Egenskapene og bruken av silisiummetall

Silisiummetall er et grått og skinnende halvledende metall som brukes til å produsere stål, solceller og mikrobrikker. Silisium er det nest mest tallrike elementet i jordskorpen (bak bare oksygen) og det åttende vanligste elementet i universet. Nesten 30 prosent av vekten av jordskorpen kan tilskrives silisium.

Elementet med atomnummer 14 forekommer naturlig i silikatmineraler, inkludert silika, feltspat og glimmer, som er hovedkomponenter i vanlige bergarter som kvarts og sandstein. Et halvmetall (eller metalloid), silisium har noen egenskaper til både metaller og ikke-metaller.

Som vann - men i motsetning til de fleste metaller - trekker silisium seg i flytende tilstand og ekspanderer etter hvert som det stivner. Den har relativt høye smelte- og kokepunkter, og når krystallisert danner en kubikk av diamantkrystall. Elementet er atomistisk, kritisk for silisiums rolle som halvleder og bruken av det i elektronikk struktur, som inkluderer fire valenselektroner som gjør at silisium kan binde seg til andre elementer lett.

• Atomisk symbol: Si
• Atomnummer: 14
• Elementkategori: Metalloid
• Tetthet: 2,329 g / cm3
• Smeltepunkt: 1414 ° C
• Kokepunkt: 3265 ° C
• Moh's Hardness: 7

Den svenske kjemikeren Jons Jacob Berzerlius er kreditert med den første isolerende silisium i 1823. Berzerlius oppnådde dette ved å varme opp metallisk kalium (som bare hadde blitt isolert et tiår tidligere) i en digel sammen med kaliumfluorosilikat. Resultatet var amorf silisium.

Å lage krystallinsk silisium krevde imidlertid mer tid. En elektrolytisk prøve av krystallinsk silisium ville ikke bli laget på ytterligere tre tiår. Den første kommersialiserte bruken av silisium var i form av ferrosilisium.

Etter Henry Bessemers modernisering av stålindustrien på midten av 1800-tallet var det stor interesse for stål metallurgi og forskning innen stålproduksjonsteknikker. Innen den første industrielle produksjonen av ferrosilisium på 1880-tallet, ble betydningen av silisium forbedret duktilitet hos gris jern og avoksydiserende stål var ganske godt forstått.

Tidlig produksjon av ferrosilisium ble gjort i masovner ved å redusere silisiumholdige malmer med trekull, noe som resulterte i sølvfarget svinejern, et ferrosilisium med opptil 20 prosent silisiuminnhold.

Utviklingen av elektriske lysbueovner på begynnelsen av 1900-tallet tillot ikke bare større stålproduksjon, men også mer ferrosilisiumproduksjon. I 1903 startet en gruppe som spesialiserte seg i å lage ferrolegeringen (Compagnie Generate d'Electrochimie) virksomhet i Tyskland, Frankrike og Østerrike, og i 1907 var det første kommersielle silisiumanlegget i USA grunnlagt.

Stålproduksjon var ikke den eneste bruken av silisiumforbindelser som ble kommersialisert før slutten av 1800-tallet. For å produsere kunstige diamanter i 1890 oppvarmet Edward Goodrich Acheson aluminiumsilikat med pulverisert koks og forresten produsert silisiumkarbid (SiC).

Tre år senere hadde Acheson patentert sin produksjonsmetode og grunnlagt Carborundum Company (carborundum å være det vanlige navnet på silisiumkarbid på den tiden) med det formål å lage og selge slipemiddel Produkter.

Ved begynnelsen av 1900-tallet hadde silisiumkarbids ledende egenskaper også blitt realisert, og forbindelsen ble brukt som en detektor i tidlige skipsradioer. Et patent på silisiumkrystalldetektorer ble gitt til GW Pickard i 1906.

I 1907 ble den første lysemitterende dioden (LED) opprettet ved å bruke spenning til en silisiumkarbidkrystall. Gjennom 1930-tallet vokste silisiumbruken med utvikling av nye kjemiske produkter, inkludert silaner og silikoner. Veksten av elektronikk det siste århundret har også vært uløselig knyttet til silisium og dens unike egenskaper.

Mens opprettelsen av de første transistorene - forløperne til moderne mikrobrikker - på 1940-tallet var avhengige av germanium, det gikk ikke lang tid før silisium erstattet sin metalloid fetter som et mer holdbart underlags halvledermateriale. Bell Labs og Texas Instruments begynte kommersielt å produsere silisiumbaserte transistorer i 1954.

De første silisiumintegrerte kretsene ble laget på 1960-tallet, og på 1970-tallet var det utviklet silisiumholdige prosessorer. Gitt at silisiumbasert halvlederteknologi danner ryggraden i moderne elektronikk og beregning, bør det ikke være noen overraskelse at vi refererer til navet i aktiviteten for denne industrien som 'Silicon Dal.'

(For en detaljert titt på historien og utviklingen av Silicon Valley og mikrochip-teknologi, anbefaler jeg American Experience-dokumentaren Silicon Valley). Ikke lenge etter at de første transistorene ble avduket, førte Bell Labs 'arbeid med silisium til et annet stort gjennombrudd i 1954: Den første solcelle-fotovoltaiske (solcelle) cellen.

Før dette ble tankene om å utnytte energi fra solen for å skape kraft på jorden antatt umulig av de fleste. Men bare fire år senere, i 1958, gikk den første satellitten drevet av silisiumsolceller i bane rundt jorden.

Ved 1970-tallet hadde kommersielle applikasjoner for solteknologier vokst til bakkenettlige applikasjoner som for eksempel belysning på offshore oljerigger og jernbaneoverganger. I løpet av de siste to tiårene har bruken av solenergi vokst eksponentielt. I dag utgjør silisiumbaserte fotovoltaiske teknologier rundt 90 prosent av det globale solenergimarkedet.

Flertallet av silisiumraffinert hvert år - omtrent 80 prosent - produseres som ferrosilisium for bruk i jern og stållaging. Ferrosilisium kan inneholde hvor som helst mellom 15 og 90 prosent silisium avhengig av smelteverkets krav.

De legering av jern og silisium produseres ved hjelp av en nedsenket elektrisk lysbueovn via reduksjonssmelting. Silisiumrik malm og en karbonkilde som kokskull (metallurgisk kull) blir knust og lastet i ovnen sammen med skrapjern.

Ved temperaturer over 1900°C (3450)°F), reagerer karbon med oksygenet som er tilstede i malmen, og danner karbonmonoksydgass. Det resterende jern og silisium kombineres i mellomtiden for å lage smeltet ferrosilisium, som kan samles ved å tappe på ovnens base. Når den er avkjølt og herdet, kan ferrosilisiumet deretter sendes og brukes direkte i jern- og stålproduksjon.

Den samme metoden, uten inkludering av jern, brukes til å produsere metallurgisk silisium som er større enn 99 prosent rent. Metallurgisk silisium brukes også i stålsmelting, samt fremstilling av støpte legeringer og silankjemikalier i aluminium.

Metallurgisk silisium er klassifisert av urenhetene i jern, aluminium, og kalsium til stede i legeringen. For eksempel inneholder 553 silisiummetall mindre enn 0,5 prosent av hvert jern og aluminium, og mindre enn 0,3 prosent kalsium.

Cirka 8 millioner tonn ferrosilisium produseres hvert år globalt, og Kina står for rundt 70 prosent av dette totalt. Store produsenter inkluderer Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials og Elkem.

Ytterligere 2,6 millioner tonn metallurgisk silisium - eller omtrent 20 prosent av totalt raffinert silisiummetall - produseres årlig. Kina står igjen for rundt 80 prosent av denne produksjonen. En overraskelse for mange er at sol- og elektroniske silisiumkvaliteter utgjør bare en liten mengde (mindre enn to prosent) av all raffinert silisiumproduksjon. For å oppgradere til sol-silisiummetall (polysilisium), må renheten øke til oppover 99.9999% (6N) rent silisium. Det gjøres via en av tre metoder, den vanligste er Siemens-prosessen.

Siemens-prosessen innebærer kjemisk dampavsetning av en flyktig gass kjent som triklorsilan. Kl. 1150°C (2102)°F) triklorsilan blåses over et silikonfrø med høy renhet montert på enden av en stang. Når det passerer, blir silisium med høy renhet avsatt på frøet.

Fluid bed-reaktor (FBR) og oppgradert metallurgisk silisiumteknologi (UMG) brukes også for å forbedre metallet til polysilisium som er egnet for den solcelleanlegg. To hundre tretti tusen tonn polysilisium ble produsert i 2013. Ledende produsenter inkluderer GCL Poly, Wacker-Chemie og OCI.

Til slutt, for å gjøre elektronikk-silisium egnet for halvlederindustrien og visse fotovoltaiske teknologier, må polysilisium konverteres til ultra-ren monokrystall silisium via Czochralski-prosess. For å gjøre dette blir polysilisiumet smeltet i en digel ved 1425°C (2597)°F) i en inert atmosfære. En stangmontert frøkrystall dyppes deretter i det smeltede metallet og roteres sakte og fjernes, noe som gir tid for silisiumet å vokse på såmaterialet.

Det resulterende produktet er en stang (eller boule) av silikonmetall med en enkelt krystall som kan være så høyt som 99,999999999 (11N) prosent rent. Denne stangen kan doperes med bor eller fosfor etter behov for å finjustere kvantemekaniske egenskaper etter behov. Monokrystallstangen kan sendes til klienter som den er, eller skiver i skiver og poleres eller tekstureres for spesifikke brukere.

Mens omtrent ti millioner tonn ferrosilisium og silisiummetall foredles hvert år, er flertallet av silisium som brukes kommersielt faktisk i form av silisiummineraler, som brukes til fremstilling av alt fra sement, mørtel og keramikk, til glass og polymerer.

Ferrosilisium er som nevnt den mest brukte formen for metallisk silisium. Siden den ble brukt for rundt 150 år siden, har ferrosilisium forblitt et viktig deoksideringsmiddel i produksjonen av karbon og rustfritt stål. I dag er stålsmelting fortsatt den største forbrukeren av ferrosilisium.

Ferrosilicon har imidlertid en rekke bruksområder utover stålproduksjon. Det er en forlegering i produksjonen av magnesium ferrosilisium, en nodulisator som brukes til å produsere duktilt jern, samt under Pidgeon-prosessen for raffinering av magnesium med høy renhet. Ferrosilisium kan også brukes til å lage varme og korrosjon resistente jernholdige silisiumlegeringer samt silisiumstål, som brukes til fremstilling av elektromotorer og transformatorkjerner.

Metallurgisk silisium kan brukes i stålproduksjon samt et legeringsmiddel i aluminiumstøping. Bildeler av aluminium-silisium (Al-Si) er lette og sterkere enn komponenter støpt av rent aluminium. Bildeler som motorblokker og dekkfelger er noen av de mest vanlige støpte aluminiumsilisiumdelene.

Nesten halvparten av all metallurgisk silisium brukes av den kjemiske industrien til å lage røk silika (a fortykningsmiddel og tørkemiddel, silaner (et koblingsmiddel) og silikon (fugemasse, lim, og smøremidler). Polysilisium av fotovoltaisk kvalitet brukes først og fremst til fremstilling av solceller av polysilisium. Cirka fem tonn polysilisium er nødvendig for å lage en megawatt solcellemoduler.

For tiden utgjør polysilisium solteknologi mer enn halvparten av solenergien som produseres globalt, mens monosilisiumteknologi bidrar med omtrent 35 prosent. Totalt samles 90 prosent av solenergien som brukes av mennesker ved hjelp av silisiumbasert teknologi.

Monocrystal silisium er også et kritisk halvledermateriale som finnes i moderne elektronikk. Som underlagsmateriale brukt i produksjon av felteffekttransistorer (FET), LED og integrerte kretsløp, silisium finnes i praktisk talt alle datamaskiner, mobiltelefoner, nettbrett, TV-apparater, radioer og annen moderne kommunikasjon enheter. Det anslås at mer enn en tredel av alle elektroniske enheter inneholder silisiumbasert halvlederteknologi.

Til slutt brukes hardlegert silisiumkarbid i en rekke elektroniske og ikke-elektroniske applikasjoner, inkludert syntetiske smykker, høytemperatur halvledere, hard keramikk, skjæreverktøy, bremseskiver, slipemidler, skuddsikre vester og oppvarming elementer.

En kort historie om stållegering og ferrolegeringsproduksjon.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri og Seppo Louhenkilpi.

På rollen til ferrolegeringer i steelmaking. 9. til 13. juni 2013. Den trettende internasjonale ferrolegeringskongressen. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf