Vlastnosti a použití křemíkového kovu

Křemíkový kov je šedý a lesklý polovodivý kov, který se používá k výrobě oceli, solárních článků a mikročipů. Křemík je druhým nejhojnějším prvkem zemské kůry (za kyslíkem) a osmým nejběžnějším prvkem ve vesmíru. Téměř 30 procent hmotnosti zemské kůry lze připsat křemíku.

Prvek s atomovým číslem 14 se přirozeně vyskytuje v silikátových minerálech, včetně siliky, živce a slídy, což jsou hlavní složky běžných hornin, jako je křemen a pískovec. Polokov (nebo metaloid), křemík má některé vlastnosti jak kovů, tak nekovů.

Jako voda - ale na rozdíl od většiny kovů - křemík se v tekutém stavu stahuje a při tuhnutí se rozpíná. Má relativně vysoké teploty tání a teploty varu, a když krystalizuje, vytvoří diamantovou krychlovou strukturu. Pro roli křemíku jako polovodiče a jeho použití v elektronice je rozhodující atomový prvek struktura, která zahrnuje čtyři valenční elektrony, které umožňují křemíku navázat se s jinými prvky snadno.

• Atomový symbol: Si
• Atomové číslo: 14
• Kategorie prvku: Metalloid
• Hustota: 2,329 g / cm3
• Bod tání: 1477 ° C
• Bod varu: 5909 ° F (3265 ° C)
• Mohova tvrdost: 7

Švédský chemik Jons Jacob Berzerlius je připočítán s prvním izolačním křemíkem v 1823. Berzerlius toho dosáhl zahříváním kovového draslíku (který byl izolován teprve o deset let dříve) v kelímku spolu s fluorokřemičitanem draselným. Výsledkem byl amorfní křemík.

Výroba krystalického křemíku však vyžadovala více času. Elektrolytický vzorek krystalického křemíku by nebyl vyroben další tři desetiletí. První komerční použití křemíku bylo ve formě ferosilicia.

Následovat Henryho Bessemera modernizace ocelářského průmyslu v polovině 19. století byl velký zájem o ocel metalurgie a výzkum v ocelářských technikách. V době první průmyslové výroby ferosilicia v 80. letech 20. století se význam křemíku zlepšoval kujnost vepř žehlička a deoxidující ocel byla docela dobře pochopena.

Včasná výroba ferosilicia byla prováděna ve vysokých pecích redukcí rud obsahujících křemík uhlí aktivním uhlím, což mělo za následek stříbřité surové železo, ferrosilikon s až 20 procenty obsahu křemíku.

Vývoj elektrických obloukových pecí na počátku 20. století umožnil nejen větší výrobu oceli, ale také větší výrobu ferosilicia. V roce 1903 začala skupina specializující se na výrobu feroslitiny (Compagnie Generate d'Electrochimie) operace v Německu, Francii a Rakousku a v roce 1907 první komerční křemíková továrna v USA byla Založený.

Výroba oceli nebyla jedinou aplikací sloučenin křemíku komercializovaných před koncem 19. století. Pro výrobu umělých diamantů v roce 1890 Edward Goodrich Acheson zahříval křemičitan hlinitý práškovým koksem a náhodně vyráběl karbid křemíku (SiC).

O tři roky později Acheson patentoval svou výrobní metodu a založil Carborundum Company (carborundum) (v té době obecný název pro karbid křemíku)) za účelem výroby a prodeje brusiva produkty.

Počátkem 20. století byly také realizovány vodivé vlastnosti karbidu křemíku a sloučenina byla použita jako detektor v časných rádiích. V roce 1906 byl GW Pickard udělen patent na detektory křemíkových krystalů.

V roce 1907 byla první dioda emitující světlo (LED) vytvořena použitím napětí na krystalu karbidu křemíku. Během třicátých let 20. století rostlo používání křemíku s vývojem nových chemických produktů, včetně silanů a silikonů. Růst elektroniky za poslední století byl také neoddělitelně spjat s křemíkem a jeho jedinečnými vlastnostmi.

Při vytváření prvních tranzistorů - předchůdců moderních mikročipů - se ve 40. letech 20. století spoléhalo germanium, to nebylo dlouho předtím, než křemík nahradil jeho metaloidní bratranec jako trvanlivější substrátový polovodičový materiál. Bell Labs a Texas Instruments začali komerčně vyrábět tranzistory na bázi křemíku v roce 1954.

První křemíkové integrované obvody byly vyrobeny v 60. letech a v 70. letech byly vyvinuty procesory obsahující křemík. Vzhledem k tomu, že polovodičová technologie na bázi křemíku tvoří páteř moderní elektroniky a počítačů, nemělo by být žádným překvapením, že odkazujeme na centrum činnosti tohoto odvětví jako „křemík“ Údolí.'

(Pro detailní pohled na historii a vývoj technologie Silicon Valley a technologie mikročipů vřele doporučuji dokument American Experience nazvaný Silicon Valley). Krátce po odhalení prvních tranzistorů vedla práce Bell Labs se křemíkem v roce 1954 k druhému významnému průlomu: První křemíkový fotovoltaický (solární) článek.

Před tím byla většina myšlenek na využití energie ze slunce k vytvoření síly na Zemi považována za nemožnou. Ale jen o čtyři roky později, v roce 1958, obíhal kolem Země první satelit poháněný křemíkovými solárními články.

V 70. letech se komerční aplikace pro solární technologie rozrostly na pozemní aplikace, jako je napájení osvětlení na ropných plošinách na moři a železniční přejezdy. V posledních dvou desetiletích se využívání sluneční energie exponenciálně rozrostlo. V současné době představují fotovoltaické technologie na bázi křemíku asi 90 procent celosvětového trhu se solární energií.

Většina rafinovaného křemíku každý rok - asi 80 procent - se vyrábí jako ferosilikon pro použití v železo a železo výroba oceli. Ferrosilikon může obsahovat kdekoli mezi 15 a 90 procenty křemíku v závislosti na požadavcích tavírny.

slitina železo a křemík se vyrábí pomocí ponořené elektrické obloukové pece redukční tavbou. Ruda bohatá na oxid křemičitý a zdroj uhlíku, jako je koksovatelné uhlí (hutní uhlí), se rozdrtí a naloží do pece spolu se železným šrotem.

Při teplotách nad 1900°C (3450)°F) uhlík reaguje s kyslíkem přítomným v rudě a vytváří oxid uhelnatý. Zbývající železo a křemík se mezitím spojí a vytvoří roztavený ferosilikon, který lze shromáždit poklepáním na dno pece. Po ochlazení a ztvrdnutí může být ferosilikon přepravován a použit přímo ve výrobě železa a oceli.

Stejná metoda, bez zahrnutí železa, se používá k výrobě křemíku metalurgické kvality, který má čistotu vyšší než 99 procent. Hutní křemík se také používá při tavení oceli a při výrobě slitin hliníku a chemikálií ze silanů.

Hutní křemík je klasifikován podle úrovní nečistot železa, hliníka vápník přítomný ve slitině. Například 553 křemíkového kovu obsahuje méně než 0,5 procenta každého železa a hliníku a méně než 0,3 procenta vápníku.

Každý rok se celosvětově vyprodukuje asi 8 milionů metrických tun ferosilicia, přičemž Čína tvoří asi 70 procent z tohoto celkového množství. Mezi velké výrobce patří společnost Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, materiály OM Group a Elkem.

Ročně se vyprodukuje dalších 2,6 milionu metrických tun hutního křemíku - nebo asi 20 procent z celkového rafinovaného křemíku. Čína opět představuje asi 80 procent tohoto výstupu. Překvapení pro mnohé je, že solární a elektronické stupně křemíku představují jen malé množství (méně než dvě procenta) veškeré rafinované výroby křemíku. Chcete-li upgradovat na silikonový kov (polysilikon) sluneční třídy, musí se čistota zvýšit na 99,9999% (6N) čistého křemíku. To se provádí jednou ze tří metod, z nichž nejběžnější je proces Siemens.

Proces Siemens zahrnuje chemickou depozici těkavých plynů známou jako trichlorsilan. V 1150°C (2102)°F) trichlorsilan je foukán přes vysoce čisté křemíkové semeno namontované na konci tyče. Při průchodu se na semeno ukládá křemík s vysokou čistotou z plynu.

Reaktor s fluidním ložem (FBR) a křemíková technologie s vylepšenou metalurgickou třídou (UMG) se také používají ke zlepšení kovového na polysilikon vhodný pro fotovoltaický průmysl. V roce 2013 bylo vyrobeno dvě stě třicet tisíc metrických tun polysilikonu. Mezi přední výrobce patří GCL Poly, Wacker-Chemie a OCI.

A konečně, aby byl křemík pro elektroniku vhodný pro polovodičový průmysl a jistý fotovoltaické technologie, musí být polysilikon přeměněn na ultra čistý monokrystalický křemík Czochralského proces. Za tímto účelem se polysilicon roztaví v kelímku při 1425°C (2597)°F) v inertní atmosféře. Semenný krystal na tyčích se potom ponoří do roztaveného kovu a pomalu se otáčí a odstraní, čímž se poskytne křemíku čas na materiálu semen.

Výsledným produktem je tyč (nebo koule) z monokrystalového křemíkového kovu, který může mít čistotu až 99,999999999 (11 N) procent. Tato tyč může být dotována bórem nebo fosforem podle potřeby pro vyladění kvantových mechanických vlastností podle potřeby. Monokrystalický prut může být dodáván klientům tak, jak jsou, nebo krájen na oplatky a leštěn nebo strukturován pro konkrétní uživatele.

Přestože se každý rok rafinuje zhruba deset milionů tun ferosilicia a kovového křemíku, většina komerčně využívaného křemíku je vlastně ve formě křemíkových minerálů, které se používají při výrobě všeho od cementu, malty a keramiky až po sklo a polymery.

Ferrosilicon, jak je uvedeno, je nejčastěji používanou formou kovového křemíku. Od svého prvního použití před 150 lety zůstal ferosilikon důležitým deoxidačním činidlem při výrobě uhlíku a uhlíku nerezová ocel. Tavení oceli zůstává v současnosti největším spotřebitelem ferosilicia.

Ferrosilikon má však řadu využití nad rámec výroby oceli. Je to pre-slitina ve výrobě hořčík ferrosilikon, nodulizér používaný k výrobě tvárné litiny, jakož i během procesu Pidgeon pro rafinaci vysoce čistého hořčíku. Ferrosilikon lze také použít k výrobě tepla a koroze odolné slitiny křemíku ze železa a silikonová ocel, která se používá při výrobě elektromotorů a transformátorových jader.

Hutní křemík lze použít při výrobě oceli i jako legující činidlo při odlévání hliníku. Hliníkovo-křemíkové (Al-Si) automobilové díly jsou lehké a pevnější než součásti odlité z čistého hliníku. Automobilové díly, jako jsou bloky motoru a ráfky pneumatik, jsou některé z nejčastěji litých hliníkových křemíkových dílů.

Téměř polovina veškerého metalurgického křemíku se v chemickém průmyslu používá k výrobě pyrogenního oxidu křemičitého (a zahušťovadlo a sušidlo), silany (spojovací činidlo) a silikon (tmely, lepidla a maziva). Fotovoltaický polysilikon je primárně používán při výrobě polysilikonových solárních článků. K výrobě jednoho megawattu solárních modulů je zapotřebí asi pět tun polysilikonu.

V současné době představuje polykrystalická solární technologie více než polovinu sluneční energie vyráběné po celém světě, zatímco monosilikonová technologie přispívá přibližně 35 procenty. Celkově je 90 procent sluneční energie používané lidmi shromažďováno technologií na bázi křemíku.

Monokrystalický křemík je také kritickým polovodičovým materiálem v moderní elektronice. Jako substrátový materiál používaný při výrobě tranzistorů s efektem pole (FET), LED a integrovaných obvodů, křemík najdete prakticky ve všech počítačích, mobilních telefonech, tabletech, televizích, rádiích a další moderní komunikaci zařízení. Odhaduje se, že více než třetina všech elektronických zařízení obsahuje polovodičovou technologii na bázi křemíku.

Nakonec se karbid křemíku z tvrdé slitiny používá v různých elektronických a neelektronických aplikacích, včetně syntetických šperky, vysokoteplotní polovodiče, tvrdá keramika, řezné nástroje, brzdové kotouče, brusiva, neprůstřelné vesty a topení Prvky.

Stručná historie legování oceli a výroby slitin železa.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri a Seppo Louhenkilpi.

Na roli feroslitin ve výrobě oceli. 9. - 13. června 2013. Třináctý mezinárodní kongres o feroslitinách. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf