Silīcija metāla īpašības un pielietojums

Silīcija metāls ir pelēks un spožs pusvadītspējīgs metāls, ko izmanto tērauda, ​​saules bateriju un mikroshēmu ražošanai. Silīcijs ir otrs visbagātākais elements zemes garozā (aiz tikai skābekļa) un astotais visizplatītākais elements Visumā. Gandrīz 30 procentus no zemes garozas svara var attiecināt uz silīciju.

Elements ar atomu numuru 14 dabiski sastopams silikātu minerālos, ieskaitot silīcija dioksīdu, laukšpatu un vizlu, kas ir galveno parasto iežu, piemēram, kvarca un smilšakmens, sastāvdaļas. Pusmetāls (vai metalloīds), silīcijam piemīt dažas gan metālu, gan nemetālu īpašības.

Līdzīgi kā ūdens, bet atšķirībā no vairuma metālu, silīcijs sašķīst šķidrā stāvoklī un izplešas, jo sacietē. Tam ir salīdzinoši augsta kušanas un viršanas temperatūra, un, kad tas ir kristalizēts, tas veido dimanta kubiskā kristāla struktūru. Kritiska silīcija kā pusvadītāja lomai un tā izmantošana elektronikā ir elementa atoms struktūra, kurā ietilpst četri valences elektroni, kas ļauj silīcijam savienoties ar citiem elementiem viegli.

• Atomu simbols: Si
• Atomu skaitlis: 14
• Elementa kategorija: metalloīds
• Blīvums: 2.329g / cm3
• Kušanas temperatūra: 1414 ° C (2577 ° F)
• Vārīšanās punkts: 3265 ° C (5909 ° F)
• Moha cietība: 7

Zviedrijas ķīmiķis Jons Jēkabs Berzerliuss tiek kreditēts par pirmo silīcija izolēšanu 1823. gadā. Berzerlius to paveica, sildot tīģelī metālisko kāliju (kas bija izolēts tikai pirms desmit gadiem) kopā ar kālija fluorosilikātu. Rezultāts bija amorfs silīcijs.

Kristāliska silīcija iegūšanai tomēr bija nepieciešams vairāk laika. Kristāliskā silīcija elektrolītiskais paraugs netiks veikts vēl trīs desmitgades. Pirmais silīcija komercializētais lietojums bija silīcija formā.

Pēc Henrija Bessemera vārdiem tērauda ražošanas nozares modernizācija vidū bija liela interese par tērauda metalurģija un tērauda ražošanas metožu izpēte. Laikā, kad 1880. gados notika pirmā ferosilīcija rūpnieciskā ražošana, silīcija nozīme uzlabošanā lokanība cūkā dzelzs un deoksidējošais tērauds bija diezgan labi saprotams.

Agrīna ferosilīcija ražošana tika veikta domnās, reducējot silīciju saturošas rūdas ar kokogli, kā rezultātā tika iegūta sudrabaini čuguna dzelzs silīcija ar līdz 20 procentiem silīcija saturu.

Elektrisko loka krāšņu attīstība 20. gadsimta sākumā ļāva ne tikai palielināt tērauda ražošanu, bet arī palielināt ferosilīcija ražošanu. 1903. gadā sāka darboties grupa, kas specializējās dzelzs sakausējuma ražošanā (Compagnie Generate d'Electrochimie) operācijas Vācijā, Francijā un Austrijā, un 1907. gadā ASV bija pirmā komerciālā silīcija rūpnīca dibināta.

Tērauda ražošana nebija vienīgais silīcija savienojumu lietojums, kas tika tirgots pirms 19. gadsimta beigām. Lai ražotu mākslīgos dimantus 1890. gadā, Edvards Goodrihs Achesons uzsildīja alumīnija silikātu ar koksa pulveri un nejauši ražotu silīcija karbīdu (SiC).

Trīs gadus vēlāk Acheson bija patentējis savu ražošanas metodi un nodibināja Carborundum Company (carborundum kas tolaik bija vispārpieņemtais nosaukums silīcija karbīdam) abrazīvu izgatavošanai un pārdošanai produkti.

Līdz 20. gadsimta sākumam tika realizētas arī silīcija karbīda vadošās īpašības, un savienojums tika izmantots kā detektors kuģu agrīnajos radioaparātos. GW Pickard 1906. gadā tika piešķirts patents silīcija kristālu detektoriem.

1907. gadā tika izveidota pirmā gaismas diode (LED), pieliekot spriegumu silīcija karbīda kristālam. Pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados silīcija izmantošana pieauga, izstrādājot jaunus ķīmiskos produktus, ieskaitot silānus un silikonus. Elektronikas izaugsme pēdējā gadsimta laikā arī ir nesaraujami saistīta ar silīciju un tā unikālajām īpašībām.

Pirmo tranzistoru - mūsdienu mikročipu priekšgājēju - izveide 1940. gados paļāvās germānija, neilgi pēc tam silīcijs aizstāja savu metalloīdu brālēnu kā izturīgāku substrāta pusvadītāju materiālu. Bell Labs un Texas Instruments sāka silīcija bāzes tranzistoru komerciālu ražošanu 1954. gadā.

Pirmās silīcija integrētās shēmas tika izgatavotas pagājušā gadsimta 60. gados, un līdz 70. gadiem tika izstrādāti silīciju saturoši procesori. Ņemot vērā to, ka uz silīcija bāzes veidota pusvadītāju tehnoloģija veido mūsdienu elektronikas un skaitļošanas jomā, nevajadzētu būt pārsteigumam, ka šīs nozares darbības centru mēs dēvējam par “silīciju” Ieleja. ”

(Lai detalizēti apskatītu Silīcija ielejas vēsturi un attīstību, kā arī mikroshēmu tehnoloģiju, ļoti iesaku amerikāņu pieredzes dokumentālo filmu Silīcija ieleja. Neilgi pēc pirmo tranzistoru atklāšanas Bell Labs darbs ar silīciju noveda pie otra nozīmīga atklājuma 1954. gadā: Pirmā silīcija fotoelektriskā (saules) šūna.

Pirms tam lielākā daļa cilvēku uzskatīja par neiespējamu izmantot enerģiju no saules, lai radītu spēku uz zemes. Bet tikai četrus gadus vēlāk, 1958. gadā, apkārt zemes riņķo pirmais satelīts, ko darbina silīcija saules baterijas.

Līdz pagājušā gadsimta 70. gadiem saules tehnoloģiju komerciālie pielietojumi bija kļuvuši par virszemes lietojumiem, piemēram, apgaismojuma energoapgāde naftas ieguves platformu atklātā jūrā un dzelzceļa krustojumos. Pēdējās divās desmitgadēs saules enerģijas izmantošana ir pieaugusi eksponenciāli. Mūsdienās uz silīcija bāzes izgatavotās fotoelektriskās tehnoloģijas veido aptuveni 90 procentus no pasaules saules enerģijas tirgus.

Katru gadu lielāko daļu rafinētā silīcija - apmēram 80 procentus - ražo kā dzelzs silīciju, ko izmanto dzelzs un tērauda ražošana. Ferosilīcijs var saturēt no 15 līdz 90 procentiem silīcija atkarībā no kausēšanas iekārtas vajadzībām.

sakausējums Dzelzs un silīcija daudzums tiek iegūts, izmantojot iegremdētu elektrisko loka krāsni ar samazinātas kausēšanas palīdzību. Ar silīcija dioksīdu bagāta rūda un oglekļa avots, piemēram, koksa ogles (metalurģiskās ogles), tiek sasmalcinātas un iekrautas krāsnī kopā ar dzelzs lūžņiem.

Temperatūrā virs 1900°C (3450°F) ogleklis reaģē ar rūdā esošo skābekli, veidojot oglekļa monoksīda gāzi. Tikmēr atlikušo dzelzi un silīciju pēc tam apvieno, lai iegūtu izkausētu ferosilīciju, ko var savākt, piesitot krāsns pamatnei. Pēc atdzesēšanas un sacietēšanas ferosilīciju var nosūtīt un izmantot tieši dzelzs un tērauda ražošanā.

Tādu pašu metodi, neiekļaujot dzelzi, izmanto, lai iegūtu metalurģiski tīru silīciju, kura tīrība ir lielāka par 99 procentiem. Metalurģisko silīciju izmanto arī tērauda kausēšanā, kā arī alumīnija lietņu sakausējumu un silāna ķimikāliju ražošanā.

Metalurģisko silīciju klasificē pēc dzelzs piemaisījumu līmeņiem, alumīnijsun kalcijs, kas atrodas sakausējumā. Piemēram, 553 silīcija metāls satur mazāk nekā 0,5 procentus no katra dzelzs un alumīnija un mazāk nekā 0,3 procentus kalcija.

Katru gadu visā pasaulē tiek saražoti apmēram 8 miljoni metrisko tonnu ferosilīcija, apmēram 70 procentus no šī apjoma veido Ķīna. Pie lieliem ražotājiem pieder Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials un Elkem.

Katru gadu tiek saražoti papildu 2,6 miljoni metrisko tonnu metalurģiskā silīcija - jeb aptuveni 20 procenti no kopējā rafinētā silīcija metāla. Aptuveni 80 procentus no šīs produkcijas veido Ķīna. Daudziem pārsteigums ir tas, ka silīcija saules un elektroniskie šķiras veido tikai nelielu daudzumu (mazāk nekā divus procentus) no visa rafinētā silīcija ražošanas. Lai jauninātu uz saules enerģijas silīcija metālu (polisilīcijs), tīrībai jāpalielinās līdz 99,9999% (6N) tīram silīcijam. To veic, izmantojot vienu no trim metodēm, no kurām visizplatītākais ir Siemens process.

Siemens process ir saistīts ar gaistošās gāzes, kas pazīstama kā trihlorsilāns, ķīmisku nogulsnēšanos ar tvaiku. Ap 1150°C (2102°F) trichlorosilane tiek izpūsts virs augstas tīrības pakāpes silīcija sēklām, kas uzstādītas stieņa galā. Kad tas pāriet, sēklām nogulst augstas tīrības silīcijs no gāzes.

Lai paaugstinātu metālu līdz polisilīcijam, kas piemērots fotoelektriskajai rūpniecībai, tiek izmantots arī šķidrā slāņa reaktors (FBR) un modernizēta metalurģijas līmeņa (UMG) silīcija tehnoloģija. 2013. gadā tika saražoti divsimt trīsdesmit tūkstoši metrisko tonnu polisilīcija. Pie vadošajiem ražotājiem pieder GCL Poly, Wacker-Chemie un OCI.

Visbeidzot, lai padarītu elektronikas klases silīciju piemērotu pusvadītāju rūpniecībai un noteiktu fotoelektriskās tehnoloģijas, polisilīcijs ir jāpārveido ultra tīrā monokristāla silīcijā, izmantojot Czochralski process. Lai to izdarītu, polisilīcijs tiek izkausēts tīģelī 1425. gadā°C (2597°F) inertā atmosfērā. Pēc tam pie stieņa piestiprināts sēklas kristāls tiek iemērkts izkausētajā metālā un lēnām pagriezts un noņemts, dodot laiku silīcijam augt uz sēklu materiāla.

Iegūtais produkts ir viena kristāla silīcija metāla stienis (vai bulle), kura tīrā masa var sasniegt 99,999999999 (11N) procentus. Šis stienis var tikt leģēts ar boru vai fosforu pēc vajadzības, lai pēc vajadzības pielāgotu kvantu mehāniskās īpašības. Monokristāla stieni var nosūtīt klientiem tādu, kāds tas ir, vai arī sagriezt vafelēs un pulēt vai teksturēt konkrētiem lietotājiem.

Kaut arī katru gadu tiek attīrīti aptuveni desmit miljoni metrisko tonnu ferosilīcija un silīcija metāla, komerciāli izmantotā silīcija lielākā daļa ir faktiski silīcija minerālu veidā, ko izmanto visu ražošanā, sākot no cementa, javas un keramikas, beidzot ar stiklu un polimēri.

Ferosilīcijs, kā norādīts, ir visbiežāk izmantotais metāliskā silīcija veids. Kopš pirmās izmantošanas pirms apmēram 150 gadiem ferosilīcijs ir palicis par svarīgu deoksidējošu līdzekli oglekļa un nerūsējošais tērauds. Mūsdienās tērauda kausēšana joprojām ir lielākais ferosilīcija patērētājs.

Ferrosilīcijam ir daudz dažādu lietojumu, izņemot tērauda ražošanu. Tas ir iepriekš sakausējums magnijs ferosilīcijs, nodulizators, ko izmanto kaļamās čuguna ražošanai, kā arī Pidžona procesa laikā augstas tīrības pakāpes magnija rafinēšanai. Ferosilīciju var izmantot arī siltuma un korozija izturīgi melnie silīcija sakausējumi, kā arī silīcija tērauds, ko izmanto elektromotoru un transformatoru serdeņu ražošanā.

Metalurģisko silīciju var izmantot tērauda ražošanā, kā arī leģējošo aģentu alumīnija liešanā. Alumīnija-silīcija (Al-Si) automobiļu detaļas ir vieglas un stiprākas nekā detaļas, kas izgatavotas no tīra alumīnija. Automobiļu detaļas, piemēram, motora bloki un riepu diski, ir dažas no visbiežāk lietotajām alumīnija silīcija detaļām.

Gandrīz pusi no visa metalurģiskā silīcija ķīmiskajā rūpniecībā izmanto saražotā silīcija dioksīda ražošanai (a sabiezinātājs un desikants), silāni (savienojošais līdzeklis) un silikons (hermētiķi, līmvielas un smērvielas). Fotoelementu polisilīcijs galvenokārt tiek izmantots polisilīcija saules bateriju izgatavošanā. Lai izgatavotu vienu megavatu saules moduļu, ir vajadzīgas apmēram piecas tonnas polisilīcija.

Pašlaik polisilīcija saules tehnoloģija veido vairāk nekā pusi no visā pasaulē saražotās saules enerģijas, savukārt monosilīcija tehnoloģija dod aptuveni 35 procentus. Kopumā 90 procentus no saules enerģijas, ko cilvēki izmanto, savāc ar silīcija bāzes tehnoloģiju.

Monokristāls silīcijs ir arī kritisks pusvadītāju materiāls, kas atrodams mūsdienu elektronikā. Kā pamatnes materiāls, ko izmanto lauka efektu tranzistoru (FET), gaismas diožu un integrētu shēmu ražošanā, silīcijs var atrast praktiski visos datoros, mobilajos tālruņos, planšetdatoros, televizoros, radioaparātos un citos mūsdienu sakaros ierīces. Tiek lēsts, ka vairāk nekā trešdaļa visu elektronisko ierīču satur pusvadītāju tehnoloģiju, kuras pamatā ir silīcijs.

Visbeidzot, cietā sakausējuma silīcija karbīds tiek izmantots dažādos elektroniskos un neelektroniskos lietojumos, ieskaitot sintētiskos rotaslietas, augstas temperatūras pusvadītāji, cietā keramika, griezējinstrumenti, bremžu diski, abrazīvie materiāli, ložu necaurlaidīgas vestes un apkure elementi.

Īsa tērauda leģēšanas un dzelzs sakausējumu ražošanas vēsture.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri un Seppo Louhenkilpi.

Par dzelzs sakausējumu lomu tērauda ražošanā. 2013. gada 9.-13. Jūnijs. Trīspadsmitais Starptautiskais dzelzs sakausējumu kongress. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf