A szilíciumfém tulajdonságai és felhasználása

A szilíciumfém szürke és fényes félvezető fém, amelyet acél, napelemek és mikrochip gyártására használnak. A szilícium a földkéreg második legalacsonyabb eleme (csak az oxigén mögött) és a világegyetem nyolcadik leggyakoribb elem. A földkéreg tömegének közel 30% -a szilíciumnak tulajdonítható.

A 14-es atomszámú elem természetesen szilikát ásványokban fordul elő, beleértve a szilícium-dioxidot, földpátot és csillámot, amelyek a szokásos kőzetek, például kvarc és homokkő fő alkotóelemei. Félfém (vagy félfém-), a szilícium rendelkezik mind a fémek, mind a nemfémek tulajdonságaival.

Mint a víz - de a legtöbb fémetől eltérően - a szilícium folyékony állapotban összehúzódik, és megszilárdul, és kibővül. Viszonylag magas olvadási és forrásponttal rendelkezik, és amikor kristályosodik, gyémánt köbméter kristályszerkezetet képez. A szilícium félvezető szerepe szempontjából kritikus jelentőségű, és annak elektronikában való felhasználása az elem atomi szerkezet, amely négy vegyérték-elektronot tartalmaz, amelyek lehetővé teszik a szilícium kötődését más elemekkel könnyen.

• Atom szimbólum: Si
• Atomszám: 14
• Elemkategória: Metalloid
• Sűrűség: 2.329 g / cm3
• Olvadáspont: 1414 ° C (2577 ° F).
• Forráspont: 3265 ° C (5909 ° F)
• Moh keménysége: 7

Jons Jacob Berzerlius, a svéd vegyész 1823-ban kapta meg az első szilíciumszigetelést. Berzerlius ezt úgy végezte, hogy metál káliumot (amelyet csak egy évtizeddel korábban izoláltak) egy tégelyben kálium-fluor-szilikáttal együtt melegítve. Az eredmény amorf szilícium.

A kristályos szilícium előállítása azonban több időt igényelt. A kristályos szilícium elektrolitikus mintáját nem készítik további három évtized alatt. A szilícium első felhasználása ferroszilícium formájában történt.

Henry Bessemer után az acélipar korszerűsítése a 19. század közepén nagy volt az érdeklődés a acél- kohászat és acélgyártási technikák kutatása. Az 1880-as években a ferroszilícium első ipari gyártásának idején a szilícium fontossága a javulásban hajlékonyság sertésben Vas és a deoxidáló acél meglehetősen jól ismert volt.

A ferroszilícium korai előállítását nagyolvasztókban hajtották végre a szilíciumtartalmú ércek faszénnel történő redukciójával, aminek eredményeként ezüstös nyersvasat, legfeljebb 20% szilíciumtartalmú ferroszilíciumot eredményeztek.

Az elektromos ívkemencék fejlesztése a 20. század elején nemcsak a nagyobb acéltermelést, hanem a ferroszilícium előállítását is lehetővé tette. 1903-ban elindult a vasötvözetek gyártására szakosodott csoport (Compagnie Generate d'Electrochimie). Németországban, Franciaországban és Ausztriában működött, és 1907 - ben az első kereskedelmi szilíciumüzem volt az Egyesült Államokban alapított.

Az acélgyártás nem volt az egyetlen alkalmazás a 19. század vége előtt forgalomba hozott szilíciumvegyületekhez. Mesterséges gyémántok előállításához 1890-ben Edward Goodrich Acheson hevített alumínium-szilikátot porított kokszolással és véletlenszerűen előállított szilícium-karbiddal (SiC) készített.

Három évvel később Acheson szabadalmazta gyártási módszerét és megalapította a Carborundum Company-t (carborundum mivel ez volt a szilikonkarbid általános elnevezése) csiszolóanyag előállítása és értékesítése céljából Termékek.

A 20. század elejére a szilícium-karbid vezetőképességét is megvalósították, és a vegyületet detektorként használták a korai hajózási rádiókban. A szilícium kristálydetektorok szabadalmát 1906-ban adták ki GW Pickardnak.

1907-ben az első fénykibocsátó diódát (LED) úgy hozták létre, hogy feszültséget vezetnek egy szilícium-karbid-kristályra. Az 1930-as években a szilícium felhasználása új vegyi termékek fejlesztésével nőtt, beleértve a szilánokat és a szilikonokat. Az elektronika növekedése az elmúlt században elválaszthatatlanul kapcsolódott a szilíciumhoz és annak egyedi tulajdonságaihoz.

Míg az 1940-es években az első tranzisztorok - a modern mikrochip elődeinek - létrehozására támaszkodtak germánium, nem sokkal azelőtt, hogy a szilícium tartósabb szubsztrát félvezető anyagként helyettesítette metalloid unokatestvérét. A Bell Labs és a Texas Instruments 1954-ben megkezdte a szilikon alapú tranzisztorok kereskedelmét.

Az első szilikon integrált áramköreket az 1960-as években készítették, és az 1970-es évekre kidolgozták a szilíciumtartalmú processzorokat. Tekintettel arra, hogy a szilícium-alapú félvezető technológia képezi a modern elektronika és a gerincét számítástechnika területén nem szabad meglepni, hogy az ipar tevékenységének központját „Szilikonnak” nevezzük Völgy.'

(A Szilícium-völgy és a mikrochip-technológia történetének és fejlõdésének részletes áttekintése érdekében erõsen ajánlom a Szilícium-völgy címû American Experience dokumentumfilmet. Nem sokkal az első tranzisztorok feltárása után a Bell Labs szilíciummal végzett munkája egy második nagy áttörést eredményezett 1954-ben: Az első szilícium fotovoltaikus (napelem) elem.

Ezt megelőzően a legtöbb ember lehetetlennek tartotta azt a gondolatot, hogy a napból energiát hasznosítson a földön hatalom létrehozására. De csak négy évvel később, 1958-ban, az első műhold, amelyet szilikon napelemek tápláltak, kering a földön.

Az 1970-es évekre a napenergia-technológiák kereskedelmi alkalmazásai földfelszíni alkalmazásokká váltak, például a világítás táplálására a tengeri olajfúrótornyokon és a vasúti kereszteződéseken. Az elmúlt két évtizedben a napenergia felhasználása exponenciálisan nőtt. Manapság a szilícium-fotovoltaikus technológiák teszik ki a világ napenergia-piacának körülbelül 90 százalékát.

Évente finomított szilícium nagy részét - mintegy 80 százalékát - vas- és szilícium-dioxidként ferroszilikon formájában állítják elő acélgyártás. A ferroszilícium az olvasztó berendezés igényeitől függően bárhol 15-90% szilíciumot tartalmazhat.

Az ötvözet vasat és szilíciumot merülő elektromos ívkemencében állítanak elő redukciós olvasztással. A szilícium-dioxidban gazdag ércet és egy olyan szénforrást, mint a kokszszén (fémkohászati ​​szén) összetörnek és a hulladékkal együtt a kemencébe töltik.

1900 feletti hőmérsékleten°C (3450%)°F), a szén reagál az ércben lévő oxigénnel, szén-monoxid-gázt képezve. A fennmaradó vasat és a szilíciumot eközben egyesítik olvadt ferroszilícium előállításához, amely összegyűjthető a kemence alapjának megcsavarásával. Hűtés és megszilárdulás után a ferroszilícium szállítható és közvetlenül felhasználható a vas- és acélgyártásban.

Ugyanezt a módszert, a vas bevonása nélkül, használják olyan fémkohászati ​​szilícium előállítására is, amely tisztasága meghaladja a 99% -ot. A kohászati ​​szilíciumot acél olvasztásában, valamint alumíniumöntvény-ötvözetek és szilán-vegyszerek gyártásában is használják.

A kohászati ​​szilíciumot a vas szennyezettségi szintje szerint osztályozzák, alumíniumés az ötvözetben található kalcium. Például az 553 szilícium-fém kevesebb mint 0,5% vasat és alumíniumot tartalmaz, és kevesebb mint 0,3% kalciumot.

Évente mintegy 8 millió metró tonna ferroszilíciumot termelnek, ennek Kína adja a teljes mennyiség 70% -át. A nagy termelők között szerepel az Erdos Metallurgy Group, a Ningxia Rongsheng Ferroalloy, a Group OM Materials és az Elkem.

Évente további 2,6 millió metrikus tonna kohászati ​​szilíciumot - vagyis az összes finomított szilíciumfém kb. 20% -át - állítják elő. Kína ismét ennek a kibocsátásnak mintegy 80% -át adja. Sokak számára meglepő, hogy a napelemes és az elektronikus szilícium minősége az összes finomított szilíciumtermelésnek csak kis részét (kevesebb mint két százalékát) teszi ki. A naperősségű szilíciumfémre (poliszilikon) való frissítéshez a tisztaságnak felfelé kell emelkednie, 99,9999% (6N) tiszta szilíciumra. Ezt három módszer egyikével hajtják végre, a leggyakoribb a Siemens folyamat.

A Siemens-folyamat magában foglalja az illékony gáz kémiai gőzlerakódását, amelyet triklór-szilánnak hívnak. 1150-kor°C (2102°F) a triklór-szilánt egy rúd végére szerelt, nagy tisztaságú szilícium-mag fölé fújják. Amint áthalad, a gáztól a nagy tisztaságú szilícium lerakódik a magra.

A folyadékágyas reaktor (FBR) és a továbbfejlesztett fémkohászati ​​(UMG) szilícium-technológiát szintén használják a fém poliszilikonra való átalakítására a fotovoltaikus ipar számára. Kétszázharmincezer metrikus tonna poliszilícium-dioxidot állítottak elő 2013-ban. A vezető gyártók közé tartozik a GCL Poly, a Wacker-Chemie és az OCI.

Végül, elektronikai minőségű szilícium alkalmassá tételére a félvezetőipar számára és bizonyos termékek számára fotovoltaikus technológiák esetén a poliszilíciumot ultrahangos monokristályos szilíciumdá kell alakítani a Czochralski-folyamat. Ehhez a poliszilíciumot egy tégelyben megolvasztják 1425 ° C-on°C (2597)°F) semleges atmoszférában. A rudakkal felszerelt vetőmagkristályokat ezután bemerítik az olvadt fémbe, majd lassan elforgatják és eltávolítják, adva időt a szilícium növekedéséhez a vetőmagon.

A kapott termék egykristályos szilícium-fém rúd (vagy bot), amely akár 99,999999999 (11N)% tisztaságú is lehet. Ezt a rúdot bórral vagy foszforral lehet adalékolni, ha szükséges a kvantummechanikai tulajdonságok kiigazításához. A monokristály rúdot a jelenlegi formában eljuttathatja az ügyfelekhez, vagy ostyákra szeletelve és polírozva vagy textúrázva az egyes felhasználók számára.

Noha évente körülbelül tízmillió tonnás ferroszilíciumot és szilícium-fém finomításra kerülnek, a kereskedelemben felhasznált szilícium nagy része valójában szilícium ásványok formájában, amelyeket felhasználnak a cement, habarcs és kerámia, az üveg és polimerek.

A ferroszilícium, amint azt megjegyeztük, a fém szilícium leggyakrabban használt formája. Az első használat körülbelül 150 évvel ezelőtt a ferroszilícium fontos deoxidálószer maradt a szén és rozsdamentes acél. Manapság az acélolvasztás továbbra is a ferroszilícium legnagyobb fogyasztója.

A Ferrosiliconnak az acélgyártáson túl számos felhasználási területe is van. Előfémötvözet a magnézium ferroszilícium, az elasztikus vas előállításához használt nodulizer, valamint a magas tisztaságú magnézium finomítására szolgáló Pidgeon-eljárás során. A ferroszilícium hőkezeléshez és rozsdásodás ellenálló vas-szilícium ötvözetek, valamint szilícium-acél, amelyet az elektromotorok és a transzformátormagok gyártásához használnak.

A kohászati ​​szilícium felhasználható acélgyártásban, valamint ötvözőszerként az alumínium öntésnél. Az alumínium-szilícium (Al-Si) autóalkatrészek könnyűek és erősebbek, mint a tiszta alumíniumból öntött alkatrészek. Az autóipari alkatrészek, például a motorblokkok és a gumiabroncsok a leggyakrabban öntött alumínium szilícium alkatrészek.

Az összes kohászati ​​szilícium csaknem felét a vegyipar használja füstölt szilícium-dioxid előállítására (a sűrítő és szárítószer), szilánok (kapcsolószer) és szilikon (tömítőanyagok, ragasztók és kenőanyagok). A fotovoltaikus poliszilíciumot elsősorban a poliszilícium napelemek gyártásához használják. Körülbelül öt tonna poliszilícium-dioxid szükséges egy megawatt napelemes modul előállításához.

Jelenleg a poliszilícium-napenergia-technológia adja a világon termelt napenergia több mint felét, míg az egyszilícium-technológia hozzávetőlegesen 35 százalékot tesz ki. Az emberek által felhasznált napenergia összesen 90% -át szilikon alapú technológiával gyűjtik.

A monokristályos szilícium szintén kritikus félvezető anyag, amelyet a modern elektronika tartalmaz. Szubsztrát anyagként mezőtranzisztorok (FET), LED-ek és integrált áramkörök, szilícium előállításához szinte minden számítógépben, mobiltelefonban, táblagépen, televízióban, rádióban és más modern kommunikációban megtalálható eszközöket. A becslések szerint az összes elektronikus eszköz több mint egyharmada tartalmaz szilícium-alapú félvezető technológiát.

Végül, a keményötvözetű szilícium-karbidot számos elektronikus és nem elektronikus alkalmazásban használják, beleértve a szintetikus alkalmazásokat is ékszerek, magas hőmérsékletű félvezetők, kemény kerámiák, vágószerszámok, féktárcsák, csiszolóanyagok, golyóálló mellények és fűtés elemekkel.

Az acélötvözet és az ötvözetek gyártásának rövid története.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri és Seppo Louhenkilpi.

A vasötvözetek szerepe az acélgyártásban. 2013. június 9–13. A tizenharmadik nemzetközi ötvözetek kongresszusa. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf