宁夏碳化硅产业发展现状与对策

武金龙 ，吴澜尔 ，王 斌

（1.北方民族大学材料科学与工程学院，宁夏银川750021；2.粉体材料与特种陶瓷省部共建重点实验室；3.“工业废弃物循环利用及先进材料”国际科技合作基地；4.宁夏北伏科技有限公司）

碳化硅（SiC）陶瓷材料具有高温强度大、高温抗氧化性强、耐磨损性能好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高、抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，在汽车、机械化工、环境保护、空间技术、信息电子、光伏能源等领域应用日益广泛，已经成为一种在很多工业领域中都不可替代的结构陶瓷材料及功能材料［1-7］。

宁夏地处中国西北腹地，作为资源型地区有着可观的煤炭储量，其中所产太西煤具有低烟低灰、高热值、高化学活性等优异性能，是冶炼生产碳化硅的绝佳原材料。基于这些优质煤炭资源的优势，宁夏在碳基材料， 尤其是碳化硅材料产业的布局与发展方面一直在不断努力。

1 宁夏碳化硅产业发展历程

1.1 产业起步阶段

宁夏碳化硅产业起步于20 世纪80 年代。 1987年在宁夏惠农县礼和乡成立了一家乡镇企业——惠农碳化硅厂，它也是当时宁夏第一家采用交流冶炼技术的碳化硅企业， 其装机容量只有750 kW，碳化硅年产量不足1 000 t。 随后2 a 在中国第一砂轮厂（简称“一砂”）等单位的帮助下，先后建立了银川碳化硅厂、石嘴山碳化硅制品厂、平罗碳化硅厂、简泉碳化硅厂、大平碳化硅厂、碱沟山碳化硅厂等碳化硅企业，宁夏的碳化硅冶炼产业初步形成。

在当时的政策支持和企业的积极性相结合的情况下，到20 世纪80 年代末全宁夏碳化硅年产量已接近3 万t。 但受工业技术、装备设施、投入资金及人才队伍等因素的限制，当时宁夏的碳化硅企业几乎全部是粗放型的冶炼模式，只生产碳化硅冶炼晶块一种产品。 这导致整个宁夏的碳化硅产业入门门槛低、产品单一、价格低廉，虽然产品80%出口日本及欧洲，但不具备持久的竞争力。

1.2 产品升级阶段

受国际经济形势影响， 到1989 年碳化硅冶炼产品需求有所减少， 整个宁夏碳化硅产业发展放缓，进入萧条期。 加上国外用户压价，引起恶性竞争，各企业都举步维艰。 在此情况下，企业开始谋求产品升级，尝试将冶炼的晶块做简单破碎，生产0～10 mm 的粗颗粒产品，使产品价格有所提升，并重新打开了市场。 在此之后，各碳化硅生产企业纷纷通过对外合作、引进技术等方法开展碳化硅晶块加工技术的升级改造，寻找适合自身的发展之路。

其中1991 年银川碳化硅厂引进了一砂的沉降法微粉生产技术开始生产W 系列的碳化硅微粉。石嘴山碳化硅制品厂凭借中国第七砂轮厂（七砂）的帮助，开始生产F 系列的碳化硅砂。 平罗碳化硅厂更是投资100 多万元人民币直接引进了一条德国的气流磨生产线，采用干法生产碳化硅微粉，开创了中国碳化硅微粉生产的新局面。

到1995 年碳化硅市场逐步回暖， 宁夏又相继投产了一些碳化硅企业，比如石嘴山供电局的宁夏天净隆鼎碳化硅有限公司、平罗供电局的宁夏平罗晨光碳化硅有限公司、中宁供电局的宁夏金豪冶金制品有限公司等电力公司三产企业， 到1997 年达到了产业布局的第二轮高峰。 在这个时期各企业、工厂为了降低能耗，都在摒弃原来的小炉型，开发更大的碳化硅电阻炉。 到1997 年宁夏天净隆鼎碳化硅有限公司和宁夏平罗晨光碳化硅有限公司相继建成了8 000 kVA 的电阻炉，生产出大结晶碳化硅产品。此时，宁夏的碳化硅年总产能已经达到10 万t/a。

1997 年，受亚洲金融危机的影响，碳化硅行业再次陷入困境， 即便是碳化硅大结晶产品也面临滞销的局面。在此背景下，各厂开始尝试使用球磨机加工磨料级碳化硅砂、雷蒙磨加工耐火级碳化硅微粉。这些新的尝试也很快得到了市场的认可， 获得了大量的产品订单。 此时宁夏的碳化硅企业已经不再仅仅销售碳化硅晶块，几乎每个工厂都建有一条碳化硅深加工生产线，生产磨料级和耐火级的碳化硅产品。

1.3 产业转型阶段

经过数年沉浮，市场到2003 年又逐步回暖。 借助新一轮涨价潮， 宁夏的碳化硅产业完成了一次大规模的转型。 原有的一些小规模碳化硅生产厂家相继倒闭，一些规格更大的冶炼厂家陆续建成，例如滨河碳化硅有限公司、宁夏英力特冶金制品有限公司、宁夏天净隆鼎碳化硅有限公司、 宁夏众城碳化硅有限公司等， 单台碳化硅冶炼炉已经达到3 万kVA，居于全国领先水平，总产能已经达到40 万t/a 以上，占全国总产量40%以上。 此时宁夏碳化硅行业的特点是冶炼炉越建越大， 晶块的质量已经处于全国领先水平，但碳化硅制品仍然发展缓慢。

借助2006—2010 年光伏行业爆发式发展的东风，宁夏石嘴山市凯旗碳化硅有限公司、宁夏东方南兴研磨材料、 宁夏卡瑞尔研磨材料有限公司等专门生产太阳能切割刃料的企业得到了长足的发展，仅这几家企业生产的碳化硅微粉年产量就已达到了1 万t 以上，成为光伏材料行业举足轻重的企业，产品经协鑫（集团）控股有限公司、江西赛维LDK 太阳能高科技有限公司、 隆基绿能科技股份有限公司等多晶硅切割企业采购使用，达到国内领先水平，也将宁夏的碳化硅产品的制备水平提升到一个新的高度。

2 宁夏碳化硅产业发展现状

自2012 年以来，宁夏的碳化硅产业在产量稳定增长的同时，开始呈现出产品丰富、市场细分、规模提升、技术创新的新格局。以滨河碳化硅制品有限公司为首的大型碳化硅冶炼企业， 自主兴建电厂以进一步降低生产成本，并建起了单体5 万t/a 的碳化硅冶炼炉， 同时还建设了年产1 万t 的氮化硅结合碳化硅耐火材料生产线。形成了融合火力发电、碳化硅冶炼、碳化硅微粉、陶瓷耐火材料等多种产品生产于一体的综合型现代化碳化硅材料企业。

宁夏兴尔泰化工集团不但建造了自备电厂，还建立4 条3 万t/a 的碳化硅生产线，年产量达到了12 万t。 宁夏和兴碳基材料有限公司和宁夏裕隆冶金制品有限公司借助国家蓝天保卫战的契机建立了冶炼炉一氧化碳尾气回收系统。 宁夏机械研究院转让北方民族大学专利技术率先在宁夏规模化生产出亚微米级碳化硅微粉和无压烧结碳化硅陶瓷制品。经过十几年的研究开发， 宁夏机械研究院生产的碳化硅陶瓷片凭借优异的质量远销海外， 生产能力在中国碳化硅陶瓷企业中处于领先地位。 宁夏北方高科工业有限公司紧随其后， 亚微米级碳化硅微粉的年产能已经达到800 t，同时与宁波伏尔肯科技股份有限公司合作，生产碳化硅陶瓷制品，进一步提升了宁夏碳化硅产业的产品技术水平和产值。

3 对宁夏碳化硅产业现状的分析与建议

3.1 国内外碳化硅产业发展现状

通过对中外多个科学研究文献数据库进行检索和比对分析发现， 近5 a 来碳化硅相关科学研究发文量前5 名依次是中国、美国、韩国、日本和德国。图1 为通过中国国家专利局网站检索得到的碳化硅相关专利数据情况。 由图1 可以看出，在2010—2018年期间， 中国碳化硅领域的专利申请数量在逐年递增。 2018 年数量有所下降，主要是因为部分申请数据尚未公开所致。因此，无论是从科研发文量还是专利申请数量来看， 都反映出中国碳化硅产业近年来正处在国际前列的位置， 且一直处于持续快速发展的阶段，这也是科技政策、人才队伍、研发经费等不断增加投入和支持力度的结果。

图1 2010—2018 年中国碳化硅领域专利申请数量情况

综合分析近年来陶瓷界大型国际学术会议报告及参展企业情况可以发现， 不论是科学研究人员还是产业企业都将兴趣集中在5 个方面：1）碳化硅陶瓷烧结技术，如热压烧结、放电等离子烧结（SPS）、微波辅助烧结等；2）新型碳化硅复合材料，如碳化硅/碳复合材料、碳化硅/金刚石复合材料、碳化硅涂层复合材料等；3）高性能碳化硅陶瓷材料，如碳纤维增强碳化硅复合材料、 碳化硅纤维增强碳化硅复合材料、高导热、高导电、超高抗蠕变性能碳化硅材料等；4）碳化硅半导体材料及器件，如碳化硅单晶、碳化硅半导体器件等；5）碳化硅陶瓷增材制造技术，如碳化硅结构件3D 打印技术等。 随着上述新领域新技术的研究持续推进， 碳化硅陶瓷产业正朝着高性能、新技术、新应用和低成本的方向快速发展［8-16］。

目前，碳化硅陶瓷生产及应用市场已覆盖全球。亚太地区作为新兴经济体和人口大国聚集地区，已经成为碳化硅陶瓷全球市场中份额最大、 最具发展前景的区域。印度、巴西、墨西哥等国家由于在汽车、钢铁工业等方面发展和需求增速较快， 正在成为各自地区市场增长的重要贡献者。 在产业分布方面，碳化硅粉体产业中大部分企业在中国布局，而高技术陶瓷产业在日本、美国、欧盟、中国均有重要企业分布。

3.2 宁夏碳化硅产业发展分析与建议

宁夏虽地处中国内陆西北腹地， 但依托其所生产的优质煤炭资源，经过几十年的不断努力和发展，如今已成为中国乃至全球重要的碳化硅产业基地。图2 为近5 a 宁夏碳化硅产量与全国产量对比数据。

图2 宁夏碳化硅产量与全国产量对比数据

由图 2 可以对比看出， 在 2014—2016 年间，宁夏碳化硅产量总体保持在全国产量的50%左右，2016 年达到最高比例，接近60%。自2017 年该比例开始下降， 这主要是由于国家实施了更为严格的新的环保政策， 要求企业改造以前露天排放一氧化碳的碳化硅冶炼方式为废气回收再利用模式， 这使得一部分无力改造的小型企业被淘汰出局； 而各大企业的环保改造过程势必对当年产量产生一定的影响，进而导致了宁夏碳化硅总产量下降。

目前，半导体、光伏和航空领域已成为碳化硅主要的三大应用领域［17-22］，仅半导体领域电子元件市场预估至 2023 年就将达到 14 亿美元［23］，这对于碳化硅产业而言是重要的发展机遇。 而宁夏作为全世界重要的碳化硅基地，由于地处西北腹地，总体加工手段更新较慢，高技术产品比例较低，技术储备及资金投入不足， 使得本地碳化硅产业呈现出产量大但产值低、市场份额高但分量轻、企业群庞大但缺少市场话语权的状况。宁夏从碳化硅的原料生产、晶体冶炼到粉体加工、碳化硅基耐火材料、碳化硅陶瓷制品的产业链虽已初具规模， 但冶炼等初级产品仍然占据主要份额， 高值产品如新开发的碳化硅微纳米微粉、工程陶瓷等规模尚小。这些都成为了宁夏碳化硅产业面对未来和发展机遇时的重大挑战。

随着信息技术的快速发展， 未来碳化硅产业的主要应用将集中在半导体电子信息材料领域。 宁夏的碳化硅产业应当抓住这一契机， 依托自身已有的产业基础和体量优势，建立并增强高校、企业、市场间产—学—研—用四位一体的创新合作模式，开发碳化硅高端技术陶瓷、半导体材料产品等。从地方政府到产业相关企事业单位都应当加大政策扶持、研发人才、研发经费的投入力度。有实力的企业应通过人才及技术引进、投资建厂、收购并购等方式及早在该领域市场规划布局， 将宁夏碳化硅产业的发展带上新的航道，才能保持住原有优势，不断发展。

4 结语

近几年， 宁夏高端的碳化硅微粉及陶瓷制品生产虽取得了一些进步，在中国具有一定的影响，但要达到与自身体量相符的地位仍任重道远。 建议政府应出台相应的产业政策和鼓励措施， 积极引导企业重视技术和人才引进， 积极开展产—学—研—用合作创新，加大与科研院所的合作，增加资金投入。 随着西部大开发、东西部产业融合等大政策的实施，宁夏的碳化硅产业必将取得飞速发展。