Својства и употребе метала силицијума

Метални силицијум је сиви и сјајни полуводљиви метал који се користи за производњу челика, соларних ћелија и микрочипова. Силицијум је други најбројнији елемент у земљиној кори (иза само кисеоника) и осми најчешћи елемент у свемиру. Скоро 30 процената тежине земљине коре може се приписати силицијуму.

Елемент са атомским бројем 14 природно се јавља у силикатним минералима, укључујући силицијум, фелдспар и сљубу, који су главне компоненте уобичајених стена као што су кварц и пешчењак. Полу-метал (или металлоид), силицијум има нека својства и метала и не метала.

Попут воде - али за разлику од већине метала - силицијум се стврдњава у течном стању и шири се док се очвршћава. Има релативно високе тачке топљења и кључања, а када се кристализује формира дијамантску кубну кристалну структуру. Критична за улогу силицијума као полуводича и његове употребе у електроници је атомски елемент структура која укључује четири валентна електрона који омогућавају силицијуму да се веже са другим елементима спремно.

• Атомски симбол: Си
• Атомски број: 14
• Елемент Категорија: Металлоид
• Густина: 2.329г / цм3
• Тачка топљења: 1414 ° Ф
• Тачка кључања: 3265 ° Ц
• Мохова тврдоћа: 7

Шведски хемичар Јонс Јацоб Берзерлиус заслужан је за први изоловање силицијума 1823. године. Берзерлиус је то постигао загревањем металног калијума (који је био изолован тек деценију раније) у лонцу заједно са калијум флуоросиликатом. Резултат је био аморфни силицијум.

Међутим, прављење кристалног силицијума захтевало је више времена. Електролитички узорак кристалног силицијума не би се правио још три деценије. Прва комерцијализована употреба силицијума била је у облику феросилицијума.

Пратећи Хенрија Бессемера модернизација индустрије производње челика средином 19. века владало је велико интересовање за челика металургија и истраживања у техници израде челика. У време прве индустријске производње феросилицијума 1880-тих, значај силицијума је био у побољшању дуктилност код свиње гвожђе и деоксидациони челик је био прилично добро схваћен.

Рана производња феросилицијума извршена је у високим пећима смањењем руда које садрже силицијум са угљеном, што је резултирало сребрним гвожђем, феросилицијом са до 20 процената силикона.

Развој електролучних пећи почетком 20. века омогућио је не само већу производњу челика, већ и већу производњу феросилицијума. 1903. године почела је група специјализована за производњу феролегура (Цомпагние Генерате д'Елецтроцхимие) операције у Немачкој, Француској и Аустрији и 1907. године била је прва комерцијална фабрика силицијума у ​​САД основана.

Производња челика није била једина примена за силицијумова једињења која су комерцијализована пре краја 19. века. Да би произвео вештачке дијаманте 1890. године, Едвард Гоодрицх Ацхесон је загревао алуминијумски силикат са коксом у праху и случајно произвео силицијум карбид (СиЦ).

Три године касније Ацхесон је патентирао свој начин производње и основао компанију Царборундум (царборундум) у то време био је уобичајени назив за силицијум-карбид) у сврху израде и продаје абразива производи.

До почетка 20. века проводила су се и проводна својства силицијум-карбида, а једињење је коришћено као детектор у раним бродским радио станицама. Патент за детекторе кристалних силицијума добио је ГВ Пицкард 1906.

1907. створена је прва диода која емитује светлост применом напона на кристал силицијевог карбида. Кроз 1930. употреба силицијума је расла с развојем нових хемијских производа, укључујући силане и силиконе. Раст електронике током протеклог века такође је нераскидиво повезан са силицијумом и његовим јединственим својствима.

Док се на стварање првих транзистора - претеча модерних микрочипова - четрдесетих година КСКС века ослањао германијум, није прошло дуго пре него што је силицијум заменио свој металоидни рођак као издржљивији полупроводнички материјал супстрата. Белл Лабс и Текас Инструментс започели су комерцијалну производњу транзистора на бази силицијума 1954. године.

Прва интегрисана кола са силиконом направљена су 1960-их година, а до 1970-их развијени су процесори који садрже силицијум. С обзиром да технологија полуводича на бази силицијума чини окосницу савремене електронике и рачунајући, не би требало бити изненађујуће што смо центар активности ове индустрије назвали „Силикон Валлеи.

(За детаљан поглед на историју и развој Силицијумске долине и микрочип технологију, топло препоручујем документарни филм Америцан Екпериенце под називом Силицијска долина). Недуго након откривања првих транзистора, рад Белл Лабоса са силицијумом довео је до другог великог пробоја 1954. године: Прве силиконске фотонапонске (соларне) ћелије.

Пре тога, веровање о коришћењу енергије од сунца за стварање снаге на земљи већина је веровала немогућим. Али само четири године касније, 1958., први сателит покренут силицијумским соларним ћелијама вртео је се око Земље.

До 1970-их комерцијалне апликације за соларне технологије прерасле су у земаљске примене, као што су напајање осветљења на обалним нафтним постројењима и железничким прелазима. У протекле две деценије, употреба соларне енергије је експоненцијално порасла. Данас фотонапонске технологије на бази силицијума представљају око 90 посто глобалног тржишта соларне енергије.

Већина силикона рафинираних сваке године - око 80 процената - производи се као феросилицијум за употребу у гвожђу и Железара. Феросилицијум може да садржи било где између 15 и 90 процената силицијума, у зависности од захтева топионице.

Тхе легура гвожђа и силицијума се производи коришћењем потопљене електролучне пећи редукционим топљењем. Рука богата силицијумом и угљеником, као што је коксни угљен (металуршки угаљ), уситњавају се и шаљу у пећ заједно са отпадним гвожђем.

На температурама преко 1900°Ц (3450)°Ф), угљеник реагује са кисеоником присутним у руди, формирајући гас угљен моноксид. У међувремену, преостало гвожђе и силицијум се комбинују да би се добио истопљени феросилицијум, који се може сакупљати тапкањем по основи пећи. Кад се охлади и очврсне, феросилицијум се затим може испоручити и директно користити у производњи жељеза и челика.

Иста метода, без укључивања гвожђа, користи се за добијање силицијума металуршког квалитета који је већи од 99 одсто. Металуршки силицијум се такође користи у топљењу челика, као и у производњи легура алуминијума и силанских хемикалија.

Металуршки силицијум је класификован према нивоима нечистоће гвожђа, алуминијуми калцијум присутан у легури. На пример, 553 метала силицијума садржи мање од 0,5 процената сваког гвожђа и алуминијума и мање од 0,3 процента калцијума.

Око 8 милиона метричких тона феросилицијума годишње се производи широм света, а Кина чини око 70 процената ове укупне количине. Велики произвођачи укључују Ердос Металурги Гроуп, Нингкиа Ронгсхенг Ферроаллои, Групе ОМ материјала и Елкем.

Додатних 2,6 милиона метричких тона металуршког силицијума - или око 20 процената укупног рафинираног метала силицијума - произведе се годишње. На Кину, опет, отпада око 80 процената ове производње. Изненађење многих је да соларни и електронски слојеви силицијума чине само малу количину (мање од два процента) све производње рафинираног силицијума. Да би се надоградио на силиконски метал силикона (полисилицијум), чистоћа се мора повећати на 99,9999% (6Н) чистог силицијума. То се ради помоћу једне од три методе, а најчешћи је Сиеменс-ов процес.

Сиеменс-ов процес укључује таложење испарења хлапљивог гаса познатог као трихлоросилан. У 1150°Ц (2102°Ф) трихлоросилан се издува преко силиконског семена високе чистоће, монтираног на крају штапа. Како прелази, силицијум чистоће из гаса се таложи на семе.

Реактор са течним слојем (ФБР) и побољшана технологија силицијума металуршке класе (УМГ) такође се користе за побољшање метала до полисиликона који је погодан за фотонапонску индустрију. У 2013. произведено је двеста тридесет хиљада метричких тона полисилицијума. Водећи произвођачи укључују ГЦЛ Поли, Вацкер-Цхемие и ОЦИ.

Коначно, да се силицијум електронике учини погодним за индустрију полуводича и извесне фотонапонске технологије полисилијум мора бити претворен у ултра-чисти монокристални силицијум Цзоцхралски процес. Да би се то постигло, полисиликон се топи у лонцу на 1425°Ц (2597°Ф) у инертној атмосфери. Сјеменски кристал монтиран на шипку се затим умочи у растопљени метал и полако се ротира и уклања, дајући вријеме да силикон расте на сјеменском материјалу.

Резултирајући производ је шипка (или пупак) од монокристалног метала силицијума која може бити чиста 99,999999999 (11Н) процената. Овај штап се може допирати бором или фосфором према потреби за подешавање квантних механичких својстава према потреби. Монокристална шипка се може испоручити клијентима као што је и нарезана на резанце и полирати или текстурати за специфичне кориснике.

Док се отприлике десет милиона метричких тона феросилицијума и метала силицијума дорађује сваке године, већина силикона који се комерцијално користи заправо у облику силиконских минерала који се користе у производњи свега, од цемента, малтера и керамике, до стакла и полимери.

Феросилицијум је, као што је напоменуто, најчешће коришћени облик металног силицијума. Од своје прве употребе пре око 150 година, феросилицијум је остао важно средство за оксидацију у производњи угљеника и нерђајући челик. Данас је топљење челика и даље највећи потрошач феросилицијума.

Међутим, Ферросилицон има бројне намене изван производње челика. То је предлегура у производњи магнезијум феросилицијум, нодулизатор који се користи за производњу дуктилног гвожђа, као и током Пидгеон процеса за рафинирање магнезијума високе чистоће. Феросилицијум се такође може користити за прављење топлоте и корозија отпорне легуре жељеза као и силицијум челик који се користи у производњи електромотора и језгара трансформатора.

Металуршки силицијум се може користити у производњи челика, као и легуре у ливењу алуминијума. Дијелови аутомобила од алуминијума и силицијума (Ал-Си) су лаганији и јачи од компоненти од лијеваног чистог алуминијума. Аутомобилски дијелови, попут блокова мотора и наплатака гума, су неки од најчешће израђених алуминијумских силиконских дијелова.

Скоро половина свих металуршких силицијума хемијска индустрија користи за прављење испарених силицијума (а средство за згушњавање и средство за сушење), силани (средство за спајање) и силикони (заптивне масе, лепкови и мазива). Полисилиицијум фотонапонског типа се првенствено користи у изради полисилијумских ћелија. За израду једног мегавата соларних модула потребно је око пет тона полисилијуна.

Тренутно полисилицијумска соларна технологија чини више од половине соларне енергије произведене на глобалном нивоу, док технологија моносилијуна доприноси приближно 35 процената. Свеукупно, 90 процената соларне енергије коју људи користе прикупља се технологијом заснованом на силицијуму.

Монокристални силицијум је такође критични полуводички материјал који се налази у савременој електроници. Као супстратни материјал који се користи у производњи транзистора са ефектом поља, ЛЕД и интегрисаних кола, силицијум могу се наћи у скоро свим рачунарима, мобилним телефонима, таблетима, телевизорима, радио и другим модерним комуникацијама уређаји. Процењује се да више од једне трећине свих електронских уређаја садржи технологију полуводича на бази силицијума.

Коначно, силицијум карбид тврдог легура користи се у разним електронским и неелектронским апликацијама, укључујући синтетичке накит, високотемпературни полуводичи, тврда керамика, резни алати, кочни дискови, абразиви, непробојни прслуци и грејање елементи.

Кратка историја легуре челика и производње феролегура.
УРЛ: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Холаппа, Лаури и Сеппо Лоухенкилпи.

О улози феролегура у производњи челика. 9-13. Јуна 2013. Тринаести међународни конгрес феролегура. УРЛ: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf