Kim loại Thông tin: Silicon a Metal

Kim loại silic là kim loại bán dẫn màu xám và lốm đốm được sử dụng để sản xuất thép, pin mặt trời và vi mạch.

Silicon là nguyên tố dồi dào thứ hai trong lớp vỏ trái đất (chỉ sau oxy) và là phần tử phổ biến thứ tám trong vũ trụ. Trong thực tế, gần 30 phần trăm trọng lượng vỏ trái đất có thể được quy cho silic.

Nguyên tố có số nguyên tử 14 tự nhiên có trong các khoáng chất silicat, bao gồm silica, fenspat và mica, những thành phần chủ yếu của các loại đá phổ biến như thạch anh và sa thạch.

Một kim loại bán kim loại (hoặc kim loại), silicon có một số tính chất của kim loại và phi kim loại.

Giống như nước - nhưng khác với hầu hết các hợp kim silicon - trong trạng thái lỏng và mở rộng khi nó đông lại. Nó có điểm nóng chảy và nóng chảy tương đối cao, và khi kết tinh thành một cấu trúc tinh thể kim cương.

Sự quan trọng của vai trò silic đối với chất bán dẫn và việc sử dụng nó trong các thiết bị điện tử là cấu trúc nguyên tử của nguyên tố, bao gồm bốn điện tử hóa trị, cho phép silic liên kết với các nguyên tố khác dễ dàng.

Tài sản:

Tên nguyên tử: Si

• Số nguyên tử: 14
• Loại nguyên tố: Metalloid
• Mật độ: 2. 329g / cm3
• Điểm nóng chảy: 2577 ° F (1414 ° C)
• Điểm sôi: 5909 ° F (3265 ° C)
• Độ cứng của Moh: 7
• Nhà khoa học người Thu Swedish Điển Jons Jacob Berzerlius được cho là có silic đầu tiên cách ly vào năm 1823. Berzerlius đã thực hiện được điều này bằng cách làm nóng kali kim loại (chỉ mới cách ly một thập kỉ trước đó) trong một nồi nấu dọc theo với kali fluorosilicate.

Kết quả là silic vô định hình.

Làm silic tinh thể, tuy nhiên, đòi hỏi nhiều thời gian hơn. Một mẫu điện phân silicon tinh thể sẽ không được tạo ra trong ba thập kỷ nữa.

Việc sử dụng silicon đầu tiên được sử dụng thương mại là ở dạng ferrosilicon.

Sau khi Henry Bessemer hiện đại hóa ngành công nghiệp chế tạo thép vào giữa thế kỷ 19, đã có rất nhiều sự quan tâm đến luyện kim thép và nghiên cứu kỹ thuật sản xuất thép.

Đến thời điểm sản xuất ferrosilicon đầu tiên trong thập kỷ 1880, tầm quan trọng của silicon trong việc cải thiện tính dẻo dai của sắt lợn và thép khử oxy đã được hiểu khá rõ.

Sản xuất ferrosilicon ban đầu được thực hiện trong các lò cao bằng cách giảm các quặng có chứa silic bằng than, dẫn đến sắt lợn bạc, một ferrosilicon với hàm lượng silicon lên tới 20%.

Sự phát triển của lò hồ quang điện vào đầu thế kỷ 20 không chỉ cho phép sản xuất thép lớn hơn mà còn sản xuất ferrosilicon nhiều hơn nữa. Năm 1903, một nhóm chuyên sản xuất hợp kim ferro (Compagnie Generate d'Electrochimie) đã bắt đầu hoạt động ở Đức, Pháp và Áo, và năm 1907, nhà máy silic thương mại đầu tiên ở Mỹ được thành lập.

Thép không phải là ứng dụng duy nhất cho các hợp chất silic được thương mại hóa trước cuối thế kỷ 19.

Để sản xuất kim cương nhân tạo vào năm 1890, Edward Goodrich Acheson nhôm nhôm silicat với than cốc bột và các sản phẩm silicon carbide (SiC). Ba năm sau Acheson đã sáng chế phương pháp sản xuất của mình và thành lập Công ty Carborundum (carborundum là tên phổ biến cho cacbua silicon vào thời điểm đó) nhằm mục đích chế tạo và bán các sản phẩm mài mòn.

Đến đầu thế kỷ 20, các đặc tính dẫn điện của silicon carbide cũng đã được nhận ra, và hợp chất này được sử dụng như là một máy dò trong radio tàu sớm. Năm 1907, đèn LED phát ra đầu tiên được tạo ra bằng cách áp dụng điện áp cho một tinh thể silicon carbide.

Thông qua việc sử dụng silic thập niên 1930 tăng lên cùng với việc phát triển các sản phẩm hóa học mới, bao gồm silan và silicon.

Sự phát triển của các thiết bị điện tử trong thế kỷ vừa qua cũng gắn liền với silic và đặc tính độc đáo của nó.

Trong khi việc tạo ra các bóng bán dẫn đầu tiên - tiền thân của các vi mạch hiện đại - vào những năm 1940 dựa vào gecmani, không lâu trước khi silicon thay thế anh em metalloid như một chất bán dẫn bền hơn chất nền bán dẫn. Bell Labs và Texas Instruments đã bắt đầu sản xuất bóng bán dẫn silicon thương mại vào năm 1954.

Các mạch tích hợp silicon đầu tiên được sản xuất vào những năm 1960, và vào những năm 1970, các bộ xử lý có chứa silic đã được phát triển.

Cho rằng công nghệ bán dẫn dựa trên silic tạo thành xương sống của điện tử và máy tính hiện đại, không có gì đáng ngạc nhiên khi chúng ta đề cập đến trung tâm hoạt động của ngành công nghiệp này như là thung lũng Silicon. '

(Để xem chi tiết về lịch sử và sự phát triển của Thung lũng Silicon và công nghệ vi mạch, tôi rất khuyên bạn nên sử dụng tài liệu Kinh nghiệm của Mỹ có tên Silicon Valley).

Không lâu sau khi khai mạc các bóng bán dẫn đầu tiên, Bell Labs đã làm việc với silic dẫn đến một bước đột phá lớn thứ hai vào năm 1954: Ô silicon quang điện đầu tiên (năng lượng mặt trời).

Trước đó, ý tưởng khai thác năng lượng từ mặt trời để tạo ra năng lượng trên trái đất được hầu hết mọi người cho là không thể. Nhưng chỉ bốn năm sau đó, năm 1958, vệ tinh đầu tiên được cung cấp bởi các tế bào năng lượng mặt trời silicon đã quay quanh trái đất. Vào những năm 1970, các ứng dụng thương mại về công nghệ năng lượng mặt trời đã phát triển lên các ứng dụng trên mặt đất như cấp nguồn cho chiếu sáng trên các giếng dầu ngoài khơi và đường giao cắt đường sắt.

Trong hai thập kỷ qua, việc sử dụng năng lượng mặt trời đã tăng lên theo cấp số nhân. Ngày nay, các công nghệ quang điện trên silic chiếm khoảng 90% thị trường năng lượng mặt trời toàn cầu.

Sản lượng:

Phần lớn silicon tinh chế mỗi năm - khoảng 80% - được sản xuất như ferrosilicon để sử dụng trong sản xuất sắt và thép. Ferrosilicon có thể chứa bất cứ nơi nào giữa 15 đến 90 phần trăm silicon tùy thuộc vào yêu cầu của nhà máy luyện kim.

Hợp kim của sắt và silicon được sản xuất bằng cách sử dụng một lò hồ quang điện ngập nước thông qua quá trình nấu chảy. Quặng giàu silic và nguồn carbon như than cốc (than luyện kim) được nghiền và nạp vào lò cùng với phế liệu sắt.

Ở nhiệt độ trên 1900

C (3450

° F), cacbon phản ứng với oxy có trong quặng tạo thành khí carbon monoxide. Các sắt còn lại và silic, trong khi đó, sau đó kết hợp để tạo ra ferrosilicon nóng chảy, có thể được thu thập bằng cách khai thác các cơ sở của lò.

Sau khi làm nguội và cứng lại, ferrosilicon sau đó có thể được vận chuyển và sử dụng trực tiếp trong sản xuất sắt và thép.

Cùng một phương pháp, không bao gồm sắt, được sử dụng để sản xuất silicon lớp luyện kim có độ tinh khiết lớn hơn 99%. Silicon luyện kim cũng được sử dụng trong luyện kim thép, cũng như sản xuất các hợp kim nhôm và các chất silan.

Silic kim loại được phân loại bởi hàm lượng sắt, nhôm và canxi trong hợp kim. Ví dụ, 553 silic kim loại có chứa ít hơn 0. 5 phần trăm của mỗi sắt và nhôm, và ít hơn 0. 3 phần trăm canxi.

Khoảng 8 triệu tấn ferrosilicon được sản xuất mỗi năm trên toàn cầu, với Trung Quốc chiếm khoảng 70% trong tổng số này. Các nhà sản xuất lớn bao gồm Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Vật liệu nhóm OM và Elkem.

Thêm 2. 6 triệu tấn silicon luyện kim - hoặc khoảng 20% ​​tổng kim loại silic tinh chế - được sản xuất hàng năm. Trung Quốc lại chiếm khoảng 80% sản lượng này.

Một điều đáng ngạc nhiên đối với nhiều người là các lớp silicon của mặt trời và điện tử chỉ chiếm một lượng nhỏ (ít hơn hai phần trăm) của tất cả các sản phẩm tinh chế silic. Để nâng cấp lên kim loại silic silicon (polysilicon) cấp độ mặt trời, độ tinh khiết phải tăng lên 99. 9999% (6N) silicon tinh khiết. Điều này được thực hiện thông qua một trong ba phương pháp, thông thường nhất là quy trình của Siemens. Quy trình của Siemens liên quan đến sự lắng đọng hơi hóa học của một loại khí dễ bay hơi gọi là trichlorosilane. Tại 1150 C (2102 F) trichlorosilane được thổi qua hạt silicon có độ tinh khiết cao gắn ở đầu thanh. Khi nó đi qua, silicon độ tinh khiết cao từ khí được lắng đọng trên hạt. Lò phản ứng tầng lưu thông (FBR) và công nghệ silic cấp độ luyện kim nâng cấp (UMG) cũng được sử dụng để gia cường kim loại cho polysilicon thích hợp cho ngành công nghiệp quang điện.

230 polysilicon được sản xuất vào năm 2013. Các nhà sản xuất hàng đầu bao gồm GCL Poly, Wacker-Chemie, và OCI.

Cuối cùng, để làm cho silicon điện tử cấp phù hợp với ngành công nghiệp bán dẫn và một số công nghệ quang điện nhất định, polysilicon phải được chuyển đổi sang một silicon monocrystal siêu tinh khiết qua quá trình Czochralski.

Để làm được điều này, polysilicon tan trong nồi nấu ở 1425

C (2597

° F) trong một môi trường trơ. Một cây que gắn kết tinh thể sau đó được nhúng vào kim loại nóng chảy và từ từ xoay và loại bỏ, cho thời gian để silicon phát triển trên hạt giống vật liệu.

Sản phẩm thu được là que (hoặc boule) của kim loại silic đơn tinh thể, có thể lên đến 99. 999999999 (11N) phần trăm tinh khiết. Thanh này có thể được pha tạp với boron hoặc phốt pho theo yêu cầu để tinh chỉnh các tính chất cơ lượng tử theo yêu cầu.

Thanh thanh monocrystal có thể được vận chuyển đến các khách hàng như là, hoặc được chia thành các tấm mỏng và được đánh bóng hoặc kết cấu cho những người dùng cụ thể.

Ứng dụng: Trong khi khoảng năm triệu tấn kim loại ferrosilicon và kim loại silicon được tinh chế mỗi năm, phần lớn silic được sử dụng thương mại thực sự ở dạng khoáng chất silic, được sử dụng trong sản xuất tất cả mọi thứ từ xi măng, vữa, gốm sứ, thủy tinh và polyme. Ferrosilicon, như đã nói, là dạng silic kim loại được sử dụng phổ biến nhất. Kể từ lần sử dụng đầu tiên khoảng 150 năm trước, ferrosilicon vẫn là một tác nhân khử oxy hóa quan trọng trong sản xuất cacbon và thép không gỉ. Ngày nay, luyện kim thép vẫn là tiêu thụ lớn nhất của ferrosilicon. Ferrosilicon có một số ứng dụng ngoài việc sản xuất thép. Nó là hợp kim tiền trong sản xuất magnesium ferrosilicon, một chất nodulizer được sử dụng để sản xuất sắt dễ uốn, cũng như trong quá trình Pidgeon tinh chế độ tinh khiết cao magiê. Ferrosilicon cũng có thể được sử dụng để làm cho nhiệt và chống ăn mòn silic hợp kim ferô cũng như silicon, được sử dụng trong sản xuất động cơ điện và lõi biến thế.

Silicon kim loại có thể được sử dụng trong sản xuất thép cũng như là một chất hợp kim trong đúc nhôm. Các chi tiết xe hơi nhôm-silic (Al-Si) nhẹ và mạnh hơn các linh kiện đúc từ nhôm tinh khiết. Các bộ phận ô tô như các khối động cơ và lốp xe lốp là một số bộ phận silicon nhôm phổ biến nhất.

Gần một nửa số silicon luyện kim được ngành công nghiệp hóa chất sử dụng để chế tạo silic bốc khói (chất làm đặc và hút ẩm), silan (chất kết dính) và silicone (chất trám, keo, chất bôi trơn).

Polysilicon loại điện quang điện chủ yếu được sử dụng trong sản xuất pin mặt trời polysilicon. Cần khoảng 5 tấn polysilicon để tạo ra một megawat mô-đun năng lượng mặt trời.

Hiện nay, công nghệ năng lượng mặt trời polysilicon chiếm hơn một nửa năng lượng mặt trời được sản xuất trên toàn cầu, trong khi công nghệ monosilicon đóng góp khoảng 35%. Tổng cộng, 90 phần trăm năng lượng mặt trời được con người sử dụng được thu thập bằng công nghệ silicon. Monocrystal silicon cũng là một chất bán dẫn quan trọng được tìm thấy trong các thiết bị điện tử hiện đại. Là một vật liệu nền được sử dụng trong sản xuất transistor hiệu ứng trường, đèn LED và các mạch tích hợp, silic có thể được tìm thấy trong hầu hết các máy tính, điện thoại di động, máy tính bảng, tivi, radio và các thiết bị truyền thông hiện đại khác. Người ta ước tính rằng hơn một phần ba tất cả các thiết bị điện tử có chứa công nghệ bán dẫn silicon. Cuối cùng, cacbua silicon hợp kim cứng được sử dụng trong nhiều ứng dụng điện tử và phi điện tử, bao gồm đồ trang sức tổng hợp, chất bán dẫn nhiệt độ cao, gốm sứ cứng, dụng cụ cắt, đĩa phanh, mài mòn, áo chống đạn và các bộ phận làm nóng. Nguồn:

Lịch sử sản xuất thép hợp kim và sắt.

URL: // www. urm-công ty. com / images / docs / hợp kim thép-lịch sử. pdf

Holappa, Lauri và Seppo Louhenkilpi.

Về vai trò của hợp kim ferro trong sản xuất thép.

Ngày 9-13 tháng 6 năm 2013. Quốc hội Hợp kim sắt Hợp kim thứ mười ba. URL: // www. phế huyền. co. za / InfaconXIII / 1083-Holappa. pdf

Theo dõi Terence trên Google+