Silicio metalo savybės ir panaudojimas

Silicio metalas yra pilkas ir blizgus pusiau laidus metalas, naudojamas plienui, saulės elementams ir mikroschemoms gaminti. Silicis yra antras gausiausias žemės plutos elementas (atsilieka tik deguonis) ir aštuntas pagal dažnumą elementas visatoje. Beveik 30 procentų žemės plutos svorio gali būti priskiriama siliciui.

Elementas, kurio atominis numeris 14, natūraliai randamas silikatiniuose mineraluose, įskaitant silicio dioksidą, lauko špatą ir žėručio pavidalą, kurie yra pagrindiniai įprastų uolienų, tokių kaip kvarcas ir smiltainis, komponentai. Pusiau metalas (arba metaloidas), silicis pasižymi kai kuriomis metalų ir nemetalų savybėmis.

Kaip ir vanduo, tačiau skirtingai nuo daugumos metalų, silicis suskystėja ir išsiplečia, nes kietėja. Jis turi palyginti aukštus lydymosi ir virimo taškus, o kai jis kristalizuojasi, susidaro deimantinė kubinė kristalų struktūra. Kritinis silicio kaip puslaidininkio vaidmuo ir jo naudojimas elektronikoje yra elemento atomas struktūrą, kurią sudaro keturi valentiniai elektronai, leidžiantys siliciui jungtis su kitais elementais lengvai.

• Atominis simbolis: Si
• Atominis skaičius: 14
• Elemento kategorija: metaloidas
• Tankis: 2.329g / cm3
• Lydymosi temperatūra: 1414 ° C (2577 ° F).
• Virimo temperatūra: 3265 ° C (5909 ° F)
• Moho kietumas: 7

Švedijos chemikas Jonsas Jacobas Berzerlius pirmą kartą išskiria silicį 1823 m. Berzerlius tai padarė kaitindamas tiglyje metalinį kalį (kuris buvo išskirtas tik dešimtmečiu anksčiau) kartu su kalio fluorosilikatu. Rezultatas buvo amorfinis silicis.

Tačiau kristalinio silicio pagaminimas reikalavo daugiau laiko. Elektrolitinis kristalinio silicio mėginys nebus imamas dar tris dešimtmečius. Pirmasis komercinis silicio panaudojimas buvo ferosilicio pavidalas.

Po Henriko Bessemerio plieno pramonės modernizavimas viduryje buvo didelis susidomėjimas plienas metalurgija ir plieno gamybos metodų tyrimai. Kai pirmoji pramoninė ferosilicio gamyba buvo vykdoma 1880-aisiais, silicio svarba tobulėjant lankstumas kiaulėje geležies o deoksidacinis plienas buvo gana gerai suprantamas.

Ankstyvas ferosilicio gamyba buvo atliktas aukštakrosnėse, redukuojant silicio turinčias rūdas medžio anglimi, dėl ko susidarė sidabrinis ketus - ferosilicis, kuriame silicio kiekis sudaro iki 20 procentų.

Elektrinių lanko krosnių vystymas XX amžiaus pradžioje leido ne tik gaminti daugiau plieno, bet ir gaminti daugiau silicio silicio. 1903 m. Pradėjo veikti geležies lydinių gamyba (Compagnie Generate d'Electrochimie). operacijos Vokietijoje, Prancūzijoje ir Austrijoje, o 1907 m. pirmoji komercinė silicio gamykla buvo JAV įkurta.

Plieno gamyba nebuvo vienintelis silicio junginių, kurie buvo parduodami iki XIX a. Pabaigos, taikymas. 1890 m. Dirbtiniams deimantams gaminti Edwardas Goodrichas Achesonas šildė aliuminio silikatą su kokso milteliais ir, beje, pagamino silicio karbidą (SiC).

Po trejų metų "Acheson" užpatentavo savo gamybos metodą ir įkūrė "Carborundum Company" (carborundum tuo metu tai buvo įprastas silicio karbido pavadinimas) abrazyvo gamybai ir pardavimui Produktai.

Iki XX amžiaus pradžios taip pat buvo realizuotos silicio karbido laidžiosios savybės, o junginys buvo naudojamas kaip detektorius ankstyvuosiuose laivų radijuose. Silicio kristalų detektorių patentas buvo suteiktas GW Pickardui 1906 m.

1907 m., Sukūrus įtampą silicio karbido kristalui, buvo sukurtas pirmasis šviesos diodas (LED). Iki 1930-ųjų silicio vartojimas augo kuriant naujus cheminius produktus, įskaitant silanus ir silikonus. Elektronikos augimas per pastarąjį šimtmetį taip pat neatsiejamai susijęs su siliciu ir jo unikaliomis savybėmis.

Sukūrus pirmuosius tranzistorius - šiuolaikinių mikroschemų pirmtakus - 1940 m germanis, neilgai trukus silicis savo metaloidinį pusbrolį išstūmė kaip patvaresnę substrato puslaidininkinę medžiagą. „Bell Labs“ ir „Texas Instruments“ pradėjo komerciniu būdu gaminti silicio tranzistorius 1954 m.

