寧夏碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對(duì)策

武金龍 ，吳瀾爾 ，王 斌

（1.北方民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，寧夏銀川750021；2.粉體材料與特種陶瓷省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.“工業(yè)廢棄物循環(huán)利用及先進(jìn)材料”國際科技合作基地；4.寧夏北伏科技有限公司）

碳化硅（SiC）陶瓷材料具有高溫強(qiáng)度大、高溫抗氧化性強(qiáng)、耐磨損性能好、熱穩(wěn)定性佳、熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率大、硬度高、抗熱震和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良特性，在汽車、機(jī)械化工、環(huán)境保護(hù)、空間技術(shù)、信息電子、光伏能源等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，已經(jīng)成為一種在很多工業(yè)領(lǐng)域中都不可替代的結(jié)構(gòu)陶瓷材料及功能材料［1-7］。

寧夏地處中國西北腹地，作為資源型地區(qū)有著可觀的煤炭儲(chǔ)量，其中所產(chǎn)太西煤具有低煙低灰、高熱值、高化學(xué)活性等優(yōu)異性能，是冶煉生產(chǎn)碳化硅的絕佳原材料。基于這些優(yōu)質(zhì)煤炭資源的優(yōu)勢(shì)，寧夏在碳基材料， 尤其是碳化硅材料產(chǎn)業(yè)的布局與發(fā)展方面一直在不斷努力。

1 寧夏碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程

1.1 產(chǎn)業(yè)起步階段

寧夏碳化硅產(chǎn)業(yè)起步于20 世紀(jì)80 年代。 1987年在寧夏惠農(nóng)縣禮和鄉(xiāng)成立了一家鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)——惠農(nóng)碳化硅廠，它也是當(dāng)時(shí)寧夏第一家采用交流冶煉技術(shù)的碳化硅企業(yè)， 其裝機(jī)容量只有750 kW，碳化硅年產(chǎn)量不足1 000 t。 隨后2 a 在中國第一砂輪廠（簡(jiǎn)稱“一砂”）等單位的幫助下，先后建立了銀川碳化硅廠、石嘴山碳化硅制品廠、平羅碳化硅廠、簡(jiǎn)泉碳化硅廠、大平碳化硅廠、堿溝山碳化硅廠等碳化硅企業(yè)，寧夏的碳化硅冶煉產(chǎn)業(yè)初步形成。

在當(dāng)時(shí)的政策支持和企業(yè)的積極性相結(jié)合的情況下，到20 世紀(jì)80 年代末全寧夏碳化硅年產(chǎn)量已接近3 萬t。 但受工業(yè)技術(shù)、裝備設(shè)施、投入資金及人才隊(duì)伍等因素的限制，當(dāng)時(shí)寧夏的碳化硅企業(yè)幾乎全部是粗放型的冶煉模式，只生產(chǎn)碳化硅冶煉晶塊一種產(chǎn)品。 這導(dǎo)致整個(gè)寧夏的碳化硅產(chǎn)業(yè)入門門檻低、產(chǎn)品單一、價(jià)格低廉，雖然產(chǎn)品80%出口日本及歐洲，但不具備持久的競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2 產(chǎn)品升級(jí)階段

受國際經(jīng)濟(jì)形勢(shì)影響， 到1989 年碳化硅冶煉產(chǎn)品需求有所減少， 整個(gè)寧夏碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展放緩，進(jìn)入蕭條期。 加上國外用戶壓價(jià)，引起惡性競(jìng)爭(zhēng)，各企業(yè)都舉步維艱。 在此情況下，企業(yè)開始謀求產(chǎn)品升級(jí)，嘗試將冶煉的晶塊做簡(jiǎn)單破碎，生產(chǎn)0～10 mm 的粗顆粒產(chǎn)品，使產(chǎn)品價(jià)格有所提升，并重新打開了市場(chǎng)。 在此之后，各碳化硅生產(chǎn)企業(yè)紛紛通過對(duì)外合作、引進(jìn)技術(shù)等方法開展碳化硅晶塊加工技術(shù)的升級(jí)改造，尋找適合自身的發(fā)展之路。

其中1991 年銀川碳化硅廠引進(jìn)了一砂的沉降法微粉生產(chǎn)技術(shù)開始生產(chǎn)W 系列的碳化硅微粉。石嘴山碳化硅制品廠憑借中國第七砂輪廠（七砂）的幫助，開始生產(chǎn)F 系列的碳化硅砂。 平羅碳化硅廠更是投資100 多萬元人民幣直接引進(jìn)了一條德國的氣流磨生產(chǎn)線，采用干法生產(chǎn)碳化硅微粉，開創(chuàng)了中國碳化硅微粉生產(chǎn)的新局面。

到1995 年碳化硅市場(chǎng)逐步回暖， 寧夏又相繼投產(chǎn)了一些碳化硅企業(yè)，比如石嘴山供電局的寧夏天凈隆鼎碳化硅有限公司、平羅供電局的寧夏平羅晨光碳化硅有限公司、中寧供電局的寧夏金豪冶金制品有限公司等電力公司三產(chǎn)企業(yè)， 到1997 年達(dá)到了產(chǎn)業(yè)布局的第二輪高峰。 在這個(gè)時(shí)期各企業(yè)、工廠為了降低能耗，都在摒棄原來的小爐型，開發(fā)更大的碳化硅電阻爐。 到1997 年寧夏天凈隆鼎碳化硅有限公司和寧夏平羅晨光碳化硅有限公司相繼建成了8 000 kVA 的電阻爐，生產(chǎn)出大結(jié)晶碳化硅產(chǎn)品。此時(shí)，寧夏的碳化硅年總產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到10 萬t/a。

1997 年，受亞洲金融危機(jī)的影響，碳化硅行業(yè)再次陷入困境， 即便是碳化硅大結(jié)晶產(chǎn)品也面臨滯銷的局面。在此背景下，各廠開始嘗試使用球磨機(jī)加工磨料級(jí)碳化硅砂、雷蒙磨加工耐火級(jí)碳化硅微粉。這些新的嘗試也很快得到了市場(chǎng)的認(rèn)可， 獲得了大量的產(chǎn)品訂單。 此時(shí)寧夏的碳化硅企業(yè)已經(jīng)不再僅僅銷售碳化硅晶塊，幾乎每個(gè)工廠都建有一條碳化硅深加工生產(chǎn)線，生產(chǎn)磨料級(jí)和耐火級(jí)的碳化硅產(chǎn)品。

1.3 產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型階段

經(jīng)過數(shù)年沉浮，市場(chǎng)到2003 年又逐步回暖。 借助新一輪漲價(jià)潮， 寧夏的碳化硅產(chǎn)業(yè)完成了一次大規(guī)模的轉(zhuǎn)型。 原有的一些小規(guī)模碳化硅生產(chǎn)廠家相繼倒閉，一些規(guī)格更大的冶煉廠家陸續(xù)建成，例如濱河碳化硅有限公司、寧夏英力特冶金制品有限公司、寧夏天凈隆鼎碳化硅有限公司、 寧夏眾城碳化硅有限公司等， 單臺(tái)碳化硅冶煉爐已經(jīng)達(dá)到3 萬kVA，居于全國領(lǐng)先水平，總產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到40 萬t/a 以上，占全國總產(chǎn)量40%以上。 此時(shí)寧夏碳化硅行業(yè)的特點(diǎn)是冶煉爐越建越大， 晶塊的質(zhì)量已經(jīng)處于全國領(lǐng)先水平，但碳化硅制品仍然發(fā)展緩慢。

借助2006—2010 年光伏行業(yè)爆發(fā)式發(fā)展的東風(fēng)，寧夏石嘴山市凱旗碳化硅有限公司、寧夏東方南興研磨材料、 寧夏卡瑞爾研磨材料有限公司等專門生產(chǎn)太陽能切割刃料的企業(yè)得到了長足的發(fā)展，僅這幾家企業(yè)生產(chǎn)的碳化硅微粉年產(chǎn)量就已達(dá)到了1 萬t 以上，成為光伏材料行業(yè)舉足輕重的企業(yè)，產(chǎn)品經(jīng)協(xié)鑫（集團(tuán)）控股有限公司、江西賽維LDK 太陽能高科技有限公司、 隆基綠能科技股份有限公司等多晶硅切割企業(yè)采購使用，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，也將寧夏的碳化硅產(chǎn)品的制備水平提升到一個(gè)新的高度。

2 寧夏碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

自2012 年以來，寧夏的碳化硅產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)量穩(wěn)定增長的同時(shí)，開始呈現(xiàn)出產(chǎn)品豐富、市場(chǎng)細(xì)分、規(guī)模提升、技術(shù)創(chuàng)新的新格局。以濱河碳化硅制品有限公司為首的大型碳化硅冶煉企業(yè)， 自主興建電廠以進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，并建起了單體5 萬t/a 的碳化硅冶煉爐， 同時(shí)還建設(shè)了年產(chǎn)1 萬t 的氮化硅結(jié)合碳化硅耐火材料生產(chǎn)線。形成了融合火力發(fā)電、碳化硅冶煉、碳化硅微粉、陶瓷耐火材料等多種產(chǎn)品生產(chǎn)于一體的綜合型現(xiàn)代化碳化硅材料企業(yè)。

寧夏興爾泰化工集團(tuán)不但建造了自備電廠，還建立4 條3 萬t/a 的碳化硅生產(chǎn)線，年產(chǎn)量達(dá)到了12 萬t。 寧夏和興碳基材料有限公司和寧夏裕隆冶金制品有限公司借助國家藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的契機(jī)建立了冶煉爐一氧化碳尾氣回收系統(tǒng)。 寧夏機(jī)械研究院轉(zhuǎn)讓北方民族大學(xué)專利技術(shù)率先在寧夏規(guī)模化生產(chǎn)出亞微米級(jí)碳化硅微粉和無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷制品。經(jīng)過十幾年的研究開發(fā)， 寧夏機(jī)械研究院生產(chǎn)的碳化硅陶瓷片憑借優(yōu)異的質(zhì)量遠(yuǎn)銷海外， 生產(chǎn)能力在中國碳化硅陶瓷企業(yè)中處于領(lǐng)先地位。 寧夏北方高科工業(yè)有限公司緊隨其后， 亞微米級(jí)碳化硅微粉的年產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到800 t，同時(shí)與寧波伏爾肯科技股份有限公司合作，生產(chǎn)碳化硅陶瓷制品，進(jìn)一步提升了寧夏碳化硅產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)水平和產(chǎn)值。

3 對(duì)寧夏碳化硅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的分析與建議

3.1 國內(nèi)外碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

通過對(duì)中外多個(gè)科學(xué)研究文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索和比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)， 近5 a 來碳化硅相關(guān)科學(xué)研究發(fā)文量前5 名依次是中國、美國、韓國、日本和德國。圖1 為通過中國國家專利局網(wǎng)站檢索得到的碳化硅相關(guān)專利數(shù)據(jù)情況。 由圖1 可以看出，在2010—2018年期間， 中國碳化硅領(lǐng)域的專利申請(qǐng)數(shù)量在逐年遞增。 2018 年數(shù)量有所下降，主要是因?yàn)椴糠稚暾?qǐng)數(shù)據(jù)尚未公開所致。因此，無論是從科研發(fā)文量還是專利申請(qǐng)數(shù)量來看， 都反映出中國碳化硅產(chǎn)業(yè)近年來正處在國際前列的位置， 且一直處于持續(xù)快速發(fā)展的階段，這也是科技政策、人才隊(duì)伍、研發(fā)經(jīng)費(fèi)等不斷增加投入和支持力度的結(jié)果。

圖1 2010—2018 年中國碳化硅領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量情況

綜合分析近年來陶瓷界大型國際學(xué)術(shù)會(huì)議報(bào)告及參展企業(yè)情況可以發(fā)現(xiàn)， 不論是科學(xué)研究人員還是產(chǎn)業(yè)企業(yè)都將興趣集中在5 個(gè)方面：1）碳化硅陶瓷燒結(jié)技術(shù)，如熱壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)（SPS）、微波輔助燒結(jié)等；2）新型碳化硅復(fù)合材料，如碳化硅/碳復(fù)合材料、碳化硅/金剛石復(fù)合材料、碳化硅涂層復(fù)合材料等；3）高性能碳化硅陶瓷材料，如碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料、 碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料、高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電、超高抗蠕變性能碳化硅材料等；4）碳化硅半導(dǎo)體材料及器件，如碳化硅單晶、碳化硅半導(dǎo)體器件等；5）碳化硅陶瓷增材制造技術(shù)，如碳化硅結(jié)構(gòu)件3D 打印技術(shù)等。 隨著上述新領(lǐng)域新技術(shù)的研究持續(xù)推進(jìn)， 碳化硅陶瓷產(chǎn)業(yè)正朝著高性能、新技術(shù)、新應(yīng)用和低成本的方向快速發(fā)展［8-16］。

目前，碳化硅陶瓷生產(chǎn)及應(yīng)用市場(chǎng)已覆蓋全球。亞太地區(qū)作為新興經(jīng)濟(jì)體和人口大國聚集地區(qū)，已經(jīng)成為碳化硅陶瓷全球市場(chǎng)中份額最大、 最具發(fā)展前景的區(qū)域。印度、巴西、墨西哥等國家由于在汽車、鋼鐵工業(yè)等方面發(fā)展和需求增速較快， 正在成為各自地區(qū)市場(chǎng)增長的重要貢獻(xiàn)者。 在產(chǎn)業(yè)分布方面，碳化硅粉體產(chǎn)業(yè)中大部分企業(yè)在中國布局，而高技術(shù)陶瓷產(chǎn)業(yè)在日本、美國、歐盟、中國均有重要企業(yè)分布。

3.2 寧夏碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析與建議

寧夏雖地處中國內(nèi)陸西北腹地， 但依托其所生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)煤炭資源，經(jīng)過幾十年的不斷努力和發(fā)展，如今已成為中國乃至全球重要的碳化硅產(chǎn)業(yè)基地。圖2 為近5 a 寧夏碳化硅產(chǎn)量與全國產(chǎn)量對(duì)比數(shù)據(jù)。

圖2 寧夏碳化硅產(chǎn)量與全國產(chǎn)量對(duì)比數(shù)據(jù)

由圖 2 可以對(duì)比看出， 在 2014—2016 年間，寧夏碳化硅產(chǎn)量總體保持在全國產(chǎn)量的50%左右，2016 年達(dá)到最高比例，接近60%。自2017 年該比例開始下降， 這主要是由于國家實(shí)施了更為嚴(yán)格的新的環(huán)保政策， 要求企業(yè)改造以前露天排放一氧化碳的碳化硅冶煉方式為廢氣回收再利用模式， 這使得一部分無力改造的小型企業(yè)被淘汰出局； 而各大企業(yè)的環(huán)保改造過程勢(shì)必對(duì)當(dāng)年產(chǎn)量產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而導(dǎo)致了寧夏碳化硅總產(chǎn)量下降。

目前，半導(dǎo)體、光伏和航空領(lǐng)域已成為碳化硅主要的三大應(yīng)用領(lǐng)域［17-22］，僅半導(dǎo)體領(lǐng)域電子元件市場(chǎng)預(yù)估至 2023 年就將達(dá)到 14 億美元［23］，這對(duì)于碳化硅產(chǎn)業(yè)而言是重要的發(fā)展機(jī)遇。 而寧夏作為全世界重要的碳化硅基地，由于地處西北腹地，總體加工手段更新較慢，高技術(shù)產(chǎn)品比例較低，技術(shù)儲(chǔ)備及資金投入不足， 使得本地碳化硅產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出產(chǎn)量大但產(chǎn)值低、市場(chǎng)份額高但分量輕、企業(yè)群龐大但缺少市場(chǎng)話語權(quán)的狀況。寧夏從碳化硅的原料生產(chǎn)、晶體冶煉到粉體加工、碳化硅基耐火材料、碳化硅陶瓷制品的產(chǎn)業(yè)鏈雖已初具規(guī)模， 但冶煉等初級(jí)產(chǎn)品仍然占據(jù)主要份額， 高值產(chǎn)品如新開發(fā)的碳化硅微納米微粉、工程陶瓷等規(guī)模尚小。這些都成為了寧夏碳化硅產(chǎn)業(yè)面對(duì)未來和發(fā)展機(jī)遇時(shí)的重大挑戰(zhàn)。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展， 未來碳化硅產(chǎn)業(yè)的主要應(yīng)用將集中在半導(dǎo)體電子信息材料領(lǐng)域。 寧夏的碳化硅產(chǎn)業(yè)應(yīng)當(dāng)抓住這一契機(jī)， 依托自身已有的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和體量優(yōu)勢(shì)，建立并增強(qiáng)高校、企業(yè)、市場(chǎng)間產(chǎn)—學(xué)—研—用四位一體的創(chuàng)新合作模式，開發(fā)碳化硅高端技術(shù)陶瓷、半導(dǎo)體材料產(chǎn)品等。從地方政府到產(chǎn)業(yè)相關(guān)企事業(yè)單位都應(yīng)當(dāng)加大政策扶持、研發(fā)人才、研發(fā)經(jīng)費(fèi)的投入力度。有實(shí)力的企業(yè)應(yīng)通過人才及技術(shù)引進(jìn)、投資建廠、收購并購等方式及早在該領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)劃布局， 將寧夏碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶上新的航道，才能保持住原有優(yōu)勢(shì)，不斷發(fā)展。

4 結(jié)語

近幾年， 寧夏高端的碳化硅微粉及陶瓷制品生產(chǎn)雖取得了一些進(jìn)步，在中國具有一定的影響，但要達(dá)到與自身體量相符的地位仍任重道遠(yuǎn)。 建議政府應(yīng)出臺(tái)相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)政策和鼓勵(lì)措施， 積極引導(dǎo)企業(yè)重視技術(shù)和人才引進(jìn)， 積極開展產(chǎn)—學(xué)—研—用合作創(chuàng)新，加大與科研院所的合作，增加資金投入。 隨著西部大開發(fā)、東西部產(chǎn)業(yè)融合等大政策的實(shí)施，寧夏的碳化硅產(chǎn)業(yè)必將取得飛速發(fā)展。