Właściwości i zastosowania krzemu metalu

Krzem metalowy jest szarym i błyszczącym metalem półprzewodzącym, który jest wykorzystywany do produkcji stali, ogniw słonecznych i mikroczipów. Krzem jest drugim najliczniejszym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej (za tlenem) i ósmym najczęściej występującym pierwiastkiem we wszechświecie. Prawie 30 procent masy skorupy ziemskiej można przypisać krzemowi.

Pierwiastek o liczbie atomowej 14 naturalnie występuje w minerałach krzemianowych, w tym w krzemionce, skaleniu i mice, które są głównymi składnikami pospolitych skał, takich jak kwarc i piaskowiec. Półmetal (lub półmetal), krzem ma pewne właściwości zarówno metali, jak i niemetali.

Podobnie jak woda - ale w przeciwieństwie do większości metali - krzem kurczy się w stanie ciekłym i rozszerza się w miarę zestalania. Ma stosunkowo wysokie temperatury topnienia i wrzenia, a po krystalizacji tworzy diamentową strukturę kryształu sześciennego. Krytyczna rola krzemu jako półprzewodnika i jego zastosowanie w elektronice jest atomem tego pierwiastka struktura, która obejmuje cztery elektrony walencyjne, które umożliwiają krzemowi wiązanie z innymi elementami łatwo.

• Symbol atomowy: Si
• Liczba atomowa: 14
• Kategoria elementu: metaloid
• Gęstość: 2,329 g / cm3
• Temperatura topnienia: 1414 ° C (2577 ° F)
• Temperatura wrzenia: 3265 ° C (5909 ° F)
• Twardość Moha: 7

Szwedzki chemik Jons Jacob Berzerlius przypisuje się pierwszy izolujący krzem w 1823 roku. Berzerlius dokonał tego poprzez podgrzanie metalicznego potasu (który został wyizolowany dziesięć lat wcześniej) w tyglu wraz z fluorokrzemianem potasu. Rezultatem był amorficzny krzem.

Wytwarzanie krzemu krystalicznego wymagało jednak więcej czasu. Próbka elektrolityczna krzemu krystalicznego nie będzie wytwarzana przez kolejne trzy dekady. Pierwsze komercyjne zastosowanie krzemu miało postać żelazokrzemu.

Śladami Henry'ego Bessemera modernizacja przemysłu stalowego w połowie XIX w. było duże zainteresowanie stal metalurgia i badania w technikach stalowniczych. Do czasu pierwszej przemysłowej produkcji żelazokrzemu w latach 80. XIX wieku znaczenie krzemu w ulepszaniu plastyczność prośna żelazo i stal odtleniająca była dość dobrze poznana.

Wczesną produkcję żelazokrzemu przeprowadzono w wielkich piecach poprzez redukcję rud zawierających krzem węglem drzewnym, co zaowocowało srebrzystą surówką, żelazokrzemem o zawartości krzemu do 20 procent.

Rozwój elektrycznych pieców łukowych na początku XX wieku pozwolił nie tylko na większą produkcję stali, ale także na większą produkcję żelazokrzemów. W 1903 r. Rozpoczęła działalność grupa specjalizująca się w produkcji żelazostopów (Compagnie Generate d'Electrochimie) w Niemczech, Francji i Austrii, aw 1907 r. była to pierwsza komercyjna fabryka krzemu w USA założony.

Hutnictwo nie było jedynym zastosowaniem związków krzemu wprowadzonych na rynek przed końcem XIX wieku. Aby wyprodukować sztuczne diamenty w 1890 roku, Edward Goodrich Acheson podgrzał krzemian glinu ze sproszkowanym koksem i przypadkowo wyprodukowanym węglikiem krzemu (SiC).

Trzy lata później Acheson opatentował swoją metodę produkcji i założył Carborundum Company (karborundum będąca wówczas popularną nazwą węglika krzemu) w celu wytwarzania i sprzedaży materiałów ściernych produkty.

Na początku XX wieku zdołano również poznać właściwości przewodzące węglika krzemu, a związek ten wykorzystano jako wykrywacz we wczesnych radiostacjach okrętowych. Patent na detektory kryształów krzemu został przyznany GW Pickard w 1906 roku.

W 1907 r. Stworzono pierwszą diodę elektroluminescencyjną (LED), przykładając napięcie do kryształu węglika krzemu. W latach 30. XX wieku wykorzystanie krzemu wzrosło wraz z rozwojem nowych produktów chemicznych, w tym silanów i silikonów. Rozwój elektroniki w ciągu ostatniego stulecia był również nierozerwalnie związany z krzemem i jego wyjątkowymi właściwościami.

Podczas tworzenia pierwszych tranzystorów - prekursorów współczesnych mikroczipów - w latach 40. XX wieku polegano na german, niedługo potem krzem zastąpił metaloidowego kuzyna jako bardziej trwały substratowy materiał półprzewodnikowy. Bell Labs i Texas Instruments rozpoczęły komercyjną produkcję tranzystorów na bazie krzemu w 1954 roku.

