武汉科技大学低温镁热技术助力新能源

武汉科技大学低温镁热技术助力新能源

武汉科技大学材料学部“志同‘稻’合”学生团队成功研发了一种利用低温镁热技术从稻壳中提取高纯度纳米碳化硅的新方法。这种技术不仅原料易得且廉价，还能大幅提升纯度至99.99%，颗粒尺寸可细达30nm。这项科技创新在新能源领域有着广泛应用前景，尤其在芯片制造和高端陶瓷等领域表现突出。随着这一技术的发展，有望引领新能源行业的革新，推动我国在该领域的国际竞争力。

武汉科技大学团队采用的低温镁热技术，成功突破了从稻壳中提取高纯度纳米碳化硅的技术难题。传统碳热还原法制备碳化硅需要1600-2200℃的高温，能耗大且纯度低。而该团队通过自主研发的低温镁热技术和动态热量控制技术，将反应温度降至650℃左右，显著降低了能耗。

团队负责人韦奕麒介绍，经过数百次实验和热力学计算，他们优化了工艺参数，成功将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。这种技术不仅解决了镁热过程中因局部高温引起的纳米碳化硅烧结问题，还确保了产品的颗粒尺寸细小且均匀。

碳化硅作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高等优势，是新能源领域的重要材料。在新能源汽车产业中，碳化硅器件主要应用于电机控制器、车载充电机、DC/DC变换器以及充电桩等关键部件。

与传统的硅基器件相比，碳化硅器件具有明显优势：

1. 能量损耗低：碳化硅具有极低的导通电阻，同规格SiC-MOS相较Si-IGBT总能量损失可降低约80%。
2. 器件尺寸小：碳化硅损耗低且电流密度高，同规格SiC-MOS仅为Si-MOS原尺寸的1/10。
3. 开关频率高：碳化硅不存在电流拖尾现象，开关损耗低，能大幅提高实际用的开关频率。
4. 工作温度高：碳化硅拥有更高的热导率，器件散热更加容易，能够降低对散热系统的需求，利于终端轻量化和小型化。

这项技术不仅在实验室取得了突破，还展现出良好的商业化前景。团队计划在各村镇建立农业副产物原料加工基地，以高于市场100%的价格收购稻壳，不仅提高了农民收入，也推动了乡村振兴。

当前项目已完成中试阶段，正在和企业开展战略合作进行产品试用。预计3年可为企业新增营业额1000万元以上。尽管目前碳化硅器件成本仍高于硅基器件，但其带来的系统级成本节省和性能提升，使其在新能源领域具有广阔的应用前景。

随着技术进步和规模经济的共同作用，碳化硅器件的成本正在逐步降低。根据Yole预测，2022年碳化硅功率器件市场规模为18亿美元，到2028年有望达到89亿美元，年复合增长率高达31%。其中，汽车领域是最大的应用市场，2022年市场规模为13亿美元，2028年有望达到66亿美元。

武汉科技大学团队的这项创新，不仅为碳化硅的制备提供了新的解决方案，更为新能源产业的可持续发展注入了新的动力。随着这项技术的不断成熟和推广，我们有理由相信，它将为我国在新能源领域的国际竞争中赢得更多优势。