Pirmieji silicio integriniai grandynai buvo sukurti septintajame dešimtmetyje, o iki 1970-ųjų buvo sukurti silicio turintys procesoriai. Atsižvelgiant į tai, kad silicio pagrindu pagaminta puslaidininkių technologija sudaro šiuolaikinės elektronikos ir Kompiuterija neturėtų stebinti, kad šios pramonės veiklos centrą vadiname „siliciu“ Slėnis “.

(Norėdami išsamiai pažvelgti į Silicio slėnio istoriją ir raidą bei mikroschemų technologijas, labai rekomenduoju „American Experience“ dokumentinį filmą pavadinimu Silicio slėnis). Netrukus po to, kai buvo atidengti pirmieji tranzistoriai, „Bell Labs“ darbas su siliciu 1954 m. Paskatino antrą svarbų proveržį: pirmąją silicio fotoelektrinę (saulės) elementą.

Prieš tai daugumos manymu, neįmanoma panaudoti saulės energijos, kad būtų sukurta energija žemėje. Bet tik po ketverių metų, 1958 m., Žemėje riedėjo pirmasis palydovas, maitinamas silicio saulės elementais.

Iki aštuntojo dešimtmečio komercinės saulės energijos technologijos pritaikytos prie antžeminių programų, tokių kaip apšvietimas jūrinėse naftos platformose ir geležinkelio pervažose. Per pastaruosius du dešimtmečius saulės energijos vartojimas išaugo eksponentiškai. Šiandien silicio fotoelektros technologijos sudaro apie 90 procentų pasaulinės saulės energijos rinkos.

Didžioji dalis kasmet rafinuoto silicio - apie 80 procentų - yra pagaminta kaip geležies silicis, naudojamas geležyje ir plieno gamyba. Ferosilicio silicyje gali būti nuo 15 iki 90 procentų silicio, priklausomai nuo lydytuvo poreikių.

lydinys geležis ir silicis gaminami naudojant panardintą elektrinę lankinę krosnį redukuojantį lydymą. Rūda, kurioje gausu silicio dioksido, ir anglies šaltinis, pavyzdžiui, koksinės akmens anglys (metalurginės akmens anglys), susmulkinamos ir įpilamos į krosnį kartu su geležies laužu.

Esant aukštesnei kaip 1900 temperatūrai°C (3450°F) anglis reaguoja su rūdo deguonimi, sudarydama anglies monoksido dujas. Tuo tarpu likusi geležis ir silicis tada sujungiami, kad susidarytų išlydytas ferosilicis, kurį galima surinkti bakstelint į krosnies pagrindą. Atvėsęs ir sukietėjęs ferosilicis gali būti gabenamas ir tiesiogiai naudojamas geležies ir plieno gamyboje.

Tas pats metodas, neįtraukiant geležies, naudojamas gaminant metalurginio tipo silicį, kurio grynumas didesnis kaip 99 procentai. Metalurginis silicis taip pat naudojamas plieno lydymui, taip pat gaminant aliuminio lydinius ir silano chemikalus.

Metalurginis silicis klasifikuojamas pagal geležies priemaišų lygius, aliuminioir kalcio, esančio lydinyje. Pavyzdžiui, 553 silicio metale yra mažiau kaip 0,5 procento kiekvienos geležies ir aliuminio ir mažiau kaip 0,3 procento kalcio.

Kiekvienais metais pasaulyje pagaminama apie 8 milijonai metrinių tonų ferosilicio, o Kinija sudaro apie 70 procentų viso to kiekio. Tarp stambių gamintojų yra „Erdos“ metalurgijos grupė, „Ningxia Rongsheng Ferroalloy“, „OM Materials Group“ ir „Elkem“.

Kasmet pagaminama papildomai 2,6 milijono tonų metalurginio silicio - arba maždaug 20 procentų viso rafinuoto silicio metalo. Kinija, vėlgi, sudaro apie 80 procentų šios produkcijos. Daugeliui staigmena yra tai, kad saulės ir elektroniniai silicio produktai sudaro tik nedidelę dalį (mažiau nei du procentus) visos rafinuoto silicio produkcijos. Norint pereiti prie saulės kokybės silicio metalo (polisilicio), grynumas turi padidėti iki 99,9999% (6N) gryno silicio. Tai atliekama vienu iš trijų būdų, labiausiai paplitęs yra „Siemens“ procesas.

Siemens procesas apima cheminių lakiųjų dujų, žinomų kaip trichlorosilanas, nusodinimą garų pagalba. Apie 1150°C (2102°F) trichlorosilanas pučiamas virš aukšto grynumo silicio sėklų, pritvirtintų strypo gale. Kai jis praeina, iš sėklų nusėda aukšto grynumo silicis iš dujų.

Fluidinio sluoksnio reaktorius (FBR) ir modernizuota metalurginio lygio (UMG) silicio technologija taip pat naudojami metalui sustiprinti iki silicio, tinkamo fotoelektros pramonei. 2013 m. Buvo pagaminta du šimtai trisdešimt tūkstančių metrinių tonų silicio silicio. Pagrindiniai gamintojai yra „GCL Poly“, „Wacker-Chemie“ ir OCI.

Galiausiai, kad elektronikos klasės silicis būtų tinkamas naudoti puslaidininkių pramonei ir tam tikras fotovoltinės technologijos, polisilicis turi būti perdarytas į ypač gryną monokristalinį silicį per Czochralski procesas. Tam polisilicis ištirpinamas tiglyje 1425 m°C (2597°F) inertinėje atmosferoje. Ant strypo pritvirtintas sėklų kristalas panardinamas į išlydytą metalą, lėtai pasukamas ir pašalinamas, suteikiant laiko siliciui augti ant sėklinės medžiagos.

Gautas produktas yra silicio metalo lakštas (arba rutulys), kurio grynumas gali būti iki 99,999999999 (11N) procento. Šis strypas gali būti legiruotas boru arba fosforu, jei reikia, kad atitiktų kvantines mechanines savybes. Monokristalo lazdelė gali būti išsiųsta klientams tokia, kokia ji yra, arba supjaustyta vafliais ir poliruota arba tekstūruota konkretiems vartotojams.

Nors kasmet rafinuota maždaug dešimt milijonų metrinių tonų geležies silicio ir silicio metalo, didžioji dalis komerciškai naudojamo silicio yra iš tikrųjų silicio mineralų pavidalu, kurie naudojami gaminant viską nuo cemento, skiedinio ir keramikos, iki stiklo ir polimerai.

Ferosilicis, kaip pažymėta, yra dažniausiai naudojama metalinio silicio forma. Nuo pirmojo panaudojimo maždaug prieš 150 metų ferosilicis liko svarbus deoksidatorius gaminant anglį ir Nerūdijantis plienas. Šiandien didžiausias geležies silicio vartotojas išlieka plieno lydymas.

Vis dėlto „Ferrosilicon“ naudojamas ne tik plieno gamyboje. Tai yra išankstinis lydinys gaminant magnio ferosilicio, nodulizerio, naudojamo kaliojo ketaus gamybai, taip pat Pidgeon proceso metu siekiant išvalyti didelio grynumo magnį. Ferosilicis taip pat gali būti naudojamas šilumai ir korozija atsparūs juodųjų metalų silicio lydiniai, taip pat silicio plienas, kuris naudojamas gaminant elektrinius variklius ir transformatorių šerdis.

Metalurginis silicis gali būti naudojamas gaminant plieną, taip pat kaip legiruojantis agentas liejant aliuminį. Aliuminio-silicio (Al-Si) automobilių dalys yra lengvos ir tvirtesnės už detales, išlietas iš gryno aliuminio. Automobilių dalys, tokios kaip variklio blokai ir padangų ratlankiai, yra vienos iš dažniausiai liejamų aliuminio silicio dalių.

Beveik pusę viso metalurginio silicio chemijos pramonė naudoja išgaramam silicio dioksidui gaminti (a tirštiklis ir sausiklis), silanai (jungiamoji medžiaga) ir silikonas (hermetikai, klijai ir tepalai). Fotoelektrinis polisilicis pirmiausia naudojamas gaminant polisilicio saulės elementus. Vienam megavatų saulės moduliui pagaminti reikia maždaug penkių tonų polisilicio.

Šiuo metu polisilicio saulės technologija sudaro daugiau nei pusę pasaulyje pagamintos saulės energijos, o silicio technologija sudaro maždaug 35 procentus. Iš viso 90 procentų žmonių naudojamos saulės energijos surenkama naudojant silicio technologiją.

Monokristalinis silicis taip pat yra kritinė puslaidininkių medžiaga, randama šiuolaikinėje elektronikoje. Kaip substrato medžiaga, naudojama lauko efektų tranzistorių (FET), šviesos diodų ir integrinių grandynų gamyboje, silicio galima rasti beveik visuose kompiuteriuose, mobiliuosiuose telefonuose, planšetiniuose kompiuteriuose, televizoriuose, radijuose ir kituose šiuolaikiniuose ryšiuose įrenginiai. Manoma, kad daugiau nei trečdalyje visų elektroninių prietaisų yra silicio puslaidininkių technologija.

Galiausiai kietojo lydinio silicio karbidas naudojamas įvairiose elektroninėse ir neelektroninėse programose, įskaitant sintetines papuošalai, aukštos temperatūros puslaidininkiai, kieta keramika, pjovimo įrankiai, stabdžių diskai, abrazyvai, neperšaunamos liemenės ir šildymas elementai.

Trumpa plieno lydinio ir geležies lydinių gamybos istorija.
URL adresas: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri ir Seppo Louhenkilpi.

Dėl geležies lydinių vaidmens plieno gamyboje. 2013 m. Birželio 9–13 d. Tryliktasis tarptautinis geležies lydinių kongresas. URL adresas: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf