Proprietățile și utilizările metalului siliconic

Metalul din silicon este un metal semiconductiv cenușiu și lustru, care este utilizat pentru fabricarea oțelului, celulelor solare și microcipurilor. Siliciul este al doilea element cel mai abundent din scoarța terestră (în spatele doar oxigenului) și al optulea cel mai comun element din univers. Aproape 30 la sută din greutatea scoarței terestre poate fi atribuită siliciului.

Elementul cu numărul atomic 14 apare în mod natural în mineralele de silicați, inclusiv silice, feldspat și mica, care sunt componente majore ale rocilor comune, cum ar fi cuarțul și gresia. Un semi-metal (sau metaloid), siliciul posedă unele proprietăți atât ale metalelor, cât și ale celor nemetale.

Ca apa - dar spre deosebire de majoritatea metalelor - siliciul se contractă în starea sa lichidă și se extinde pe măsură ce se solidifică. Are puncte de topire și fierbere relativ ridicate, iar atunci când cristalizează formează o structură de cristal cubic cu diamant. Elementul critic al rolului de siliciu ca semiconductor și utilizarea lui în electronică este atomicul elementului structură, care include patru electroni de valență care permit legarea siliconului cu alte elemente uşor.

• Simbol atomic: Da
• Număr atomic: 14
• Categorie de elemente: Metalloid
• Densitate: 2.329g / cm3
• Punctul de topire: 1414 ° C
• Punctul de fierbere: 3290 ° C
• Moh's Hardness: 7

Chimistul suedez Jons Jacob Berzerlius este creditat cu primul siliciu izolator în 1823. Berzerlius a realizat acest lucru prin încălzirea potasiului metalic (care a fost izolat doar cu un deceniu mai devreme) într-un creuzet împreună cu fluorosilicat de potasiu. Rezultatul a fost siliciu amorf.

Producerea de siliciu cristalin a necesitat totuși mai mult timp. Un eșantion electrolitic de siliciu cristalin nu s-ar face încă trei decenii. Prima utilizare comercializată a siliciului a fost sub formă de ferrosilicon.

În urma lui Henry Bessemer modernizarea industriei siderurgice la mijlocul secolului 19, a existat un mare interes în oţel metalurgie și cercetare în tehnici de prelucrare a oțelului. Până la prima producție industrială de ferrosilicon în anii 1880, importanța siliciului în îmbunătățire ductilitate la porc fier iar oțelul de deoxidare a fost destul de bine înțeles.

Producția timpurie de ferrosilicon s-a făcut în furnale prin reducerea minereurilor care conțin siliciu cu cărbune, ceea ce a dus la fierul de porc argintiu, un ferrosilicon cu un conținut de siliciu de până la 20%.

Dezvoltarea cuptoarelor cu arc electric la începutul secolului XX a permis nu numai o mai mare producție de oțel, dar și o mai mare producție de ferosilicon. În 1903, a început un grup specializat în realizarea feroaliei (Compagnie Generate d'Electrochimie) operațiuni în Germania, Franța și Austria și, în 1907, a fost prima fabrică comercială de siliciu din SUA fondat.

Fabricarea oțelului nu a fost singura aplicație pentru compuși de siliciu comercializați înainte de sfârșitul secolului al XIX-lea. Pentru a produce diamante artificiale în 1890, Edward Goodrich Acheson a încălzit silicatul de aluminiu cu cocs praf și produs accidental carbura de siliciu (SiC).

Trei ani mai târziu, Acheson și-a brevetat metoda de producție și a fondat Carborundum Company (carborundum) fiind denumirea comună pentru carbură de siliciu la acea vreme) în scopul fabricării și vânzării abrazive produse.

Până la începutul secolului XX, proprietățile conductoare ale carburii de siliciu au fost de asemenea realizate, iar compusul era folosit ca detector în radiourile timpurii ale navei. Un brevet pentru detectoare de cristal de siliciu a fost acordat GW Pickard în 1906.

În 1907, a fost creată prima diodă cu emisie de lumină (LED) prin aplicarea tensiunii pe un cristal de carbură de siliciu. Prin anii 1930, consumul de siliciu a crescut odată cu dezvoltarea de noi produse chimice, inclusiv silani și siliconi. Creșterea electronică în ultimul secol a fost, de asemenea, legată în mod inextricabil de siliciu și de proprietățile sale unice.

În timp ce creația primelor tranzistoare - precursoarele microcipurilor moderne - în anii 40 se baza germaniu, nu a trecut mult timp până când siliciu și-a înlocuit vărul metaloid ca material semiconductor mai durabil. Bell Labs și Texas Instruments au început să producă tranzistoare pe bază de siliciu în 1954.

Primele circuite integrate de siliciu au fost realizate în anii 1960 și, până în anii 1970, au fost dezvoltate procesoare care conțin siliciu. Având în vedere că tehnologia semiconductorului bazat pe siliciu constituie coloana vertebrală a electronicelor moderne și calculatoare, nu ar trebui să fie o surpriză faptul că ne referim la centrul de activitate pentru această industrie drept „Silicon Vale.'

(Pentru o privire detaliată asupra istoriei și dezvoltării tehnicii Silicon Valley și a microcipurilor, recomand cu mare drag documentarul American Experience intitulat Silicon Valley). Nu la mult timp după dezvăluirea primelor tranzistoare, munca lui Bell Labs cu siliciu a dus la o a doua descoperire majoră în 1954: Prima celulă fotovoltaică (solară) de siliciu.

Înainte de aceasta, cei mai mulți credeau imposibil gândul de a valorifica energia de la soare pentru a crea putere pe Pământ. Dar doar patru ani mai târziu, în 1958, primul satelit alimentat de celule solare de siliciu a orbitat pe pământ.

Până în anii ’70, aplicațiile comerciale pentru tehnologii solare crescuseră la aplicații terestre, precum alimentarea iluminatului pe platformele petroliere în larg și trecerile de cale ferată. În ultimele două decenii, utilizarea energiei solare a crescut exponențial. Astăzi, tehnologiile fotovoltaice pe bază de siliciu reprezintă aproximativ 90 la sută din piața mondială a energiei solare.

Majoritatea siliciului rafinat în fiecare an - aproximativ 80 la sută - este produs ca ferrosilicon pentru utilizare în fier și producția de oțel. Ferrosiliconul poate conține oriunde între 15 și 90 la sută siliciu, în funcție de cerințele de topitorie.

aliaj fier și siliciu sunt produse cu ajutorul unui cuptor cu arc electric scufundat prin topire cu reducere. Minereu bogat în silice și o sursă de carbon, cum ar fi cărbunele de cocsare (cărbune metalurgic) sunt zdrobite și încărcate în cuptor împreună cu fier vechi.

La temperaturi peste 1900°C (3450°F), carbonul reacționează cu oxigenul prezent în minereu, formând gaz monoxid de carbon. Între timp, restul de fier și siliciu, apoi se combină pentru a face ferrosiliconul topit, care poate fi colectat prin atingerea bazei cuptorului. Odată răcit și întărit, ferrosiliconul poate fi apoi livrat și utilizat direct în fabricarea fierului și a oțelului.

Aceeași metodă, fără includerea fierului, este utilizată pentru a produce siliciu de calitate metalurgică mai mare de 99% pur. Siliciul metalurgic este utilizat și în topirea oțelului, precum și la fabricarea aliajelor turnate din aluminiu și a substanțelor chimice silanice.

Siliciul metalurgic este clasificat după nivelul de impuritate al fierului, aluminiuși calciu prezent în aliaj. De exemplu, 553 siliciu metal conține mai puțin de 0,5 la sută din fiecare fier și aluminiu și mai puțin de 0,3 la sută de calciu.

Aproximativ 8 milioane de tone de ferrosilicon sunt produse în fiecare an la nivel global, China reprezentând aproximativ 70 la sută din acest total. Printre producătorii mari se numără Erdos Metalurgie Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials și Elkem.

Anual, se produc 2,6 milioane tone de siliciu metalurgic - sau aproximativ 20 la sută din totalul de siliciu rafinat - anual. China, din nou, reprezintă aproximativ 80 la sută din această producție. O surpriză pentru mulți este că gradele de siliciu solare și electronice reprezintă doar o cantitate mică (mai puțin de două procente) din toată producția de siliciu rafinat. Pentru a trece la siliciu de calitate solară (polisilicon), puritatea trebuie să crească până la 99,9999% (6N) siliciu pur. Se realizează printr-una din cele trei metode, cea mai frecventă fiind procesul Siemens.

Procesul Siemens implică depunerea de vapori chimici a unui gaz volatil cunoscut sub numele de triclorosilan. La 1150°C (2102°F) triclorosilanul este suflat pe o semință de siliciu de înaltă puritate montată la capătul unei tije. Pe măsură ce trece, siliconul de înaltă puritate din gaz este depus pe sămânță.

Reactorul cu pat fluid (FBR) și tehnologia modernizată de siliciu de calitate metalurgică (UMG) sunt de asemenea utilizate pentru a îmbunătăți metalul până la polisilic potrivit pentru industria fotovoltaică. În 2013 au fost produse două sute treizeci de mii de tone de polisilic. Producătorii de top includ GCL Poly, Wacker-Chemie și OCI.

În cele din urmă, pentru a face siliciu de calitate electronică adecvat pentru industria semiconductorului și sigur tehnologii fotovoltaice, polisiliconul trebuie transformat în siliciu monocristal ultra-pur prin intermediul Procesul Czochralski. Pentru a face acest lucru, polisiliconul este topit într-un creuzet la 1425°C (2597°F) într-o atmosferă inertă. Un cristal de sămânță montat în tijă este apoi scufundat în metalul topit și rotit și îndepărtat lent, dând timp creșterii siliconului pe materialul semințelor.

Produsul rezultat este o tijă (sau brâu) dintr-un singur siliciu metal care poate fi la fel de înaltă de 99.999999999 (11N) la sută pur. Această tijă poate fi dopată cu bor sau fosfor, după cum este necesar pentru a regla proprietățile mecanice cuantice, după cum este necesar. Tija monocristală poate fi expediată clienților așa cum este sau poate fi tăiată în napolitane și șlefuită sau texturată pentru utilizatori specifici.

În timp ce aproximativ zece milioane de tone metrice de ferrosilicon și siliciu sunt rafinate în fiecare an, majoritatea siliciului utilizat comercial este de fapt sub formă de minerale de siliciu, care sunt utilizate la fabricarea de toate, de la ciment, mortare și ceramică, la sticlă și polimeri.

Ferrosiliconul, după cum s-a menționat, este cea mai frecvent utilizată formă de siliciu metalic. De la prima utilizare în urmă cu aproximativ 150 de ani, ferrosiliconul a rămas un important agent de deoxidare în producția de carbon și oțel inoxidabil. Astăzi, topirea oțelului rămâne cel mai mare consumator de ferrosilicon.

Totuși, Ferrosilicon are o serie de utilizări dincolo de producerea oțelului. Este un pre-aliaj în producția de magneziu ferrosilicon, un nodulizant folosit pentru producerea fierului ductil, precum și în timpul procesului Pidgeon pentru rafinarea magneziului de înaltă puritate. Ferrosiliconul poate fi de asemenea utilizat pentru a produce căldură și coroziune aliaje de siliciu feros rezistente, precum și oțel siliciu, care este utilizat la fabricarea electro-motoarelor și miezurilor de transformare.

Siliciul metalurgic poate fi utilizat la prelucrarea oțelului, precum și un agent de aliere în turnarea din aluminiu. Piesele auto din aluminiu-siliciu (Al-Si) sunt ușoare și mai puternice decât componentele turnate din aluminiu pur. Piese auto, cum ar fi blocurile de motor și jantele de anvelopă sunt unele dintre cele mai frecvent piese din siliciu din aluminiu turnat.

Aproape jumătate din siliconul metalurgic este utilizat de industria chimică pentru a produce silice fumată (a agent de îngroșare și desicant), silani (un agent de cuplare) și silicon (sigilanți, adezivi și lubrifianți). Polisiliconul de grad fotovoltaic este utilizat în primul rând la confecționarea celulelor solare polisiliconice. Aproximativ cinci tone de polisilicon sunt necesare pentru a face un megawatt de module solare.

În prezent, tehnologia solară polysilicon reprezintă mai mult de jumătate din energia solară produsă la nivel global, în timp ce tehnologia monosilicon contribuie cu aproximativ 35 la sută. În total, 90% din energia solară folosită de oameni este colectată prin tehnologia pe bază de siliciu.

Siliciul monocristal este, de asemenea, un material semiconductor critic găsit în electronica modernă. Ca material de substrat utilizat la producerea tranzistoarelor cu efect de câmp (FET), a LED-urilor și a circuitelor integrate, siliciu poate fi găsit în aproape toate computerele, telefoanele mobile, tabletele, televizoarele, radiourile și alte comunicări moderne dispozitive. Se estimează că mai mult de o treime din toate dispozitivele electronice conțin tehnologie semiconductor pe bază de siliciu.

În cele din urmă, carbura de siliciu din aliaj dur este utilizată într-o varietate de aplicații electronice și non-electronice, inclusiv sintetice bijuterii, semiconductori la temperatură înaltă, ceramică dură, scule de tăiere, discuri de frână, abrazive, veste antiglonț și încălzire elemente.

O scurtă istorie a producției de aliaje de oțel și a feroaloyului.
Adresa URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri și Seppo Louhenkilpi.

Pe rolul feroalelor în industria siderurgică. 9-13 iunie 2013. Al treisprezecelea Congres internațional al ferovii. Adresa URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf