Металният силиций е сив, лъскав полупроводников метал, който се използва за производството на стомана, слънчеви клетки и микрочипове. Силицият е вторият най-разпространен елемент в земната кора (след само кислорода) и осмият най-разпространен във Вселената. Почти 30 процента от теглото на земната кора може да се припише на силиций.
Този елемент с атомен номер 14 се среща естествено в силикатни минерали като силициев диоксид, фелдшпат и слюда, които са основните компоненти на обикновени скали като кварц и пясъчник. Силицият, полуметал (или металоид), има някои свойства както на метали, така и на неметали.
Подобно на водата, но за разлика от повечето метали, силицийът се свива в течно състояние и се разширява, когато се втвърди. Има относително високи точки на топене и кипене и когато кристализира, образува диамантена кубична кристална структура. Атомната структура на силиция, която включва четири валентни електрона, които позволяват на силиция лесно да се свързва с други елементи, е от решаващо значение за функцията му като полупроводник и използването му в електрониката.
Имоти
Атомен символ: Да
Атомен номер: 14
Категория на елемента: Металоид
Плътност: 2,329g/cm3
Точка на топене: 2577 градуса F (1414 градуса)
Точка на кипене: 5909 градуса F (3265 градуса)
Твърдост на Moh: 7
производство
По-голямата част от силиция, който се рафинира всяка година, около 80 процента, се произвежда като феросилиций за използване в производството на желязо и стомана. Феросилицийът може да съдържа между 15 и 90 процента силиций, в зависимост от нуждите на леярната.
Сплавта желязо-силиций се произвежда в потопена електродъгова пещ чрез редукционно топене. Богатата на силициев диоксид руда и източник на въглерод като коксуващи се въглища (металургични въглища) се раздробяват и зареждат в пещта заедно със скрап.
При температури над 1900 градуса (3450 градуса F), въглеродът реагира с кислорода, присъстващ в минерала, образувайки газ въглероден оксид. Останалите желязо и силиций междувременно се комбинират, за да образуват разтопен феросилиций, който може да бъде събран чрез потупване по дъното на пещта. След като се охлади и втвърди, феросилицийът може да бъде транспортиран и използван директно в производството на желязо и стомана.
Същият метод, без желязото, се използва за производство на силиций от металургичен клас с чистота над 99 процента. Металургичният силиций се използва и при леене на стомана, както и в производството на ляти алуминиеви сплави и силанови химикали.
Металургичният силиций се класифицира според нивата на примеси на желязо, алуминий и калций, присъстващи в сплавта. Например метален силиций 553 съдържа по-малко от 0,5 процента от всеки от металите, желязо и алуминий, и по-малко от 0,3 процента калций.
Всяка година в света се произвеждат около 8 милиона тона феросилиций, като Китай представлява около 70 процента от това общо количество. Основните производители включват Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials и Elkem.
Годишно се произвеждат още 2,6 милиона тона металургичен силиций, което е около 20 процента от общия рафиниран метален силиций. Китай, отново, представлява около 80 процента от това производство. Изненада за мнозина е, че слънчевият и електронният силиций представляват само малко количество (по-малко от два процента) от цялото производство на рафиниран силиций. За да преминете към метален силиций от слънчев клас (полисилиций), чистотата трябва да се увеличи до повече от 99,9999 процента (6N) чист силиций. Това се прави по един от трите метода, като най-разпространеният е процесът на Siemens.
Процесът на Siemens включва химическо отлагане на пари на летлив газ, известен като трихлорсилан. Трихлорсиланът се издухва при 1150 градуса (2102 градуса F) върху силициево семе с висока чистота, монтирано на края на пръта. Докато преминава над него, високочистият силиций в газа се отлага върху семето.
Реактор с кипящ слой (FBR) и силициева технология с подобрен металургичен клас (UMG) също се използват за надграждане на метала в полисилиций, подходящ за фотоволтаичната индустрия. През 2013 г. са произведени 230000 тона полисилиций. Основните производители са GCL Poly, Wacker-Chemie и OCI.
И накрая, за да може силицийът от електронен клас да бъде подходящ за използване в полупроводниковата индустрия и някои фотоволтаични технологии, полисилицийът трябва да бъде преобразуван в ултрачист монокристален силиций чрез процеса на Чохралски. За да направите това, полисилицийът се разтопява в тигел при 1425 градуса (2597 градуса F) в инертна атмосфера. Зародишен кристал, монтиран на прът, след това се потапя в разтопения метал и бавно се завърта и отстранява, като се оставя време на силиция да расте в зародишния материал.
Полученият продукт е пръчка (или буле) от монокристален силициев метал, който може да достигне 99,999999999 (11N) процента чистота. Тази пръчка може да бъде легирана с бор или фосфор, ако е необходимо, за да се модифицират квантово-механичните свойства. Монокристалната пръчка може да бъде изпратена до клиентите такава, каквато е, или нарязана на вафли и полирана или текстурирана за конкретни потребители.
Приложения
Въпреки че около десет милиона метрични тона феросилиций и силициев метал се рафинират всяка година, по-голямата част от силиция, използван в търговската мрежа, е под формата на силициеви руди, които се използват в производството на всичко - от цимент, хоросан и керамика до стъкло и полимери.
Феросилиций, както беше отбелязано, е най-широко използваната форма на метален силиций. Откакто е използван за първи път преди около 150 години, феросилицийът остава важен дезоксидиращ агент в производството на въглеродна и неръждаема стомана. Днес леенето на стомана остава най-големият потребител на феросилиций.
Феросилицийът обаче има и други приложения освен производството на стомана. Това е предварителна сплав при производството на магнезиев феросилиций, пелетизатор, използван за производство на сферографитен чугун, както и по време на процеса Pidgeon за рафиниране на магнезий с висока чистота. Феросилиций може също да се използва за производство на устойчиви на топлина и корозия железни силициеви сплави, както и силициева стомана, която се използва в производството на електрически двигатели и сърцевини на трансформатори.
Металургичният силиций може да се използва в стоманодобивната промишленост и като легиращ агент в леярството на алуминий. Алуминиево-силициевите (Al-Si) авточасти са по-леки и по-здрави от чистите алуминиеви отливки. Авточасти като блокове на двигатели и джанти са едни от най-разпространените алуминиево-силициеви части.
Почти половината от металургичния силиций се използва в химическата промишленост за производство на пирогенен силициев диоксид (сгъстяващ и изсушаващ агент), силани (свързващ агент) и силикон (уплътнители, лепила и лубриканти). Фотоволтаичният полисилиций се използва предимно в производството на полисилициеви слънчеви клетки. Около пет тона полисилиций са необходими за производството на един мегават слънчеви модули.
Понастоящем полисилициевата соларна технология представлява повече от половината от слънчевата енергия, произведена в света, докато моносилициевата технология допринася за около 35 процента. Общо 90 процента от слънчевата енергия, използвана от хората, се събира чрез базирана на силиций технология.
Монокристалният силиций също е основен полупроводников материал в съвременната електроника. Като субстратен материал, използван при производството на полеви транзистори (FET), светодиоди и интегрални схеми, силицийът се намира в почти всички съвременни компютри, мобилни телефони, таблети, телевизори, радиостанции и други комуникационни устройства. Изчислено е, че повече от една трета от всички електронни устройства съдържат полупроводникова технология на базата на силиций.
И накрая, твърдата сплав на силициевия карбид се използва в голямо разнообразие от електронни и неелектронни приложения, като синтетични бижута, високотемпературни полупроводници, твърда керамика, режещи инструменти, спирачни дискове, абразиви и др. Бронежилетки и нагревателни елементи.
