Nézd meg a félig fém szilíciumot
A szilícium fém egy szürke és csillogó, félvezető fém, amelyet acél, napelemek és mikrochipek gyártására használnak.
A szilícium a földkéreg második legelterjedtebb eleme (csak az oxigén mögött) és a nyolcadik leggyakoribb elem az univerzumban. Valójában a földkéreg tömegének közel 30 százaléka tulajdonítható szilíciumnak.
A 14-es atomszámú elem természetesen szilikát ásványokban található, beleértve a szilícium-dioxidot, a földpátot és a csillámot, amelyek a közös kőzetek, mint például a kvarc és a homokkő fő alkotóelemei.
A fél fém (vagy metalloid ), a szilíciumnak bizonyos tulajdonságai vannak mind a fémek, mind a nemfémek tulajdonságairól.
A vízhez hasonlóan - de a fémek többségétől eltérően - a szilícium szerzői folyékony állapotban vannak, és kibővül, ahogy megszilárdul. Viszonylag magas olvadáspontú és forráspontú, és kristályos formában gyémánt köbös kristályszerkezetet képez.
A szilícium félvezető szerepét és az elektronikában való használat szempontjából kritikus elem az atom atomszerkezete, amely négy valence elektronot tartalmaz, amelyek lehetővé teszik a szilícium kötődését más elemekkel.
Tulajdonságok:
- Atomszimbólum: Si
- Atomszám: 14
- Elem kategória: Metalloid
- Sűrűség: 2,392 g / cm3
- Olvadáspont: 2577 ° F (1414 ° C)
- Forráspont: 5909 ° F (3265 ° C)
- Moh keménysége: 7
Történelem:
A svéd vegyész Jons Jacob Berzerlius 1823-ban elsőként izolált szilíciumot kapott. Berzerlius ezt a fém kálium (amelyet csak egy évtizeddel korábban izoláltak) melegítésével érte el egy tégelyben a kálium-fluoroszilikát mellett.
Az eredmény amorf szilícium.
A kristályos szilícium előállításához azonban több idő szükséges. A kristályos szilícium elektrolitikus mintáját még három évtizedig nem szabad elkészíteni.
A szilícium első kereskedelmi forgalomba hozatala ferrosilikó formájában volt.
Henry Bessemer az acélgyártás korszerűsítésével a 19. század közepén nagy érdeklődés mutatkozott az acélmetálkultúrában és az acélgyártási technológiákban.
Az 1880-as években a ferrosilicin első ipari termelésének idején meglehetősen jól ismert volt a szilícium fontossága a nyersvasban és a deoxidáló acélban lévő duktilitás javításában.
A ferrosilikant korai termelését nagyfeszültségű kemencékben végezték a szilíciumtartalmú ércek szénnel való csökkentésével, ami ezüstös vasöntvényt eredményezett, amely ferrosilikont tartalmaz, akár 20 százalékos szilíciumtartalommal.
Az elektromos ívkemencék fejlesztése a 20. század elején nemcsak nagyobb acélgyártást , hanem több ferrosilícium termelést is lehetővé tett.
1903-ban a Ferroalloy (Compagnie Generate d'Electrochimie) gyártására szakosodott csoport Németországban, Franciaországban és Ausztriában kezdte meg működését, és 1907-ben megalakult az USA-ban az első kereskedelmi szilíciumgyár.
Az acélgyártás nem volt a 19. század vége előtt forgalmazott szilíciumvegyületek egyetlen alkalmazása.
Mesterséges gyémántok gyártása 1890-ben, Edward Goodrich Acheson fűtött alumínium szilikát porított kokszal és melléktermékekkel előállított szilícium-karbid (SiC).
Három évvel később Acheson szabadalmaztatta gyártási módszereit, és alapította a Carborundum Company-t (a karborundum a szilícium-karbid közös neve abban az időben) abrazív termékek készítéséhez és értékesítéséhez.
A 20. század elején a szilícium-karbid vezető tulajdonságai is megvalósultak, és a vegyületet korai hajó rádióként detektorként használták fel. 1908-ban szabadalmaztatták a szilikon kristály detektorokat a GW Pickard számára.
1907-ben az első fénykibocsátó dióda (LED) egy szilícium-karbid kristály feszültségének alkalmazásával jött létre.
Az 1930-as évek folyamán a szilícium-felhasználás az új vegyi termékek, köztük szilánok és szilikonok kifejlesztésével nőtt.
Az elmúlt században az elektronika növekedése elválaszthatatlanul összekapcsolódott a szilíciummal és az egyedi tulajdonságokkal.
Míg az 1940-es évek germániumra támaszkodó első tranzisztorai - a modern mikrochipek előfutárai - létrehozása nem sokkal azelőtt, hogy a szilícium a metalloid unokatestvérét tartósabb szubsztrátum félvezető anyagként helyettesítette.
A Bell Labs és a Texas Instruments 1954-ben kereskedelmi forgalomban szilícium alapú tranzisztorokat indított el.
Az első szilícium integrált áramkörök az 1960-as években készültek, és az 1970-es évekig szilíciumtartalmú processzorokat fejlesztettek ki.
Tekintettel arra, hogy a szilícium alapú félvezető technológia a modern elektronika és a számítástechnika gerincét alkotja, nem meglepő, hogy az iparág tevékenységének központjaként a "Szilícium-völgy" kifejezésre hivatkozunk.
(A Szilícium-völgy és a mikrochip technológia történetének és fejlődésének részletes bemutatásához nagyon ajánlom az American Experience című szilikonvilág című dokumentumfilmjét).
Nem sokkal az első tranzisztorok feltárása után a Bell Labs szilíciummal végzett munkája 1954-ben újabb nagy áttörést eredményezett: az első szilikon fotovoltaikus (napelemes) cellát.
Ezt megelőzően a leginkább lehetetlennek tartotta, hogy a napból energiát használjanak fel a földön. De csak négy évvel később, 1958-ban az első szatellit, amelyet szilikon napelemek tápláltak, a földre keringett.
A hetvenes évek során a napenergia-technológiák kereskedelmi alkalmazásai olyan földfelszíni alkalmazásokra nőttek, mint az offshore kőolaj- és vasútvonalak világítása.
Az elmúlt két évtizedben a napenergia felhasználása exponenciálisan nőtt. Napjainkban a szilícium alapú fotovoltaikus technológiák a globális napenergia piac mintegy 90 százalékát teszik ki.
Termelés:
A szilícium többségét évente - mintegy 80 százalékkal finomították - ferrosilikánként gyártják a vas- és acélgyártáshoz . A Ferrosilicon 15 és 90% közötti szilíciumot tartalmazhat az öntőforma követelményeitől függően.
A vas és szilícium ötvözetet vízzel leeresztett ívkemencékkel állítják elő. A szilícium-dioxidban gazdag ércet és egy szénforrást, mint például a kokszszenet (kohászati szén), összetörik és betáplálják a kemencébe, valamint a maradványvasból.
1900 ° C-on (3450 ° F) meghaladó hőmérsékleten a szén reagál az ércben lévő oxigénnel, szén-monoxidgázt képezve. A megmaradt vas és szilícium időközben összeolvadnak, hogy megolvadt ferrosilikont készítsenek, amelyet a kemence alapjainak megérintésével lehet összegyűjteni.
Miután lehűtik és megkeményedik, a ferrosilikont ezután közvetlenül a vas- és acélgyártás során szállítják és használják.
Ugyanez a módszer, a vas felvétele nélkül, 99 százalékos tisztaságú fémkohászati minőségű szilícium előállítására szolgál. A fémipari szilíciumot acélöntés, valamint alumínium öntött ötvözetek és szilánvegyületek gyártásában is alkalmazzák.
A fémes szilíciumot az ötvözetben lévő vas, alumínium és kalcium szennyezettségi szintjei osztályozzák. Például az 553 szilícium fém kevesebb mint 0,5 százalékot tartalmaz minden egyes vasból és alumíniumból, és kevesebb mint 0,3 százalék kalciumot.
Világszerte körülbelül 8 millió metrikus tonnányi ferrosilikont állítanak elő, Kína pedig ebből mintegy 70 százalékát teszi ki. A nagy gyártók közé tartozik az Erdos Metallurgy Group, a Ningxia Rongsheng Ferroalloy, a OM Materials Group és az Elkem.
További 2,6 millió metrikus tonna kohászati szilíciumot - vagyis a teljes kifinomult szilíciumfém körülbelül 20 százalékát - állítanak elő évente. Kína ismét a kibocsátás mintegy 80 százalékát teszi ki.
Sok meglepetés, hogy a szilícium napelemei és elektronikai minősége csak kis mennyiségben (kevesebb mint két százalék) az összes finomított szilícium termelést jelenti.
A szolár minőségű szilícium-fém (poliszilícium) frissítéséhez a tisztaságnak 99,9999% (6N) tiszta szilícium felfelé kell emelkednie. Ezt három módszer egyikével végezzük, a leggyakoribb a Siemens folyamat.
A Siemens folyamat magában foglalja a triklórszilán néven ismert illékony gáz kémiai gőzölését. 1150 ° C-on (2102 ° F) a triklór-szilánt nagy tisztaságú szilícium magra fúvatják, amely a rúd végén helyezkedik el. Ahogy áthalad, a gázból nagy tisztaságú szilíciumot helyeznek el a magra.
A folyékony ágyas reaktor (FBR) és a korszerűsített fémkromatográfiás (UMG) szilíciumtechnológia arra is szolgál, hogy a fémeket a fotovoltaikus iparnak megfelelő poliszilikonra növeljék.
230 ezer tonna poliszilikont állítottak elő 2013-ban. A vezető gyártók közé tartozik a GCL Poly, a Wacker-Chemie és az OCI.
Végül, hogy a félvezető iparnak és bizonyos fotovoltaikus technológiáknak megfelelő elektronika minőségű szilíciumot állítson elő, a poliszilikont a Czochralski folyamat révén ultra tiszta monokristály szilíciumgá kell átalakítani.
Ehhez a poliszilikont egy tégelyben 1425 ° C-on (2597 ° F) inert atmoszférában megolvasztják. A rúdra szerelt magkristályt ezután az olvadt fémbe mártjuk, lassan forgatjuk és eltávolítjuk, így a szilícium növekedésének ideje a maganyagon.
A kapott termék egyetlen kristályos szilíciumfém-rúd (vagy boule), amely akár 99,999999999 (11N) százalékos tisztaságú is lehet. Ez a rúd adalékolható bórral vagy foszforral, ahogyan az szükséges a kvantummechanikai tulajdonságok csiszolásához.
A monokristály rúd az ügyfelekhez hasonlóan szállítható, vagy ostyákká szeletelve, és meghatározott felhasználók számára polírozva vagy textúrázva.
Alkalmazások:
Bár durván tíz millió metrikus tonna ferrosilíkot és szilícium-fémet finomítanak évente, a kereskedelemben használt szilícium többsége valójában szilícium ásványi anyagok formájában készül, amelyeket cementből, habarcsokból és kerámiából, üvegből és polimerek.
Mint említettük, a Ferrosilicon a fémszilícium legelterjedtebb formája. Körülbelül 150 évvel ezelőtti felhasználása óta a ferrosilicon fontos szénhidrát és rozsdamentes acél előállításában deoxidáló szer maradt. Ma az acél olvasztás továbbra is a ferrosilikó legnagyobb fogyasztója.
Bár a Ferrosilicon többféle felhasználási területen van, mint az acélgyártás. Ez egy pre-ötvözet a magnézium- ferrosilícium, a gömbgrafitos nyersanyag előállításához használt nodulizátor, valamint a Pidgeon eljárás során a nagy tisztaságú magnézium finomítására.
A Ferrosilicon hő- és korrózióálló szilícium ötvözetek, valamint szilícium-acél előállítására is használható, amelyet elektromotorok és transzformátor magok előállításához használnak.
A fémipari szilícium felhasználható az acélgyártáshoz, valamint az alumínium öntvényben lévő ötvöző anyaghoz. Az alumínium-szilikon (Al-Si) autóalkatrészek könnyűek és erősebbek, mint a tiszta alumíniumból öntött alkatrészek. Gépjárműalkatrészek, mint a motorblokkok és a gumiabroncsok, a leggyakrabban öntött alumínium szilikon alkatrészek.
A kémiai iparág közel 400% -át a kémiai ipar használja fel homogén szilícium-dioxid (sűrítőszer és szárítószer), szilánok (kötőanyag) és szilikon (tömítőanyagok, ragasztók és kenőanyagok).
A fotovoltaikus poliszilíciumot elsősorban poliszilícium napelemek készítéséhez használják. Körülbelül öt tonna poliszilícium szükséges egy megawatt napelem modulok készítéséhez.
Napjainkban a poliszilícium napelemes technológiája a globálisan termelt napenergiának több mint felét teszi ki, miközben a monosilicon technológia hozzávetőlegesen 35 százalékos. Összességében az ember által használt napenergia 90 százaléka szilícium alapú technológia.
A monokristály szilícium egy kritikus félvezető anyag, amely a modern elektronikában található. Szinte minden számítógépen, mobiltelefonon, táblagépen, televízión, rádión és egyéb modern kommunikációs eszközön megtalálható a térhatású tranzisztorok (FET-ek), a LED-ek és az integrált áramkörök előállítása során használt szubsztrátanyag.
Becslések szerint az elektronikus készülékek több mint egyharmada szilícium alapú félvezető technológiát tartalmaz.
Végül a kemény ötvözet szilícium-karbidot számos elektronikus és nem elektronikus alkalmazásban használják, beleértve a szintetikus ékszereket, magas hőmérsékletű félvezetőket, kemény kerámiákat, vágóeszközöket, féktárcsákat, csiszolóanyagokat, golyóálló mellényeket és fűtőelemeket.
Forrás:
Az acélötvözet és a vasötvözetek 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 Ferroalloys Kongresszus. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Terence kövesse a Google + -ot