Pažiūrėkite į pusiau metalinį silicį
Silicio metalas yra pilkas ir blizgus pusiau laidus metalas, naudojamas plieno, saulės elementų ir mikroschemų gamybai.
Silicis yra antras labiausiai paplitęs žemės plutos (už vien tik deguonies) elementas ir aštuntasis dažniausiai pasitaikantis elementas visatoje. Iš tiesų beveik 30 procentų žemės plutos svorio gali būti priskiriamas siliciui.
Elementas su atominiu numeriu 14 natūraliai atsiranda silikato mineraluose, įskaitant silicio dioksidą, lauko špatas ir žėručio, kurios yra pagrindinės bendrų uolienų, tokių kaip kvarcas ir smiltainis, komponentai.
Pusiau metalinis (arba metaloidinis ) silicis turi tam tikrų metalų ir nemetalų savybių.
Panašiai kaip ir vanduo, tačiau, skirtingai nuo daugumos metalų, silicio kontraktai yra skysti, o sustiprina. Jis turi palyginti aukštą lydymosi ir virimo taškus, o kai kristalizuotos formos deimantų kubinių kristalų struktūrą.
Svarbus silicio kaip puslaidininkio vaidmuo ir jo naudojimas elektronikoje yra elemento atominė struktūra, kuri apima keturis valentingus elektronus, kurie leidžia lengvai susieti silicį su kitais elementais.
Savybės:
- Atominis simbolis: Si
- Atominis numeris: 14
- Elementas Kategorija: metaloidas
- Tankis: 2.329g / cm3
- Lydymosi temperatūra: 2577 ° F (1414 ° C)
- Virimo temperatūra: 5909 ° F (3265 ° C)
- Moho kietumas: 7
Istorija:
1823 m. Švedijos chemikas Jonas Jacobas Berzerliusas įskaitomas kaip pirmasis izoliuoti silicis. Berzerilius tai padarė šildant metalinį kalį (kuris buvo išskirtas praėjus dešimtmečiui anksčiau) tiglyje kartu su kalio fluorosilikatu.
Rezultatas buvo amorfinis silicis.
Tačiau kristalinio silicio gamybai reikėjo daugiau laiko. Elektrolizinis kristalinio silicio pavyzdys nebus daromas dar tris dešimtmečius.
Pirmasis komercializuotas silicio naudojimas buvo ferosilicio pavidalo.
Po to, kai Henris Bessemeris modernizavo plieno gamybos pramonę 19 amžiaus viduryje, didžiulį susidomėjimą tapo plieno metalurgija ir plieno gamybos technologijos tyrimai.
Iki pirmosios pramoninės ferosilikso gamybos pradžios 1880-aisiais gana gerai supratau, kad silicio svarba ketaus ir deoksiduojančio plieno plastiškumui pagerinti.
Anksti ferosilicio gamyba buvo padaryta aukštakrosnėse, sumažinant silicio turinčių rūdų su medžio anglimi, o tai sudarė sidabrą pigmentą, ferosilicį, kurio sudėtyje yra iki 20 proc. Silicio.
Elektros lankinių krosnių kūrimas XX a. Pradžioje leido ne tik padidinti plieno gamybą , bet ir daugiau ferosilikso gamybos.
1903 m. Vokietijoje, Prancūzijoje ir Austrijoje pradėta gaminti ferolydinio (Compagnie Generate d'Electrochimie) gamyba, o 1907 m. Buvo įkurta pirmasis komercinis silicio gamykla JAV.
Plieno gamyba nebuvo vienintelis taikymas silicio junginiams, kurie buvo parduodami iki XIX a. Pabaigos.
1890 m. Gaminant dirbtinius deimantus Edward Goodrich Acheson šildo aliuminio silikatą su milteliniu koksu ir greitu būdu pagamintą silicio karbidą (SiC).
Po trijų metų Acheson patentuota savo gamybos metodu ir įkūrė ir pardavė abrazyvinius gaminius, įkūrė "Carborundum Company" (karborundas, kuris tuo metu buvo įprastas silicio karbido pavadinimas).
Iki XX a. Pradžios taip pat buvo realizuotos silicio karbido laidžios savybės, o junginys buvo naudojamas kaip detektorius ankstyvosiose laivų radijo stotyse. GW Pickard'ui 1906 m. Suteiktas patentas silicio krištolo detektoriams.
1907 m. Pirmasis šviesos diodas (LED) buvo sukurtas taikant įtampą silicio karbido kristalui.
1930-aisiais silicio naudojimas išaugo, plėtojant naujus cheminius produktus, įskaitant silanus ir silikonus.
Elektronikos augimas per pastarąjį šimtmetį taip pat buvo neatskiriamai susijęs su siliciu ir jo unikaliomis savybėmis.
Nors pirmuosius tranzistorius - šiuolaikinių mikroschemų pirmtakus - sukūrė 1920 m. Remiamasi germaniu, silicis išnyko metaloido pusbroliu kaip patvaresne substrato puslaidininkine medžiaga.
"Bell Labs" ir "Texas Instruments" 1954 m. Pradėjo gaminti silicio pagrindu pagamintus tranzistorius.
Pirmieji silicio integriniai grandynai buvo pagaminti 1960-aisiais, o iki 1970-ųjų buvo sukurta silicio turinčių procesorių.
Atsižvelgiant į tai, kad silicio pagrindu sukurta puslaidininkių technologija yra šiuolaikinės elektronikos ir skaičiavimo pagrindas, neturėtų būti jokių nuostabų, kad mes kalbame apie šios pramonės šakos "Silicio slėnio" veiklos centrą.
(Norėdami išsamiai apžvelgti Silicio slėnio istoriją ir plėtrą bei mikroschemų technologiją, aš labai rekomenduoju "American Experience" dokumentinį filmą "Silicio slėnis").
Netrukus po pirmųjų tranzistorių atidarymo "Bell Labs" dirbo su siliciu, o 1954 m. Padarė antrą svarbų perversmą: pirmoji silicio fotovoltinė (saulės) ląstelė.
Prieš tai, dauguma manė, kad energijos panaudojimas saulei sukurti energiją žemėje neapsimokė. Tačiau praėjus vos ketveriems metams, 1958 m., Pirmasis silicio saulės elementų palydovas paliko žemę.
Iki devintojo dešimtmečio saulės energiją naudojančios komerciškai pritaikytos technologijos išaugo į antžemines programas, tokias kaip apšvietimas ant jūros naftos platformų ir geležinkelio pervažų.
Per pastaruosius du dešimtmečius saulės energijos naudojimas išaugo eksponentiškai. Šiandien silicio pagrindu pagamintos fotovoltinės technologijos sudaro apie 90 proc. Pasaulinės saulės energijos rinkos.
Gamyba:
Didžioji dalis kiekvienais metais rafinuotų silicio, apie 80 procentų, gaminama kaip ferosilicis, naudojamas geležies ir plieno gamyboje . Ferosilicis gali priklausyti nuo 15 iki 90 procentų silicio, priklausomai nuo skaldyklos reikalavimų.
Geležies ir silicio lydinys gaminamas naudojant povandeninę elektrinę lanko krosnį redukciniu lydymu. Silicio turtingos rūdos ir anglies šaltinis, pvz., Koksin ÷ s anglies (metalurgin ÷ s anglies), susmulkinama ir įkrovos į krosnį kartu su laužu.
Esant aukštai temperatūrai virš 1900 ° C (angl. 3450 ° F), anglis reaguoja su deguonimi, esančiu rūdoje, susidaro anglies monoksido dujos. Tuo tarpu likęs geležis ir silicis sujungiami, kad susidarytų išlydytas ferosilicis, kurį galima surinkti palietus krosnies pagrindą.
Po to, kai aušinamas ir sukietėjęs, ferosilicis gali būti išsiųstas ir tiesiogiai naudojamas geležies ir plieno gamyboje.
Tas pats metodas, be geležies įtraukimo, naudojamas metalurginiam siliciui gaminti, kuris yra didesnis nei 99 proc. Grynas. Metalurginis silicis taip pat naudojamas plieno lydymui, taip pat aliuminio lydinių ir silaninių cheminių medžiagų gamybai.
Metalurgijos silicis klasifikuojamas pagal lydinio geležies, aliuminio ir kalcio priemaišų lygius. Pavyzdžiui, 553 silicio metalo sudėtyje yra mažiau nei 0,5 proc. Visų geležies ir aliuminio, mažiau nei 0,3 proc. Kalcio.
Kasmet maždaug 8 milijonai metrinių tonų ferosilicio gaminama visame pasaulyje, o Kinija sudaro apie 70 procentų šios sumos. Didieji gamintojai yra "Erdos Metallurgy Group", "Ningxia Rongsheng Ferroalloy", "OM Materials" ir "Elkem".
Kasmet pagaminama papildomai 2,6 mln. Metrinių tonų metalurginio silicio, arba apie 20 proc. Viso rafinuotojo silicio metalo. Kinija vėl sudaro apie 80 procentų šios produkcijos.
Daugelis nustebino tai, kad saulės ir elektroninės silicio rūšys sudaro nedaug (mažiau nei du procentus) visos rafinuotų silicio gamybą.
Norėdami atnaujinti iki saulės klasės silicio metalo (polisilikono), grynumas turi padidėti iki 99,9999% (6N) gryno silicio. Tai atliekama naudojant vieną iš trijų metodų, labiausiai paplitusią yra "Siemens" procesas.
"Siemens" procesas susijęs su lakiųjų dujų, vadinamų trichlorosilanu, cheminiu nusodinimu iš garų. 1150 ° C temperatūroje (2102 ° F) trichlorsilanas yra prapūstas per didelio grynumo silicio sėklą, pritvirtintą prie strypo galo. Kai jis praeina, ant sėklos nusėda didelio grynumo silicis iš dujų.
Skysčio sluoksnio reaktorius (FBR) ir modernizuota metalurgijos klasė (UMG) silicio technologija taip pat naudojami metalui pagaminti iki polisilikono, tinkamo fotoelektros pramonei.
2013 metais buvo pagaminta 230 000 metrinių tonų polisilikono. Pagrindiniai gamintojai yra GCL Poly, Wacker-Chemie ir OCI.
Galiausiai, norint pagaminti elektronikos klasės silicį, tinkamą puslaidininkių pramonei ir tam tikroms fotovoltinėms technologijoms, polichristalinas turi būti paverstas labai švariu monocrystal siliciu per Czochralski procesą.
Norint tai padaryti, polisilikatas yra ištirpinamas tiglyje 1425 ° C temperatūroje (2597 ° F) inertinėje atmosferoje. Tada montuojamas sėklos kristalas talpinamas į išlydytą metalą ir lėtai pasukamas ir nuimamas, suteikiant laiką, kol silicis auga ant sėklų medžiagos.
Gautas produktas yra monokristalinio silicio metalo strypas (arba bukas), kuris gali būti net 99,999999999 (11N) proc. Grynumo. Šis strypas gali būti legiruotas su boru arba fosforu, kaip reikalaujama, kad būtų galima kvadratinėmis mechaninėmis savybėmis.
Monokristalinis strypas gali būti išsiųstas klientams taip, kaip yra, arba supjaustytas į plokšteles ir poliruotas arba tekstūruotas konkretiems naudotojams.
Programos:
Nors kiekvienais metais rafinuojamos maždaug dešimt milijonų metrinių tonų ferosilicio ir silicio metalo, dauguma komerciniu būdu naudojamo silicio iš esmės yra silicio mineralų, kurie naudojami gaminant viską iš cemento, skiedinių ir keramikos, stiklo ir polimerai.
Kaip pažymėta, ferosilicis yra dažniausiai naudojama metalinio silicio forma. Nuo pirmojo naudojimo prieš maždaug 150 metų ferosilicis išlieka svarbiu deoksiduojančiu agentu anglies ir nerūdijančio plieno gamyboje. Šiandien plieno lydymas lieka didžiausias ferosilicio vartotojų.
Tačiau ferosilikonas naudoja daugiau nei plieno gamyba. Tai yra išankstinis lydinys magnio ferosilicio gamybai, medžio drožlių gamybai naudojamas kalimasis geležis, taip pat Pidgeon proceso metu, skirto aukšto grynumo magnio perdirbimui.
Ferosilicius taip pat galima naudoti šilumos ir korozijai atspariems geležies silicio lydiniams bei silicio plienui, kuris naudojamas elektromotorių ir transformatorių šerdims gaminti.
Metalurginis silicis gali būti naudojamas plieno gamyboje, taip pat legiruojantis agentas aliuminio liejimui. Aliuminio ir silicio (Al-Si) automobilio dalys yra lengvos ir stipresnės nei dalys iš gryno aliuminio. Automobilių dalys, tokios kaip variklio blokai ir padangos ratlankiai, yra dažniausiai naudojamos aliuminio silicio dalys.
Chemijos pramonėje chemijos pramonėje naudojama beveik pusė viso metalurginio silicio, kad susidarytų kietasis silicio dioksidas (tirštiklis ir sausiklis), silanai (jungiamasis agentas) ir silikonas (hermetikai, klijai ir tepalai).
Fotoelektrinės klasės polisilikonas pirmiausia naudojamas polisilikono saulės elementų gamybai. Norint pagaminti vieną megavatą saulės modulių, reikia apie penkių tonų polisilikono.
Šiuo metu polisilikono saulės energijos technologijos sudaro daugiau nei pusę pasaulyje pagamintos saulės energijos, o monosilikato technologija sudaro apie 35 proc. Iš viso 90 proc. Žmonių naudojamos saulės energijos renkamos silikonu pagrįstomis technologijomis.
Monokristalo silicis taip pat yra svarbi puslaidininkių medžiaga, kuri yra šiuolaikinėje elektronikoje. Kaip pagrindo medžiaga, naudojama lauko efekto tranzistoriuose (FET), šviesos diodų ir integrinių grandynų gamyboje, silicį galima rasti beveik visuose kompiuteriuose, mobiliuosiuose telefonuose, planšetiniuose kompiuteriuose, televizoriuose, radijo stotyse ir kituose moderniuose ryšio įrenginiuose.
Apskaičiuota, kad daugiau nei trečdalyje visų elektroninių prietaisų yra silicio pagrindu pagamintos puslaidininkinės technologijos.
Galų gale, kietasis lydinio silicio karbidas naudojamas įvairiose elektroninėse ir neelektroninėse srityse, įskaitant sintetinius papuošalus, aukšto temperatūros puslaidininkius, kietą keramiką, pjovimo įrankius, stabdžių diskus, abrazyvines medžiagas, kulkšnius liemenes ir šildymo elementus.
Šaltiniai:
Trumpa plieno lydinių ir ferolydinių gamybos istorija.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri ir Seppo Louhenkilpi. The
Dėl ferolydinių vaidmens plieno gamyboje. 2013 m. Birželio 9-13 d. Trylikos tarptautinis ferolydinių kongresas. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Sekite "Terence" sistemoje "Google+"