Kovový Profil: Je silikon kov

Silikonový 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 nejčastějším prvkem ve vesmíru. Ve skutečnosti téměř 30 procent hmotnosti zemské kůry lze připsat křemíku.

Prvek s atomovým číslem 14 se přirozeně vyskytuje v silikátových minerálech, včetně oxidu křemičitého, živec a slídy, které jsou hlavními součástmi společných hornin, jako je křemen a pískovec.

Křemík z polokovu (nebo metaloidu) má některé vlastnosti kovů i nekovů.

Jako voda - ale na rozdíl od většiny kovů - křemík uzavírá v kapalném stavu a expanduje, jakmile ztuhne. Má relativně vysoké teploty tání a varu a při krystalizaci tvoří diamantovou kubickou krystalickou strukturu.

Klíčová úloha křemíku jako polovodičů a jeho použití v elektronice je atomová struktura prvku, která zahrnuje čtyři valenční elektrony, které umožňují křemíku spojit se s dalšími prvky snadno.

Vlastnosti:

• Atomový symbol: Si
• Atomové číslo: 14
• Element Kategorie: Metalloid
• Hustota: 2. 329g / cm3
• Bod varu: 5909 ° F (3265 ° C)
• Tvrdost Moh: 7

Historie:

Švédský chemik Jons Jacob Berzerlius je připočítán s prvním izolujícím křemíkem v roce 1823. Berzerlius to dosáhl zahříváním kovového draslíku (který byl izolován před deseti lety dříve) v kelímku s fluorokřemičitanem draselným.

Výsledkem byl amorfní křemík.

Vytvoření krystalického křemíku však vyžadovalo více času. Elektrolytický vzorek krystalického křemíku by nebyl proveden dalších tři desetiletí.

První komerční využití křemíku bylo ve formě ferosilikonu.

Po modernizaci ocelářského průmyslu Henrym Bessemerem v polovině 19. století byl velký zájem o ocelářskou metalurgii a výzkum v ocelářských technikách.

V době první průmyslové výroby ferosilikonu v 80. letech 20. století byla význam křemíku pro zlepšení tvárnosti surového železa a deoxidační oceli poměrně dobře pochopena.

Předčasná výroba ferosilikonu byla provedena ve vysokých pecích redukcí rud obsahujících křemík s dřevěným uhlím, což mělo za následek stříbřité surové železo, ferosilikon s obsahem křemíku až 20%.

Vývoj elektrických obloukových pecí počátkem 20. století umožnil nejen větší výrobu oceli, ale i větší výrobu ferosilikonu.

V roce 1903 se v Německu, Francii a Rakousku začala působit skupina specializující se na výrobu feroslitiny (Compagnie Generate d'Electrochimie) a v roce 1907 byla založena první komerční silikonová elektrárna v USA.

Výroba oceli nebyla jediná aplikace pro křemíkové směsi, které se začaly obchodovat před koncem 19. století.

Pro výrobu umělých diamantů v roce 1890 Edward Goodrich Acheson zahřál křemičitan hlinitý s práškovým koksem a náhodně vyrobil karbid křemíku (SiC).

O tři roky později společnost Acheson patentovala svou výrobní metodu a založila společnost Carborundum Company (karborundum, který byl tehdy běžným názvem karbidu křemíku) za účelem výroby a prodeje abrazivních výrobků.

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

V roce 1907 byla první světlo emitující dioda (LED) vytvořena aplikací napětí na krystaly karbidu křemíku.

Použitím křemíku v průběhu třicátých let vzrostl vývoj nových chemických produktů, včetně silanů a silikonů.

Růst elektroniky v minulém století byl také neoddělitelně spojen s křemíkem a jeho jedinečnými vlastnostmi.

Zatímco vytvoření prvních tranzistorů - předchůdců moderních mikročipů - se v 40. letech 20. století spoléhalo na germanium, nebylo to dlouho předtím, než křemík nahradil svého metaloidního bratrance jako odolnější substrátový polovodičový materiál.

Bell Labs a Texas Instruments začaly komerčně vyrábět tranzistory na bázi křemíku v roce 1954.

První silikonové integrované obvody byly vyrobeny v šedesátých letech av 70. letech byly vyvinuty procesory obsahující křemík.

Vzhledem k tomu, že polovodičová technologie na bázi křemíku tvoří páteř moderní elektroniky a výpočetní techniky, nemělo by být překvapením, že odkazujeme na centrum činnosti tohoto odvětví jako "Silicon Valley". '

(Pro detailní pohled na historii a vývoj technologie Silicon Valley a mikročipu velmi doporučuji dokument American Experience s názvem Silicon Valley).

Nedlouho po odhalení prvních tranzistorů vedla Bell Labs práce s křemíkem k druhému významnému průlomu v roce 1954: První silikonová fotovoltaická (solární) buňka.

Předtím se zdálo, že myšlenka využívání energie ze slunce k vytvoření moci na Zemi je většinou nemožná. Ale o čtyři roky později, v roce 1958, obíhal kolem Země první satelit poháněný křemíkovými solárními články.

Do sedmdesátých let se komerční využití solárních technologií rozrostlo na pozemní aplikace, jako napájení osvětlení na ropných plošinách na moři a železniční přejezdy.

Během posledních dvou desetiletí rostla exponenciálně využívání sluneční energie. Dnešní fotovoltaické technologie na bázi křemíku představují přibližně 90 procent světového trhu sluneční energie.

Výroba:

Většina křemíku rafinovaného ročně - asi 80 procent - se vyrábí jako ferosilikon pro použití při výrobě železa a oceli. Ferosilicium může obsahovat kdekoli mezi 15 a 90 procent křemíku v závislosti na požadavcích tavicího stroje.

Slitina železa a křemíku se vyrábí pomocí ponořené elektrické obloukové pece redukčním tavením. Ropa bohatá na oxid křemičitý a zdroj uhlíku, jako je koksovatelné uhlí (hutní uhlí), jsou rozdrceny a naloženy do pece spolu s železným šrotem.

Při teplotách nad 1900

° C (3450 ° F) uhlík reaguje s kyslíkem přítomným v rudě a vytváří plyn oxidu uhelnatého. Zbývající železo a křemík se mezitím spojují, aby se vytvořil roztavený ferosilikon, který lze shromáždit poklepáním na základnu pece. Po ochlazení a vytvrzení může být ferosilikon dodáván a používán přímo ve výrobě železa a oceli.

Stejná metoda, bez zahrnutí železa, se používá k výrobě hutního křemíku, který je větší než 99 procent čistý. Metalurgický křemík se také používá při tavení oceli, stejně jako výroba hliníkových slitin a silanových chemikálií.

Metalurgický křemík je klasifikován podle úrovní nečistot železa, hliníku a vápníku přítomných v slitině. Například 553 silikonový kov obsahuje méně než 0,5% každého železa a hliníku a méně než 0,3% vápníku.

Každoročně se celosvětově vyrábí asi 8 milionů tun ferosilikonu, přičemž Čína tvoří přibližně 70% tohoto množství. Velcí výrobci zahrnují skupinu Erdos Metalurgy, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, skupinu OM Materials a Elkem.

Další ročník produkuje 2,6 milionu metrických tun metalurgického křemíku - nebo asi 20% celkového rafinovaného křemíkového kovu. Čína opět představuje zhruba 80 procent tohoto výkonu.

Překvapením pro mnohé je, že sluneční a elektronické třídy křemíku představují jen malé množství (méně než dvě procenta) veškeré rafinované výroby křemíku.

Chcete-li upgradovat na křemíkový kov (polysilikon) solární, musí se čistota zvýšit až na 99,999% (6N) čistého křemíku. To se provádí jednou ze tří metod, nejčastěji se jedná o proces společnosti Siemens.

Proces Siemens zahrnuje chemickou parní depozici prchavého plynu známého jako trichlorsilan. Při 1150

° C (2102 ° F) je trichlorsilan foukán přes osivo křemíku vysoké čistoty namontované na konci tyče. Při průchodu se na osivo ukládá křemík s vysokou čistotou z plynu. Reaktor s fluidním ložem (FBR) a vylepšená křemíková technologie metalurgického stupně (UMG) se také používají k zesílení kovu na polysilikon vhodný pro fotovoltaický průmysl.

V roce 2013 bylo vyrobeno 230 tisíc tun polysilikonu. Přední výrobci zahrnují GCL Poly, Wacker-Chemie a OCI.

Konečně, aby se silikon elektroniky vhodný pro průmysl polovodičů a určité fotovoltaické technologie, polysilikon musí být přeměněn na ultračistý monokrystalový křemík přes proces Czochralski.

Za tímto účelem se polysilikon roztaví v kelímku v inertní atmosféře při teplotě 1425 až 999 ° C (2597 ° C F). V roztaveném kovu se namáčí tyčový krystal, který se namontuje, a pomalu se otáčí a odstraňuje, čímž vznikne čas na to, aby křemík rostl na semenném materiálu.

Výsledným produktem je tyč (nebo boule) monokrystalového kovového křemíku, který může být až 99.99999999 (11N) procent čistý. Tato tyč může být dopovaná borem nebo fosforem, jak je požadováno pro vyladění kvantových mechanických vlastností podle potřeby. Monokrystalická tyč může být dodána klientům tak, jak je, nebo nakrájena na plátky a leštěná nebo strukturovaná pro konkrétní uživatele. Aplikace: Zatímco zhruba deset milionů metrických tun ferosilikonu a křemíku se každým rokem rafinuje, většina komerčně používaného křemíku je ve skutečnosti ve formě silikonových minerálů, které se používají při výrobě všeho z cementu, malty a keramiky, skla a polymery. Jak je uvedeno, ferosilicium je nejběžněji používanou formou kovového křemíku. Od svého prvního použití před asi 150 lety zůstal ferosilikon významným deoxidačním činidlem při výrobě uhlíku a nerezové oceli. V současné době zůstává tavení oceli největším spotřebitelem ferosilikonu.

Ferosilicium má řadu použití mimo výrobu oceli. Jedná se o pre-slitinu při výrobě ferosilikonu hořčíku, nodulátoru používaného k výrobě tvárné litiny, jakož i při procesu Pidgeon pro rafinace hořčíku s vysokou čistotou.

Ferosilicium lze také použít k výrobě slitin železnatého křemíku odolných vůči teplu a korozi stejně jako křemíkové oceli, které se používají při výrobě elektromotorů a transformátorových jader.

Metalurgický křemík může být použit v ocelářství, stejně jako legovací prostředek v hliníkovém odlitku. Hliníkově-křemíkové (Al-Si) díly automobilů jsou lehké a silnější než díly odlité z čistého hliníku. Automobilové díly, jako jsou bloky motoru a ráfky pneumatik, patří k nejčastěji odlitým hliníkovým křemíkovým dílům.

Téměř polovina veškerého metalurgického křemíku používá chemický průmysl k výrobě vyhořelého oxidu křemičitého (zahušťovadla a vysoušedla), silanů (spojovacího činidla) a silikonu (tmelů, lepidel a mazadel).

Polysilikon fotovoltaické kvality se používá především při výrobě polysilikonových solárních článků. Na výrobu jednoho megawatu solárních modulů je zapotřebí asi pět tun polysilikonu.

Polysilikonová solární technologie v současné době představuje více než polovinu světové produkce sluneční energie, zatímco monosilikonová technologie přispívá přibližně 35 procent. Celkem 90 procent sluneční energie, kterou lidé využívají, se shromažďuje technologií na bázi křemíku.

Monokrystalový křemík je také kritickým polovodičovým materiálem, který se nachází v moderní elektronice. Jako materiál substrátu používaný při výrobě tranzistorů s efektem pole (FET), LED a integrovaných obvodů lze křemík nalézt prakticky ve všech počítačích, mobilních telefonech, tabletech, televizorech, rádiích a dalších moderních komunikačních zařízeních.

Odhaduje se, že více než jedna třetina všech elektronických zařízení obsahuje polovodičovou technologii na bázi křemíku.

Karbid křemíku z tvrdé slitiny se konečně používá v různých elektronických i neelektronických aplikacích, včetně syntetických klenotů, polovodičů s vysokou teplotou, tvrdé keramiky, řezných nástrojů, brzdových kotoučů, brusiv, neprůstřelných vest a topných těles.

Zdroje:

Stručná historie legování oceli a výroba feroslitin.

URL: // www. následující-společnost. com / images / docs / historie legování oceli. pdf

Holappa, Lauri a Seppo Louhenkilpi.

O roli feroslitin ve výrobě oceli.

9. - 13. června 2013. Třináctý mezinárodní kongres feroslitin. URL: // www. pyrometallurgie. co. za / InfaconXIII / 1083-Holappa. pdf

Sledujte Terence na Google+