下游则涉及多个高端应用领域。

根据中研普华产业研究院发布的报告显示，2023 年，中国碳化硅外延设备市场规模约为 13.07 亿元，预计到 2026 年将增至 26.86 亿元。根据国际知名市场调研公司 Yole 的数据，2018 年全球碳化硅功率器件市场规模为 4.2 亿美元，2019 年规模增长至 5.64 亿美元，2021 年为 10 亿美元。未来，随着电动汽车、动力电池以及电力供应和太阳能的发展，碳化硅器件市场将进一步快速增长，特别是电动汽车及动力电池的驱动。预计 2024 年，全球碳化硅器件市场规模将增长至 20 亿美元，2018 年至 2024 年期间的复合增长率接近 30%。

全球产业格局与国内现状

从全球产业格局看，碳化硅领先品牌美、欧、日三足鼎立，高技术门槛导致第三代半导体材料市场被垄断，国内碳化硅产品主要集中在中低端市场。美国全球独大，占有全球碳化硅产量的 70%-80%，美国 Wolfspeed 在碳化硅晶圆市场的占有率达 60% 之多。欧洲拥有完整的碳化硅衬底、外延、器件以及应用产业链，在全球电力电子市场拥有强大的话语权，日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。

国内企业在碳化硅衬底方面以 4 英寸为主。近几年，国内企业已实现 4 英寸衬底的量产，并已经开发出 6 英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成 6 英寸衬底的研发，中电科装备已成功研制出 6 英寸半绝缘衬底。其中，山东天岳、天科合达和河北同光在碳化硅单晶衬底技术上形成自主技术体系。

行业发展面临的挑战

尽管全球碳化硅器件市场已经初具规模，但是碳化硅功率器件领域仍然存在诸多共性问题亟待突破，比如碳化硅单晶和外延材料价格居高不下、材料缺陷问题仍未完全解决、碳化硅器件制造工艺难度较高、高压碳化硅器件工艺不成熟、器件封装不能满足高频高温应用需求等。全球碳化硅技术和产业距离成熟尚有一定的差距，在一定程度上制约了碳化硅器件市场扩大的步伐。

四、碳化硅行业的未来展望

国产替代的趋势

随着国内碳化硅企业技术水平的提升和产能扩张，国产替代将成为行业发展的重要趋势。国内企业将逐步减少对进口碳化硅的依赖，提高自给率。随着国内企业的不断努力和创新，差距正在逐步缩小。同时，国内企业在市场规模、生产成本等方面也具有一定的优势。未来，随着技术的进一步发展和市场的不断拓展，中国碳化硅行业有望在国际市场上占据更重要的地位。

8 英寸碳化硅的布局

新能源汽车、5G 通讯、数据中心以及光伏等热门应用领域拉动需求，碳化硅市场规模开始爆发。在此背景下，全球碳化硅相关厂商正在不断寻求合作，保障供应链体系，以及扩充产能，以满足市场需求。

从今年 1 月份到现在，越来越多的从业者都知道碳化硅 6 英寸转 8 英寸，是未来三年整个碳化硅产业链最大的一件事情。未来 6 英寸产品每年降幅在 5%-8% 之间，8 英寸产品降幅则更大，能够达到 10%。如果 8 英寸扩展顺利，未来碳化硅价格会持续走低，彼时切入将会成为企业优选。但若 8 英寸扩产不顺利，仅仅依赖 6 英寸，价格可能会维持或上涨。可以预见，未来 8 英寸将会迎来一场大战。

共建良性产业生态

随着行业的发展，碳化硅企业将面临更多的发展机会。而通过产业链上下游协同、兼并重组等方式，共建良性产业生态，优化资源配置，提高产业集中度，是未来发展的必然趋势。

去年以来，碳化硅行业火热，国内内卷严重，特别是衬底下游的器件等环节。企业需要创新，包括技术创新、体系创新以及产业生态的创新，体现在上下游企业之间如何协同上。要想冲出内卷，其中一个办法就是 “出海”，面对国外头部企业的竞争，核心还是自己的产品过硬。企业发展到一定阶段，不可避免地会出现一些分化和洗牌，在这个阶段行业需要进行整合，鼓励企业之间的兼并整合，最终形成行业龙头。

新能源汽车带来的机遇

新能源汽车的高速发展，强劲推动碳化硅功率器件的应用，尤其是在 EV 主逆变器等方面的需求，让碳化硅市场高速增长。虽然国产碳化硅芯片 “上车” 刚起步，存在众多堵点和难点，但难阻碳化硅企业纷纷 “注目抬脚”“奔跑冲刺”。

当前，碳化硅器件微型化面临的挑战主要涉及制造工艺、热管理、封装技术等方面。堵点无非是两个问题，品质和成本。现在国产芯片跟进口器件相比，质量还存在一定差距，价格还可能比进口的贵。但必须要用，只有在使用过程中才能不断优化产品，才会打磨出高品质的产品。随着价格不断下降、质量不断提高、产能持续扩大，主驱芯片国产替代已经起步，但量还没有起来。碳化硅这个行业是中国比较擅长的赛道，有可能主导国际的供应链和市场。在这种情况下，国际企业和国内企业需要强强联合才能有更好的发展。

总之，武汉科技大学材料学部 “志同‘稻’合” 学生团队的纳米碳化硅制备新突破，为农业副产物的高附加值利用和碳化硅材料的绿色制造提供了新的途径。同时，碳化硅行业在市场规模不断扩大的同时，也面临着诸多挑战。未来，通过国产替代、8 英寸碳化硅的布局、共建良性产业生态以及抓住新能源汽车带来的机遇，碳化硅行业有望实现更加快速的发展。

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