Свойства и использование металлического кремния

Кремниевый металл представляет собой серый и блестящий полупроводящий металл, который используется для производства стали, солнечных элементов и микросхем. Кремний является вторым по распространенности элементом в земной коре (после кислорода) и восьмым по распространенности элементом во вселенной. Почти 30 процентов веса земной коры можно отнести к кремнию.

Элемент с атомным номером 14 естественным образом встречается в силикатных минералах, включая кремнезем, полевой шпат и слюду, которые являются основными компонентами распространенных пород, таких как кварц и песчаник. Полуметалл (или металлоид), кремний обладает некоторыми свойствами как металлов, так и неметаллов.

Как вода - но в отличие от большинства металлов - кремний сжимается в жидком состоянии и расширяется по мере затвердевания. Он имеет относительно высокие температуры плавления и кипения, а при кристаллизации образует кубическую кристаллическую структуру алмаза. Критическим для роли кремния в качестве полупроводника и его использования в электронике является атомная элемент структура, которая включает в себя четыре валентных электрона, которые позволяют кремнию связываться с другими элементами легко.

• Атомный символ: Si
• Атомный номер: 14
• Элемент Категория: Металлоид
• Плотность: 2,329 г / см3
• Температура плавления: 2577 ° F (1414 ° C)
• Точка кипения: 5909 ° F (3265 ° C)
• Моос твердость: 7

Шведскому химику Jons Jacob Berzerlius приписывают первый изолирующий кремний в 1823 году. Берзерлиус достиг этого, нагревая металлический калий (который был выделен только десять лет назад) в тигле вместе с фторсиликатом калия. Результатом стал аморфный кремний.

Изготовление кристаллического кремния, однако, потребовало больше времени. Электролитический образец кристаллического кремния не будет изготовлен в течение следующих трех десятилетий. Первое коммерческое использование кремния было в форме ферросилиция.

По следам Генри Бессемера модернизация сталелитейной промышленности в середине 19-го века был большой интерес к стали металлургия и исследования в технологии производства стали. Ко времени первого промышленного производства ферросилиция в 1880-х годах значение кремния в улучшении тягучесть у свиньи утюг и раскисление стали было довольно хорошо понято.

Раннее производство ферросилиция осуществлялось в доменных печах путем восстановления кремнийсодержащих руд углем, что привело к получению серебристого чугуна, ферросилиция с содержанием кремния до 20 процентов.

Развитие электродуговых печей в начале 20-го века позволило не только увеличить производство стали, но и увеличить производство ферросилиция. В 1903 году была создана группа, специализирующаяся на производстве ферросплавов (Compagnie Generate d'Electrochimie). операции в Германии, Франции и Австрии, а в 1907 году первый коммерческий кремниевый завод в США был основана.

Сталеплавильное производство было не единственным приложением для соединений кремния, коммерциализированных до конца 19-го века. Для производства искусственных алмазов в 1890 году Эдвард Гудрич Ачесон нагревал силикат алюминия с порошкообразным коксом и случайно производил карбид кремния (SiC).

Три года спустя Ачесон запатентовал свой метод производства и основал компанию Carborundum (карборунд) это общее название карбида кремния в то время) с целью производства и продажи абразива товары.

К началу 20-го века были также реализованы проводящие свойства карбида кремния, и соединение использовалось в качестве детектора в ранних корабельных радиостанциях. Патент на кремниевые кристаллические детекторы был выдан Г.В. Пикарду в 1906 году.

В 1907 году был создан первый светодиод (LED), приложив напряжение к кристаллу карбида кремния. В течение 1930-х годов использование кремния росло с развитием новых химических продуктов, в том числе силанов и силиконов. Рост электроники за последнее столетие также был неразрывно связан с кремнием и его уникальными свойствами.

В то время как создание первых транзисторов - предшественников современных микросхем - в 1940-х годах опиралось на германийЭто произошло незадолго до того, как кремний вытеснил своего металлоидного кузена как более прочный полупроводниковый материал подложки. Bell Labs и Texas Instruments начали коммерческое производство кремниевых транзисторов в 1954 году.

Первые кремниевые интегральные схемы были сделаны в 1960-х годах, а к 1970-м были разработаны кремнийсодержащие процессоры. Учитывая, что полупроводниковые технологии на основе кремния составляют основу современной электроники и вычислительной техники, не должно быть сюрпризом, что мы называем центр деятельности для этой отрасли как «Силикон Долина «.

(Для подробного изучения истории и развития Силиконовой долины и технологии микрочипов я настоятельно рекомендую документальный фильм «Американский опыт» под названием «Силиконовая долина»). Вскоре после открытия первых транзисторов работа Bell Labs с кремнием привела к второму крупному прорыву в 1954 году: первому кремниевому фотоэлектрическому (солнечному) элементу.

До этого большинство считало невозможной мысль об использовании энергии солнца для создания энергии на земле. Но всего четыре года спустя, в 1958 году, первый спутник на кремниевых солнечных элементах вращался вокруг Земли.

К 1970-м годам коммерческие применения для солнечных технологий переросли в наземные применения, такие как питание освещения морских нефтяных платформ и железнодорожных переездов. За последние два десятилетия использование солнечной энергии выросло в геометрической прогрессии. Сегодня фотоэлектрические технологии на основе кремния составляют около 90 процентов мирового рынка солнечной энергии.

Большая часть рафинированного кремния каждый год - около 80 процентов - производится в виде ферросилиция для использования в железе и сталелитейный. Ферросилиций может содержать от 15 до 90 процентов кремния в зависимости от требований металлургического завода.

сплав железа и кремния производится с использованием погружной электродуговой печи путем восстановительной плавки. Богатая кремнеземом руда и источник углерода, такой как коксующийся уголь (металлургический уголь), измельчаются и загружаются в печь вместе с черным железом.

При температуре свыше 1900°С (3450°F) углерод вступает в реакцию с кислородом, присутствующим в руде, образуя угарный газ. Тем временем оставшиеся железо и кремний затем объединяются, чтобы получить расплавленный ферросилиций, который можно собирать, постукивая по основанию печи. После охлаждения и отверждения ферросилиций может быть отправлен и использован непосредственно в производстве чугуна и стали.

Тот же метод, без включения железа, используется для получения кремния металлургического качества с чистотой более 99%. Металлургический кремний также используется при выплавке стали, а также при производстве алюминиевых литейных сплавов и силановых химикатов.

Металлургический кремний классифицируется по уровням примеси железа, алюминийи кальций присутствует в сплаве. Например, 553 металлического кремния содержит менее 0,5 процента каждого железа и алюминия и менее 0,3 процента кальция.

Ежегодно в мире производится около 8 миллионов метрических тонн ферросилиция, причем на долю Китая приходится около 70 процентов этого общего объема. Крупные производители включают Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials и Elkem.

Ежегодно производится дополнительно 2,6 миллиона метрических тонн металлургического кремния - или около 20 процентов от общего количества очищенного металлического кремния. На Китай, опять же, приходится около 80 процентов этой продукции. Для многих неожиданностью является то, что солнечные и электронные сорта кремния составляют лишь небольшую часть (менее двух процентов) всего производства рафинированного кремния. Чтобы перейти на металлический кремний солнечного качества (поликремний), чистота должна увеличиться до 99,9999% (6N) чистого кремния. Это делается одним из трех методов, наиболее распространенным из которых является процесс Siemens.

Процесс Siemens включает химическое осаждение из паров летучего газа, известного как трихлорсилан. В 1150°С (2102°F) трихлорсилан продувают через кремниевую затравку высокой чистоты, установленную на конце стержня. Когда он проходит, кремний высокой чистоты из газа осаждается на затравку.

Реактор с псевдоожиженным слоем (FBR) и усовершенствованная кремниевая технология металлургического качества (UMG) также используются для повышения качества металла до поликремния, подходящего для фотоэлектрической промышленности. Двести тридцать тысяч тонн поликремния было произведено в 2013 году. Ведущие производители включают GCL Poly, Wacker-Chemie и OCI.

Наконец, чтобы сделать силикон для электроники пригодным для полупроводниковой промышленности и некоторых фотоэлектрических технологий, поликремний должен быть преобразован в сверхчистый монокристаллический кремний через Чохральский процесс. Для этого поликремний плавится в тигле в 1425 г.°С (2597°F) в инертной атмосфере. Установленный на стержне затравочный кристалл затем погружается в расплавленный металл и медленно вращается и удаляется, давая время для роста кремния на затравочном материале.

Полученный продукт представляет собой стержень (или були) из монокристаллического металлического кремния, чистота которого может достигать 99,9999999999 (11N) процентов. Этот стержень может быть легирован бором или фосфором по мере необходимости для настройки квантово-механических свойств по мере необходимости. Монокристаллический стержень может быть доставлен клиентам как есть, или нарезан на пластины и отполирован или текстурирован для конкретных пользователей.

Хотя каждый год рафинируется примерно десять миллионов метрических тонн ферросилиция и металлического кремния, большая часть кремния, используемого в коммерческих целях, фактически в виде кремниевых минералов, которые используются при производстве всего, от цемента, строительных растворов и керамики до стекла и полимеры.

Ферросилиций, как уже отмечалось, является наиболее часто используемой формой металлического кремния. С момента своего первого применения около 150 лет назад ферросилиций остается важным раскислителем в производстве углерода и нержавеющая сталь. На сегодняшний день выплавка стали остается крупнейшим потребителем ферросилиция.

Ферросилиций имеет ряд применений помимо производства стали, однако. Это предварительный сплав в производстве магний ферросилиций, нодулизатор, используемый для производства ковкого чугуна, а также во время процесса Пиджона для рафинирования магния высокой чистоты. Ферросилиций также может быть использован для производства тепла и коррозия стойкие сплавы железа с кремнием, а также кремнистая сталь, которая используется при изготовлении электродвигателей и трансформаторных сердечников.

Металлургический кремний может использоваться в сталеплавильном производстве, а также в качестве легирующего агента при литье алюминия. Алюминиево-кремниевые (Al-Si) автомобильные детали легки и прочнее, чем компоненты, отлитые из чистого алюминия. Автомобильные детали, такие как блоки двигателей и ободья шин, являются одними из наиболее распространенных алюминиево-кремниевых деталей.

Почти половина всего металлургического кремния используется химической промышленностью для производства коллоидного диоксида кремния ( загуститель и осушитель), силаны (связующий агент) и силикон (герметики, клеи и смазочные материалы). Фотоэлектрический поликремний в основном используется для изготовления солнечных элементов из поликремния. Для производства одного мегаватта солнечных модулей требуется около пяти тонн поликремния.

В настоящее время солнечная технология на основе поликремния составляет более половины всей солнечной энергии, производимой в мире, в то время как технология на основе монокремния составляет около 35 процентов. В целом, 90 процентов солнечной энергии, используемой людьми, собирается с помощью кремниевой технологии.

Монокристаллический кремний также является критически важным полупроводниковым материалом в современной электронике. В качестве материала подложки используется при производстве полевых транзисторов (полевых транзисторов), светодиодов и интегральных микросхем кремний можно найти практически на всех компьютерах, мобильных телефонах, планшетах, телевизорах, радиоприемниках и других современных средствах связи устройства. По оценкам, более трети всех электронных устройств содержат полупроводниковую технологию на основе кремния.

Наконец, твердый сплав карбида кремния используется в различных электронных и неэлектронных приложениях, включая синтетические ювелирные изделия, высокотемпературные полупроводники, твердая керамика, режущие инструменты, тормозные диски, абразивы, пуленепробиваемые жилеты и отопление элементы.

Краткая история легирования стали и производства ферросплавов.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Холапа, Лаури и Сеппо Лоухенкилпи.

О роли ферросплавов в сталеплавильном производстве. 9-13 июня 2013 г. Тринадцатый международный конгресс ферросплавов. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf