Silīcija metāla īpašības un pielietojums

Līdzsvars / Terence Bell

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

Elements ar atomu skaitu 14 dabiski sastopams silikātu minerālos, tostarp silīcijā, laukšpatā un vizlā, kas ir galvenās parasto iežu, piemēram, kvarca un smilšakmens, sastāvdaļas. Pusmetāls (vai metaloīds ), silīcijam piemīt dažas gan metālu, gan nemetālu īpašības.

Tāpat kā ūdens, bet atšķirībā no vairuma metālu, silīcijs šķidrā stāvoklī saraujas un, sacietējot, izplešas. Tam ir salīdzinoši augsta kušanas un viršanas temperatūra, un, kristalizējoties, veidojas dimanta kubiskā kristāla struktūra. Svarīga silīcija kā pusvadītāja loma un tā izmantošana elektronikā ir elementa atomu struktūra, kas ietver četrus valences elektronus, kas ļauj silīcijam viegli savienoties ar citiem elementiem.

Īpašības

• Atomu simbols: Jā
• Atomu skaits: 14
• Elementa kategorija: Metaloīds
• Blīvums: 2,329g/cm3
• Kušanas temperatūra: 2577°F (1414°C)
• Vārīšanās temperatūra: 5909 °F (3265 °C)
• Moha cietība: 7

Vēsture

Zviedru ķīmiķis Jons Jacob Berzerlius ir atzīts par pirmo silīcija izolāciju 1823. gadā. Berzerlius to paveica, karsējot metālisku kāliju (kas tika izolēts tikai pirms desmit gadiem) tīģelī kopā ar kālija fluorsilikātu. Rezultāts bija amorfs silīcijs.

Tomēr kristāliskā silīcija izgatavošana prasīja vairāk laika. Kristāliskā silīcija elektrolītisks paraugs netiktu izgatavots vēl trīs gadu desmitus. Pirmā komercializētā silīcija izmantošana bija ferosilīcija veidā.

Pēc Henrija Besemera tērauda ražošanas nozares modernizācija 19. gadsimta vidū bija liela interese par tērauda metalurģija un tērauda ražošanas metožu pētījumi. Līdz brīdim, kad 1880. gados tika uzsākta pirmā rūpnieciskā ferosilīcija ražošana, silīcija nozīme uzlabošanā plastiskums cūkā dzelzs un deoksidējošais tērauds bija diezgan labi saprotams.

Agrīna ferosilīcija ražošana tika veikta domnas krāsnīs, reducējot silīciju saturošas rūdas ar kokogli, kā rezultātā tika iegūts sudrabains čuguns, ferosilīcijs ar silīcija saturu līdz 20 procentiem.

Elektrisko loka krāšņu attīstība 20. gadsimta sākumā ļāva ne tikai palielināt tērauda, ​​bet arī vairāk ferosilīcija ražošanu. 1903. gadā grupa, kas specializējas dzelzs sakausējuma ražošanā (Compagnie Generate d'Electrochimie), sāka darbību Vācijā, Francijā un Austrijā, un 1907. gadā tika nodibināta pirmā komerciālā silīcija rūpnīca ASV.

Tērauda ražošana nebija vienīgais pielietojums silīcija savienojumiem, kas tika tirgoti pirms 19. gadsimta beigām. Lai ražotu mākslīgos dimantus 1890. gadā, Edvards Gudrihs Eisons karsēja alumīnija silikātu ar pulverveida koksu un nejauši saražoto silīcija karbīdu (SiC).

Trīs gadus vēlāk Eisons bija patentējis savu ražošanas metodi un nodibināja uzņēmumu Carborundum (karborunds tajā laikā bija silīcija karbīda vispārpieņemtais nosaukums), lai ražotu un pārdotu abrazīvus izstrādājumus.

Līdz 20. gadsimta sākumam tika realizētas arī silīcija karbīda vadītspējas īpašības, un savienojums tika izmantots kā detektors agrīnajos kuģu radioaparātos. Silīcija kristāla detektoru patents tika piešķirts uzņēmumam GW Pickard 1906. gadā.

1907. gadā tika izveidota pirmā gaismas diode (LED), pieliekot spriegumu silīcija karbīda kristālam. 1930. gados silīcija izmantošana pieauga, attīstoties jauniem ķīmiskiem produktiem, tostarp silāniem un silikoniem. Elektronikas izaugsme pagājušajā gadsimtā ir arī nesaraujami saistīta ar silīciju un tā unikālajām īpašībām.

Lai gan pirmo tranzistoru — mūsdienu mikroshēmu priekšteču — izveide 1940. gados balstījās uz germānija , nepagāja ilgs laiks, kad silīcijs aizstāja savu metāloīdu brālēnu kā izturīgāku substrāta pusvadītāju materiālu. Bell Labs un Texas Instruments sāka komerciāli ražot silīcija tranzistorus 1954. gadā.

Pirmās silīcija integrālās shēmas tika izgatavotas 1960. gados, un līdz 1970. gadiem tika izstrādāti silīciju saturoši procesori. Ņemot vērā, ka uz silīciju balstīta pusvadītāju tehnoloģija veido mūsdienu elektronikas un skaitļošanas mugurkaulu, nevajadzētu būt pārsteigumam, ka šīs nozares darbības centru dēvējam par 'Silīcija ieleju'.

(Lai detalizēti apskatītu Silīcija ielejas un mikroshēmu tehnoloģiju vēsturi un attīstību, es ļoti iesaku American Experience dokumentālo filmu ar nosaukumu Silīcija ieleja). Neilgi pēc pirmo tranzistoru atklāšanas Bell Labs darbs ar silīciju 1954. gadā noveda pie otra liela izrāviena: pirmā silīcija fotoelektriskā (saules) elementa.

Pirms tam lielākā daļa uzskatīja, ka nav iespējams izmantot saules enerģiju, lai radītu spēku uz zemes. Taču tikai četrus gadus vēlāk, 1958. gadā, ap Zemi riņķoja pirmais satelīts, ko darbina silīcija saules baterijas.

Līdz 1970. gadiem saules enerģijas tehnoloģiju komerciālie pielietojumi bija izauguši līdz sauszemes lietojumiem, piemēram, apgaismojuma nodrošināšana jūrā esošās naftas platformās un dzelzceļa pārbrauktuvēs. Pēdējo divu desmitgažu laikā saules enerģijas izmantošana ir eksponenciāli pieaudzis. Mūsdienās uz silīciju balstītas fotoelektriskās tehnoloģijas veido aptuveni 90 procentus no pasaules saules enerģijas tirgus.

Ražošana

Lielākā daļa katru gadu attīrītā silīcija - aptuveni 80 procenti - tiek ražoti kā ferosilīcijs, ko izmanto dzelzs un tērauda ražošana . Ferosilīcijs var saturēt no 15 līdz 90 procentiem silīcija atkarībā no kausēšanas iekārtas prasībām.

The sakausējums dzelzs un silīcija tiek ražots, izmantojot zemūdens loka krāsni, izmantojot reducēšanas kausēšanu. Ar silīcija dioksīdu bagāta rūda un oglekļa avots, piemēram, koksa ogles (metalurģiskās ogles), tiek sasmalcinātas un ievietotas krāsnī kopā ar metāllūžņiem.

Temperatūrā virs 1900 ° C (3450 ° F), ogleklis reaģē ar rūdā esošo skābekli, veidojot oglekļa monoksīda gāzi. Tikmēr atlikušais dzelzs un silīcijs tiek apvienoti, veidojot izkausētu ferosilīciju, ko var savākt, piesitot pie krāsns pamatnes. Pēc atdzesēšanas un sacietēšanas ferosilīciju var nosūtīt un izmantot tieši dzelzs un tērauda ražošanā.

To pašu metodi bez dzelzs iekļaušanas izmanto, lai ražotu metalurģiskās kvalitātes silīciju, kura tīrība ir lielāka par 99 procentiem. Metalurģisko silīciju izmanto arī tērauda kausēšanā, kā arī alumīnija sakausējumu un silāna ķīmisko vielu ražošanā.

Metalurģisko silīciju klasificē pēc dzelzs piemaisījumu līmeņa, alumīnija , un sakausējumā esošo kalciju. 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 aptuveni 8 miljoni tonnu ferosilīcija, un Ķīna veido aptuveni 70 procentus no šī daudzuma. Lielie ražotāji ir Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials un Elkem.

Katru gadu tiek saražoti papildu 2,6 miljoni tonnu metalurģiskā silīcija jeb aptuveni 20 procenti no kopējā rafinētā silīcija metāla. Ķīna atkal veido aptuveni 80 procentus no šīs produkcijas. Daudziem pārsteigums ir tas, ka saules un elektroniskās silīcija kategorijas veido tikai nelielu daudzumu (mazāk nekā divus procentus) no visas rafinētā silīcija produkcijas. Lai jauninātu uz saules enerģijas kvalitātes silīcija metālu (polisilīciju), tīrība jāpalielina līdz 99,9999% (6N) tīra silīcija. To veic, izmantojot vienu no trim metodēm, no kurām visizplatītākā ir Siemens process.

Siemens process ietver gaistošas ​​gāzes ķīmisku tvaiku nogulsnēšanos, kas pazīstama kā trihlorsilāns. 1150 ° C (2102 ° F) trihlorsilānu izpūš virs augstas tīrības silīcija sēklām, kas uzstādīta stieņa galā. Kad tas šķērso, augstas tīrības silīcijs no gāzes tiek nogulsnēts uz sēklām.

Šķidruma slāņa reaktors (FBR) un modernizēta metalurģiskās kvalitātes (UMG) silīcija tehnoloģija tiek izmantota arī, lai metālu uzlabotu par polisilīciju, kas piemērots fotoelementu rūpniecībai. 2013. gadā tika saražoti divi simti trīsdesmit tūkstoši metrisko tonnu polisilīcija. Starp vadošajiem ražotājiem ir GCL Poly, Wacker-Chemie un OCI.

Visbeidzot, lai padarītu elektronikas kvalitātes silīciju piemērotu pusvadītāju rūpniecībai un noteiktām fotoelementu tehnoloģijām, polisilīcijs ir jāpārveido par īpaši tīru monokristālu silīciju, izmantojot Czochralski procesu. Lai to izdarītu, polisilīciju izkausē tīģelī pie 1425 ° C (2597 ° F) inertā atmosfērā. Pēc tam stieņveida sēklu kristālu iemērc izkausētajā metālā un lēnām pagriež un noņem, dodot laiku silīcijam uzaugt uz sēklas materiāla.

Iegūtais produkts ir monokristāla silīcija metāla stienis (vai stienis), kura tīrība var sasniegt 99,999999999 (11 N) procentus. Šo stieni var pēc vajadzības leģēt ar boru vai fosforu, lai pēc vajadzības pielāgotu kvantu mehāniskās īpašības. Monokristālu stieni var nosūtīt klientiem tādu, kāds tas ir, vai sagriezt vafelēs un pulēt vai teksturēt konkrētiem lietotājiem.

Lietojumprogrammas

Lai gan katru gadu tiek attīrīti aptuveni desmit miljoni metrisko tonnu ferosilīcija un silīcija metāla, lielākā daļa komerciāli izmantotā silīcija faktiski ir silīcija minerālu veidā, ko izmanto visa veida ražošanā, sākot no cementa, javas un keramikas līdz stiklam un polimēri.

Kā minēts, ferosilīcijs ir visbiežāk izmantotais metāliskā silīcija veids. Kopš tā pirmās izmantošanas apmēram pirms 150 gadiem, ferosilīcijs joprojām ir svarīgs deoksidētājs oglekļa un nerūsējošais tērauds . Mūsdienās tērauda kausēšana joprojām ir lielākais ferosilīcija patērētājs.

Tomēr ferosilīciju var izmantot ne tikai tērauda ražošanā. Tas ir iepriekšējs sakausējums ražošanā magnijs ferosilīcija, mezglu veidotājs, ko izmanto kaļamā čuguna ražošanai, kā arī Pidgeon procesa laikā augstas tīrības magnija rafinēšanai. Ferosilīciju var izmantot arī siltuma unkorozijaizturīgi dzelzs silīcija sakausējumi, kā arī silīcija tērauds, ko izmanto elektromotoru un transformatoru serdeņu ražošanā.

Metalurģisko silīciju var izmantot tērauda ražošanā, kā arī leģējošo līdzekli alumīnija liešanā. Alumīnija-silīcija (Al-Si) automašīnu daļas ir vieglas un stiprākas nekā detaļas, kas izlietas no tīra alumīnija. Automobiļu daļas, piemēram, dzinēja bloki un riepu diski, ir dažas no visbiežāk lietotajām alumīnija silīcija daļām.

Gandrīz pusi no visa metalurģiskā silīcija izmanto ķīmiskajā rūpniecībā, lai izgatavotu kūpinātu silīcija dioksīdu (biezinošu līdzekli un desikantu), silānus (savienotāju) un silikonu (hermētiķus, līmvielas un smērvielas). Fotoelektriskās kvalitātes polisilīciju galvenokārt izmanto polisilīcija saules bateriju ražošanā. Viena megavata saules moduļu izgatavošanai nepieciešamas apmēram piecas tonnas polisilīcija.

Pašlaik polisilīcija saules tehnoloģija veido vairāk nekā pusi no pasaulē saražotās saules enerģijas, savukārt monosilīcija tehnoloģija veido aptuveni 35 procentus. Kopumā 90 procentus no cilvēku izmantotās saules enerģijas savāc ar silīcija bāzes tehnoloģijām.

Monokristāls silīcijs ir arī būtisks pusvadītāju materiāls, kas atrodams mūsdienu elektronikā. Kā substrāta materiāls, ko izmanto lauka efekta tranzistoru (FET), gaismas diožu un integrālo shēmu ražošanā, silīciju var atrast praktiski visos datoros, mobilajos tālruņos, planšetdatoros, televizoros, radio un citās modernās sakaru ierīcēs. Tiek lēsts, ka vairāk nekā viena trešdaļa visu elektronisko ierīču satur pusvadītāju tehnoloģiju, kuras pamatā ir silīcijs.

Visbeidzot, cietā sakausējuma silīcija karbīds tiek izmantots dažādos elektroniskos un neelektroniskos lietojumos, tostarp sintētiskajos juvelierizstrādājumos, augstas temperatūras pusvadītājos, cietajā keramikā, griezējinstrumentos, bremžu diskos, abrazīvos materiālos, ložu necaurlaidīgās vestēs un sildelementos.

Avoti:

Īsa tērauda sakausējuma un dzelzs sakausējumu ražošanas vēsture.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holapa, Lauri un Sepo 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