Pierwsze krzemowe układy scalone powstały w latach 60. XX wieku, a w latach 70. opracowano procesory zawierające krzem. Biorąc pod uwagę, że krzemowa technologia półprzewodników stanowi kręgosłup nowoczesnej elektroniki i informatyka, nie powinno dziwić, że centrum działalności tej branży nazywamy „krzemem” Dolina.'

(Aby uzyskać szczegółowe spojrzenie na historię i rozwój Doliny Krzemowej i technologii mikroczipów, gorąco polecam dokument American Experience zatytułowany Silicon Valley). Niedługo po odsłonięciu pierwszych tranzystorów praca Bell Labs z krzemem doprowadziła do drugiego poważnego przełomu w 1954 roku: pierwszego krzemowego ogniwa fotowoltaicznego (słonecznego).

Wcześniej myśl o wykorzystaniu energii słonecznej do wytworzenia mocy na Ziemi była przez większość uważana za niemożliwą. Ale zaledwie cztery lata później, w 1958 roku, pierwszy satelita zasilany krzemowymi ogniwami słonecznymi okrążył Ziemię.

W latach 70. komercyjne zastosowania technologii słonecznych stały się aplikacjami naziemnymi, takimi jak zasilanie oświetlenia morskich platform wiertniczych i przejazdów kolejowych. W ciągu ostatnich dwóch dekad zużycie energii słonecznej gwałtownie wzrosło. Obecnie krzemowe technologie fotowoltaiczne stanowią około 90 procent światowego rynku energii słonecznej.

Większość krzemu rafinowanego każdego roku - około 80 procent - jest produkowana jako żelazokrzem do stosowania w żelazie i produkcja stali. Żelazokrzem może zawierać od 15 do 90 procent krzemu w zależności od wymagań huty.

The stop żelaza i krzemu wytwarza się za pomocą zanurzonego elektrycznego pieca łukowego poprzez wytapianie redukcyjne. Ruda bogata w krzemionkę i źródło węgla, takie jak węgiel koksujący (węgiel metalurgiczny), są kruszone i ładowane do pieca wraz ze złomem.

W temperaturach ponad 1900°C (3450°F) węgiel reaguje z tlenem obecnym w rudzie, tworząc gazowy tlenek węgla. Tymczasem pozostałe żelazo i krzem łączą się, tworząc stopiony żelazokrzem, który można zebrać, dotykając podstawy pieca. Po schłodzeniu i stwardnieniu żelazokrzem można następnie wysłać i wykorzystać bezpośrednio w produkcji żelaza i stali.

Tę samą metodę, bez włączenia żelaza, stosuje się do produkcji metalurgicznego krzemu o czystości przekraczającej 99 procent. Krzem metalurgiczny stosuje się również w hutnictwie stali, a także w produkcji stopów aluminium i chemikaliów silanowych.

Krzem metalurgiczny jest klasyfikowany według poziomów zanieczyszczeń żelaza, aluminiumoraz wapń obecny w stopie. Na przykład 553 metal krzemowy zawiera mniej niż 0,5 procent każdego żelaza i glinu oraz mniej niż 0,3 procent wapnia.

Każdego roku na całym świecie produkuje się około 8 milionów ton metrycznych żelazokrzemu, przy czym Chiny stanowią około 70 procent tej sumy. Duzi producenci to Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials i Elkem.

Co roku produkuje się dodatkowe 2,6 miliona ton metrycznego krzemu - czyli około 20 procent całkowitego rafinowanego krzemu metalu. Chiny ponownie stanowią około 80 procent tej produkcji. Dla wielu zaskakujące jest to, że krzemowe i elektroniczne gatunki krzemu stanowią zaledwie niewielką część (mniej niż dwa procent) całej produkcji rafinowanego krzemu. Aby przejść na solarny metal krzemowy (polikrzemu), czystość musi wzrosnąć do 99,9999% (6N) czystego krzemu. Odbywa się to jedną z trzech metod, z których najczęstszą jest proces Siemens.

Proces Siemens obejmuje chemiczne osadzanie z fazy gazowej lotnego gazu znanego jako trichlorosilan. O 1150°C (2102°F) trichlorosilan jest wdmuchiwany na nasiona krzemu o wysokiej czystości zamontowane na końcu pręta. Gdy przechodzi, krzem o wysokiej czystości z gazu osadza się na nasionach.

Reaktor ze złożem fluidalnym (FBR) i ulepszona technologia krzemowa klasy metalurgicznej (UMG) są również stosowane do ulepszania metalu w polikrzemu, odpowiedniego dla przemysłu fotowoltaicznego. W 2013 r. Wyprodukowano dwieście trzydzieści tysięcy ton metrycznych polikrzemu. Wiodący producenci to GCL Poly, Wacker-Chemie i OCI.

Wreszcie, aby uczynić krzem klasy elektronicznej odpowiednim dla przemysłu półprzewodników technologie fotowoltaiczne, polikrzemu należy przekształcić w ultra-czysty krzem monokrystaliczny za pośrednictwem Proces Czochralskiego. Aby to zrobić, polikrzem zostaje stopiony w tyglu w 1425 r°C (2597°F) w obojętnej atmosferze. Kryształ zaszczepiający osadzony na pręcie jest następnie zanurzany w stopionym metalu i powoli obracany i usuwany, dając czas na wzrost krzemu na materiale zaszczepiającym.

Powstały produkt jest prętem (lub kulą) z monokrystalicznego metalu krzemowego, który może mieć aż 99,999999999 (11N) procent czystości. Pręt ten może być domieszkowany borem lub fosforem, w zależności od potrzeb, w celu dostrojenia właściwości mechaniki kwantowej zgodnie z wymaganiami. Pręt monokrystaliczny może być wysyłany do klientów w stanie takim, w jakim jest, lub krojony na wafle i polerowany lub teksturowany dla określonych użytkowników.

Podczas gdy każdego roku rafinowanych jest około dziesięć milionów ton metrycznych żelazokrzemu i krzemu, większość krzemu wykorzystywanego w handlu to właściwie w postaci minerałów krzemowych, które są wykorzystywane do produkcji wszystkiego, od cementu, zapraw i ceramiki, po szkło i polimery

Żelazokrzem, jak wspomniano, jest najczęściej stosowaną formą metalicznego krzemu. Od pierwszego zastosowania około 150 lat temu żelazokrzem pozostawał ważnym czynnikiem odtleniającym w produkcji węgla i Stal nierdzewna. Obecnie hutnictwo stali pozostaje największym konsumentem żelazokrzemu.

Żelazokrzem ma jednak wiele zastosowań poza wytwarzaniem stali. Jest stopem wstępnym w produkcji magnez żelazokrzem, nodulizator stosowany do produkcji żeliwa sferoidalnego, a także podczas procesu Pidgeona do rafinacji magnezu o wysokiej czystości. Żelazokrzem może być również wykorzystywany do wytwarzania ciepła i korozja odporne stopy żelazawo-krzemowe, a także stal krzemowa, która jest wykorzystywana do produkcji silników elektrycznych i rdzeni transformatorów.

Krzem metalurgiczny może być stosowany w produkcji stali, a także jako środek stopowy w odlewach aluminiowych. Części samochodowe z aluminium i krzemu (Al-Si) są lekkie i mocniejsze niż elementy odlewane z czystego aluminium. Części samochodowe, takie jak bloki silnika i felgi opon, są jednymi z najczęściej odlewanych aluminiowych elementów silikonowych.

Prawie połowa całego metalurgicznego krzemu jest wykorzystywana przez przemysł chemiczny do wytwarzania zmatowionej krzemionki koloidalnej (a środek zagęszczający i pochłaniający wilgoć), silany (środek sprzęgający) i silikon (uszczelniacze, kleje i) smary). Polikrzemu fotowoltaicznego używa się przede wszystkim do produkcji polikrzemowych ogniw słonecznych. Do wytworzenia jednego megawata modułów słonecznych potrzeba około pięciu ton polikrzemu.

Obecnie polikrzemu technologia słoneczna stanowi ponad połowę energii słonecznej produkowanej na całym świecie, podczas gdy technologia monokrzemowa stanowi około 35 procent. W sumie 90 procent energii słonecznej zużywanej przez ludzi jest gromadzone przez technologię na bazie krzemu.

Krzem monokrystaliczny jest także krytycznym materiałem półprzewodnikowym występującym we współczesnej elektronice. Jako materiał podłoża stosowany w produkcji tranzystorów polowych (FET), diod LED i układów scalonych, krzem można go znaleźć praktycznie we wszystkich komputerach, telefonach komórkowych, tabletach, telewizorach, radiach i innej nowoczesnej komunikacji urządzenia. Szacuje się, że ponad jedna trzecia wszystkich urządzeń elektronicznych zawiera krzemową technologię półprzewodnikową.

Wreszcie, twardy stop węglika krzemu jest wykorzystywany w wielu zastosowaniach elektronicznych i nieelektronicznych, w tym syntetycznych biżuteria, półprzewodniki wysokotemperaturowe, twarda ceramika, narzędzia tnące, tarcze hamulcowe, materiały ścierne, kamizelki kuloodporne i ogrzewanie elementy.

Krótka historia produkcji stopów stali i żelazostopów.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri i Seppo Louhenkilpi.

O roli żelazostopów w produkcji stali. 9-13 czerwca 2013 r. Trzynasty Międzynarodowy Kongres Żelazostopów. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf