Свойствата и употребата на силициевия метал

Силициевият метал е сив и лъскав полупроводим метал, който се използва за производство на стомана, слънчеви клетки и микрочипове. Силицийът е вторият най-разпространен елемент в земната кора (зад само кислорода) и осмият най-разпространен елемент във Вселената. Близо 30 процента от теглото на земната кора може да се отдаде на силиция.

Елементът с атомно число 14 естествено се среща в силикатни минерали, включително силициев диоксид, фелдшпат и слюда, които са основни компоненти на обикновените скали като кварц и пясъчник. Полуметал (или неметал), силицийът притежава някои свойства както на металите, така и на неметалите.

Подобно на водата, но за разлика от повечето метали, силицият свива в течно състояние и се разширява, докато се втвърдява. Той има сравнително високи температури на топене и кипене и когато кристализира образува диамантена кубична кристална структура. От решаващо значение за ролята на силиция като полупроводник и използването му в електрониката е атомният елемент структура, която включва четири валентни електрона, които позволяват на силиция да се свързва с други елементи лесно.

• Атомен символ: Si
• Атомно число: 14
• Елемент Категория: Металоид
• Плътност: 2.329g / cm3
• Точка на топене: 1414 ° C
• Точка на кипене: 3265 ° C 5909 ° F
• Твърдост на Мох: 7

Шведският химик Джонс Яков Берзерлиус е приписан за първи изолиращ силиций през 1823 година. Берзерлиус постигна това чрез нагряване на метален калий (който беше изолиран едва десетилетие по-рано) в тигел заедно с калиев флуоросиликат. Резултатът беше аморфен силиций.

Изработката на кристален силиций обаче изискваше повече време. Електролитична проба от кристален силиций няма да бъде направена още три десетилетия. Първата комерсиализирана употреба на силиций беше под формата на феросилиций.

Следвайки този на Хенри Бесемер модернизация на стоманодобивната промишленост в средата на 19 в. има голям интерес към стомана металургия и изследвания в стоманодобивните техники. По времето на първото индустриално производство на феросилиций през 1880 г. значението на силиция за подобряването му еластичност в прасе желязо и разкисляването на стоманата беше доста добре разбрано.

Ранното производство на феросилиций се извършва в доменни пещи чрез намаляване на силицийсъдържащи руди с въглен, което води до сребристо чугунено желязо - феросилиций с до 20 процента съдържание на силиций.

Развитието на електрически дъгови пещи в началото на 20 век позволи не само по-голямо производство на стомана, но и по-голямо производство на феросилиций. През 1903 г. започва група, специализирана в производството на феросплав (Compagnie Generate d'Electrochimie) операции в Германия, Франция и Австрия и през 1907 г. е първият търговски завод за силиций в САЩ основан.

Производството на стомана не беше единственото приложение за силициеви съединения, комерсиализирани преди края на 19 век. За да произведе изкуствени диаманти през 1890 г., Едуард Гудрих Ачесън нагрява алуминиев силикат с прахообразен кокс и случайно произвежда силициев карбид (SiC).

Три години по-късно Ачесън патентова своя метод на производство и основава Carborundum Company (carborundum) е общото наименование на силициевия карбид по това време) с цел производство и продажба на абразив продукти.

Към началото на 20-ти век, проводните свойства на силициевия карбид също са били реализирани и съединението е било използвано като детектор в ранни корабни радиостанции. През 1906 г. на GW Pickard е издаден патент за детектори на силициеви кристали.

През 1907 г. е създаден първият светодиод (LED) чрез прилагане на напрежение към кристал от силициев карбид. През 30-те години употребата на силиций нараства с развитието на нови химически продукти, включително силани и силикони. Ръстът на електрониката през миналия век също е неразривно свързан със силиция и неговите уникални свойства.

Докато създаването на първите транзистори - предшествениците на съвременните микрочипове - през 40-те години се разчита на германиум, не след дълго силицийът замести металоидния си братовчед като по-устойчив субстратен полупроводников материал. Bell Labs и Texas Instruments започват комерсиално производство на силициеви транзистори през 1954 г.

Първите силициеви интегрални схеми са направени през 60-те години на миналия век, а до 70-те години са разработени силиконосъдържащи процесори. Като се има предвид, че полупроводниковата технология на основата на силиций формира основата на съвременната електроника и изчисленията, не трябва да е изненада, че ние наричаме центъра на дейност за тази индустрия като „Силиций Вали.

(За подробен поглед върху историята и развитието на Силиконовата долина и микрочипната технология, силно препоръчвам документалния филм на American Experience, озаглавен Silicon Valley). Не след дълго разкриването на първите транзистори, работата на Bell Labs със силиций доведе до втори голям пробив през 1954 г.: Първата фотоволтаична (слънчева) клетка.

Преди това мисълта за извличане на енергия от слънцето за създаване на сила на земята се смяташе за невъзможна за повечето. Но само четири години по-късно, през 1958 г., първият спътник, захранван от силициеви слънчеви клетки, обикаля около земята.

До 70-те години на миналия век търговските приложения за слънчеви технологии са нараснали до наземни приложения като захранване на осветление на морски петролни платформи и железопътни прелези. През последните две десетилетия използването на слънчевата енергия нараства експоненциално. Днес фотоволтаичните технологии на базата на силиций представляват около 90 процента от световния пазар на слънчева енергия.

По-голямата част от рафинирания силиций всяка година - около 80 процента - се произвежда като феросилиций за използване в желязо и за производство на стомана. Феросиликонът може да съдържа навсякъде между 15 и 90 процента силиций, в зависимост от изискванията на топилнята.

Най- сплав от желязо и силиций се произвежда с помощта на потопена електрическа дъгова пещ чрез редукционно топене. Богата на силициев диоксид руда и източник на въглерод, като коксуващи се въглища (металургични въглища) се смачкват и се зареждат в пещта заедно с скрап.

При температури над 1900°С (3450°F) въглеродът реагира с кислорода, присъстващ в рудата, образувайки газ въглероден оксид. Междувременно останалото желязо и силиций след това се комбинират, за да се получи разтопен феросилиций, който може да бъде събран чрез потупване по основата на пещта. След като се охлади и втвърди, феросиликонът може да бъде транспортиран и използван директно в производството на желязо и стомана.

Същият метод, без включването на желязо, се използва за производство на силиций с металургичен клас, чист над 99 процента. Металургичният силиций се използва и при топене на стомана, както и за производството на алуминиеви леяни сплави и силанови химикали.

Металургичният силиций се класифицира според нивата на примеси на желязо, т.е. алуминийи калций в сплавта. Например 553 силициев метал съдържа по-малко от 0,5 процента от всяко желязо и алуминий и по-малко от 0,3 процента калций.

Около 8 милиона метрични тона феросилиций се произвеждат всяка година в световен мащаб, като Китай представлява около 70 процента от този общ обем. Големите производители включват Erdos Metalurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials и Elkem.

Допълнително 2,6 милиона метрични тона металургичен силиций - или около 20 процента от общия рафиниран силициев метал - се произвеждат годишно. Китай отново отчита около 80 процента от тази продукция. Изненада за мнозина е, че слънчевите и електронните марки силиций представляват само малко количество (по-малко от два процента) от цялото производство на рафиниран силиций. За надграждане до силициев метал (полисилиций), чистотата трябва да се увеличи до 99,9999% (6N) чист силиций. Извършва се по един от трите метода, най-често срещаният процес е Siemens.

Процесът на Сименс включва отлагане на химически пари на летлив газ, известен като трихлоросилан. В 1150г°С (2102°F) трихлоросиланът се издухва над силиконово семе с висока чистота, монтирано в края на пръчка. Докато преминава, върху семето се отлага силиций с висока чистота от газа.

Реакторът с течен слой (FBR) и модернизираната технология на силициевия клас (UMG) също се използват за подобряване на метала до полисиликона, подходящ за фотоволтаичната индустрия. През 2013 г. бяха произведени двеста тридесет хиляди метрични тона полисилиций. Водещите производители включват GCL Poly, Wacker-Chemie и OCI.

И накрая, за да направим силикона от клас електроника, подходящ за производството на полупроводници и сигурно фотоволтаични технологии, полисиликонът трябва да бъде преобразуван в ултра чист монокристален силиций чрез Чохралски процес. За целта полисиликонът се разтопява в тигел при 1425 г.°С (2597)°F) в инертна атмосфера. След това семената кристал, монтиран на пръчка, се потапя в разтопения метал и бавно се завърта и отстранява, давайки време на силиция да расте върху семенния материал.

Полученият продукт представлява пръчка (или бутилка) от монокристален силициев метал, който може да бъде до 99,999999999 (11N) процента чист. Този прът може да бъде легиран с бор или фосфор, както е необходимо, за да ощипате квантовите механични свойства според изискванията. Монокристалната пръчка може да бъде изпратена до клиентите така, както е, или нарязана на вафли и полирана или текстурирана за конкретни потребители.

Докато приблизително десет милиона метрични тона феросилиций и силициев метал се усъвършенстват всяка година, по-голямата част от използвания в търговската мрежа силиций е всъщност под формата на силициеви минерали, които се използват при производството на всичко - от цимент, хоросан и керамика, до стъкло и полимери.

Феросиликонът, както бе отбелязано, е най-често използваната форма на метален силиций. От първата си употреба преди около 150 години, феросилицийът остава важен разкислител за производството на въглерод и неръждаема стомана. Днес топенето на стомана остава най-големият потребител на феросилиций.

Ferrosilicon обаче има редица приложения извън производството на стомана. Той е предварително сплав в производството на магнезиев ferrosilicon - нодулатор, използван за производството на пластично желязо, както и по време на процеса на Pidgeon за рафиниране на магнезий с висока чистота. Феросиликонът може да се използва и за производство на топлина и корозия устойчиви железни силициеви сплави, както и силициева стомана, която се използва при производството на електродвигатели и трансформаторни ядра.

Металургичният силиций може да се използва при производството на стомана, както и като легиращ агент при леене на алуминий. Автомобилните части от алуминий-силиций (Al-Si) са леки и по-здрави от компонентите, отливани от чист алуминий. Автомобилните части като блокове на двигателя и джантите на гумите са едни от най-често отлятите части от алуминиев силиций.

Почти половината от целия металургичен силиций се използва от химическата промишленост за получаване на изпарен силициев диоксид (a сгъстител и десикант), силани (свързващо средство) и силикон (уплътнители, лепила и смазващи вещества). Полисиликонът с фотоволтаичен клас се използва предимно при направата на полисиликонови слънчеви клетки. Около пет тона полисиликон са необходими, за да се направи един мегават слънчеви модули.

В момента полисиликоновата слънчева технология представлява повече от половината от слънчевата енергия, произведена в световен мащаб, докато моносиликоновата технология допринася приблизително 35 процента. Общо 90 процента от използваната от хората слънчева енергия се събира по технология на основата на силиций.

Монокристалният силиций също е критичен полупроводников материал, намиращ се в съвременната електроника. Като субстратен материал, използван при производството на полеви транзистори (FETs), светодиоди и интегрални схеми, силиций може да се намери в почти всички компютри, мобилни телефони, таблети, телевизори, радиостанции и друга съвременна комуникация устройства. Счита се, че повече от една трета от всички електронни устройства съдържат полупроводникова технология на основата на силиций.

И накрая, твърдосплавният силициев карбид се използва в различни електронни и неелектронни приложения, включително синтетични бижута, високотемпературни полупроводници, твърда керамика, режещи инструменти, спирачни дискове, абразиви, бронежилетки и отопление елементи.

Кратка история на стоманолегирането и производството на феросплави.
URL адрес: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Холапа, Лаури и Сепо Луенкилпи.

За ролята на феросплавите в стоманопроизводството. 9-13 юни 2013 г. Тринадесетият международен конгрес на феросплавите. URL адрес: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf