Vlastnosti a použitie kremíka

Kremíkový kov je sivý a lesklý polovodivý kov, ktorý sa používa na výrobu ocele, solárnych článkov a mikročipov. Kremík je druhým najhojnejším prvkom zemskej kôry (za kyslíkom) a ôsmym najbežnejším prvkom vo vesmíre. Takmer 30 percent hmotnosti zemskej kôry možno pripísať kremíku.

Prvok s atómovým číslom 14 sa prirodzene vyskytuje v silikátových mineráloch vrátane siliky, živca a sľudy, ktoré sú hlavnými zložkami bežných hornín, ako je kremeň a pieskovec. Polokov (alebo podobný kovu), kremík má niektoré vlastnosti ako kovov, tak nekovov.

Rovnako ako voda - ale na rozdiel od väčšiny kovov - kremík sa v tekutom stave sťahuje a pri tuhnutí expanduje. Má relatívne vysoké teploty topenia a teploty varu, a keď kryštalizuje, tvorí diamantovú kubickú kryštalickú štruktúru. Atómový prvok je kritický pre úlohu kremíka ako polovodiča a jeho použitie v elektronike štruktúra, ktorá obsahuje štyri valenčné elektróny, ktoré umožňujú väzbe kremíka s inými prvkami ľahko.

• Atómový symbol: Si
• Atómové číslo: 14
instagram viewer
• Kategória prvku: Metalloid
• Hustota: 2,329 g / cm3
• Teplota topenia: 1414 ° C
• Bod varu: 5909 ° F (3265 ° C)
• Mohova tvrdosť: 7

Švédsky chemik Jons Jacob Berzerlius získal v roku 1823 prvý izolovaný kremík. Berzerlius to dosiahol zahrievaním kovového draslíka (ktorý bol izolovaný len o desať rokov skôr) v tégliku spolu s fluorokremičitanom draselným. Výsledkom bol amorfný kremík.

Výroba kryštalického kremíka si však vyžadovala viac času. Elektrolytická vzorka kryštalického kremíka by sa nevyrábala ďalšie tri desaťročia. Prvý komerčne používaný kremík bol vo forme ferosilícia.

Nasleduje Henryho Bessemera modernizácia oceliarskeho priemyslu v polovici 19. storočia bol veľký záujem o oceľ metalurgia a výskum v technikách výroby ocele. V čase prvej priemyselnej výroby ferosilícia v 80. rokoch 20. storočia význam kremíka pri zlepšovaní kujnosť ošípaných železo a deoxidujúca oceľ bola celkom dobre pochopená.

Včasná výroba ferosilícia bola uskutočňovaná vo vysokých peciach redukciou kremíkových rúd pomocou aktívneho uhlia, čoho výsledkom bolo strieborné surové železo, ferosilícia s obsahom kremíka do 20%.

Vývoj elektrických oblúkových pecí na začiatku 20. storočia umožnil nielen väčšiu výrobu ocele, ale aj vyššiu výrobu ferosilícia. V roku 1903 sa začala skupina špecializujúca sa na výrobu zliatiny železa (Compagnie Generate d'Electrochimie). operácie v Nemecku, Francúzsku a Rakúsku a v roku 1907 prvá komerčná továreň na kremík v USA bola založený.

Výroba ocele nebola jedinou aplikáciou zlúčenín kremíka komercializovaných pred koncom 19. storočia. Na výrobu umelých diamantov v roku 1890 Edward Goodrich Acheson zahrieval kremičitan hlinitý práškovým koksom a náhodne vyrábal karbid kremíka (SiC).

O tri roky neskôr Acheson patentoval svoju výrobnú metódu a založil spoločnosť Carborundum (carborundum) (v tom čase bežný názov pre karbid kremíka)) na účely výroby a predaja brúsiva Produkty.

Začiatkom 20. storočia sa realizovali aj vodivé vlastnosti karbidu kremíka a zlúčenina sa použila ako detektor v skorých rádiách pre lode. V roku 1906 bol spoločnosti GW Pickard udelený patent na detektory kremíkových kryštálov.

V roku 1907 bola prvá dióda emitujúca svetlo (LED) vytvorená aplikáciou napätia na kryštál karbidu kremíka. V priebehu tridsiatych rokov 20. storočia používanie kremíka rástlo s vývojom nových chemických výrobkov vrátane silánov a silikónov. Rast elektroniky za posledné storočie je neoddeliteľne spätý aj s kremíkom a jeho jedinečnými vlastnosťami.

Zatiaľ čo vytvorenie prvých tranzistorov - predchodcov moderných mikročipov - sa v 40. rokoch spoliehalo germánium, nebolo to dlho predtým, ako kremík nahradil svoj metaloidný bratranec ako trvanlivejší substrátový polovodičový materiál. Spoločnosti Bell Labs a Texas Instruments začali komerčne vyrábať tranzistory na báze kremíka v roku 1954.

Prvé kremíkové integrované obvody boli vyrobené v 60. rokoch a v 70. rokoch 20. storočia boli vyvinuté procesory obsahujúce kremík. Vzhľadom na to, že kremíková polovodičová technológia tvorí chrbticu modernej elektroniky a v oblasti výpočtovej techniky by nemalo byť žiadnym prekvapením, že odkazujeme na stredobod činnosti tohto odvetvia ako „kremík“ Valley. '

(Pre podrobný pohľad na históriu a vývoj technológie Silicon Valley a technológie mikročipov dôrazne odporúčam dokument American Experience s názvom Silicon Valley). Krátko po odhalení prvých tranzistorov viedla práca spoločnosti Bell Labs so kremíkom v roku 1954 k druhému významnému prielomu: Prvý kremíkový fotovoltaický (solárny) článok.

Pred tým bola väčšina myšlienka využiť energiu zo Slnka na vytvorenie sily na Zemi považovaná za nemožnú. Ale iba o štyri roky neskôr, v roku 1958, obiehal okolo Zeme prvý satelit poháňaný kremíkovými solárnymi článkami.

V 70. rokoch 20. storočia sa komerčné aplikácie pre solárne technológie rozrástli na suchozemské aplikácie, ako je napríklad napájanie osvetlenia na ropných plošinách na mori a železničné priecestia. Za posledné dve desaťročia exponenciálne rástlo využívanie slnečnej energie. V súčasnosti predstavujú fotovoltaické technológie na báze kremíka asi 90 percent svetového trhu so solárnou energiou.

Väčšina rafinovaného kremíka každý rok - asi 80 percent - sa vyrába ako ferosilícium na použitie v železe a železo oceliarstvo. Ferrosilík môže obsahovať kdekoľvek medzi 15 a 90 percentami kremíka v závislosti od požiadaviek taviarne.

zliatina železa a kremíka sa vyrába pomocou ponorenej elektrickej oblúkovej pece redukčnou tavbou. Ruda bohatá na oxid kremičitý a zdroj uhlíka, ako je koksovateľné uhlie (hutnícke uhlie), sa rozdrví a naložia do pece spolu so železným šrotom.

Pri teplotách nad 1900°C (3450)°F), uhlík reaguje s kyslíkom prítomným v rude, pričom vytvára oxid uhoľnatý. Zostávajúce železo a kremík sa medzičasom spoja a vytvorí roztavený ferosilikón, ktorý sa môže zbierať poklepaním na spodok pece. Po ochladení a stvrdnutí je možné ferosilícium prepravovať a používať priamo vo výrobe železa a ocele.

Rovnaký spôsob bez pridania železa sa používa na výrobu kremíka metalurgickej kvality, ktorý má čistotu vyššiu ako 99%. Hutnícky kremík sa používa aj pri tavení ocele, ako aj pri výrobe zliatin hliníka a chemikálií silánu.

Hutnícky kremík je klasifikovaný podľa hladín nečistôt železa, hliníka vápnik prítomný v zliatine. Napríklad 553 kremíkového kovu obsahuje menej ako 0,5 percenta každého železa a hliníka a menej ako 0,3 percenta vápnika.

Celosvetovo sa ročne vyprodukuje asi 8 miliónov metrických ton ferosilícia, pričom Čína predstavuje asi 70 percent z tohto celkového množstva. Medzi veľkých výrobcov patria spoločnosť Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, materiály OM Group a Elkem.

Ročne sa vyprodukuje ďalších 2,6 milióna metrických ton metalurgického kremíka - alebo asi 20 percent z celkového množstva rafinovaného kremíka. Čína opäť predstavuje asi 80 percent tejto produkcie. Pre mnohých prekvapenie je, že solárne a elektronické stupne kremíka predstavujú iba malé množstvo (menej ako dve percentá) všetkej rafinovanej výroby kremíka. Ak chcete upgradovať na kremíkový kov (polysilikón) solárnej triedy, musí sa čistota zvýšiť na 99,9999% (6N) čistého kremíka. Uskutočňuje sa prostredníctvom jednej z troch metód, z ktorých najbežnejšou je proces Siemens.

Proces Siemens zahŕňa chemické vylučovanie prchavého plynu známeho ako trichlórsilán chemickou parou. O 1150°C (2102)°F) trichlórsilán sa fúka cez kremíkové semeno vysokej čistoty namontované na konci tyče. Pri prechode sa na semeno ukladá kremík vysokej čistoty z plynu.

Reaktor s fluidným lôžkom (FBR) a kremíková technológia s moderným metalurgickým stupňom (UMG) sa používajú aj na vylepšenie kovu na polysilikón vhodný pre fotovoltaický priemysel. V roku 2013 sa vyrobilo dvesto tridsať tisíc metrických ton polysilikónu. Medzi popredných výrobcov patria GCL Poly, Wacker-Chemie a OCI.

Napokon, aby bol kremík pre elektroniku vhodný pre polovodičový priemysel a istý fotovoltaické technológie, musí sa polysilikón premeniť na ultračistý monokryštalický kremík Czochralského proces. Aby sa to dosiahlo, polysilikón sa rozpustí v tégliku pri 1425 ° C°C (2597)°F) v inertnej atmosfére. Semenný kryštál pripevnený na tyč sa potom ponorí do roztaveného kovu a pomaly sa otáča a odstráni, čo poskytuje čas na to, aby kremík rástol v semennom materiáli.

Výsledným produktom je tyč (alebo guľka) z monokryštálového kremíka, ktorý môže mať čistotu až 99,9999,99999 (11 N) percent. Táto tyč môže byť dotovaná bórom alebo fosforom podľa potreby, aby sa podľa potreby vylepšili kvantové mechanické vlastnosti. Monokryštálový prút môže byť dodávaný klientom tak, ako je, alebo nakrájaný na plátky a leštený alebo tvarovaný pre konkrétnych používateľov.

Zatiaľ čo každý rok sa rafinuje zhruba desať miliónov ton ferosilícia a kovového kremíka, väčšina komerčne používaného kremíka je vlastne vo forme kremíkových minerálov, ktoré sa používajú pri výrobe všetkého od cementu, mált a keramiky až po sklo a polyméry.

Ako už bolo uvedené, ferosilícia je najbežnejšie používanou formou kovového kremíka. Od svojho prvého použitia pred 150 rokmi zostal ferosilícia dôležitým deoxidačným činidlom pri výrobe uhlíka a nehrdzavejúca oceľ. V súčasnosti je tavenie ocele naďalej najväčším spotrebiteľom ferosilícia.

Ferrosilikón má však mnoho použití nad rámec výroby ocele. Je to predliatina pri výrobe magnézium ferosilícia, nodulizér používaný na výrobu tvárnej liatiny, ako aj počas Pidgeonovho procesu rafinácie horčíka vysokej čistoty. Ferosilícia sa môže tiež používať na výrobu tepla a korózie odolné zliatiny železa a kremíka, ktoré sa používajú pri výrobe elektromotorov a transformátorových jadier.

Hutnícky kremík sa môže používať pri výrobe ocele a tiež ako legovací prostriedok pri odlievaní hliníka. Hliníkovo-kremíkové (Al-Si) automobilové diely sú ľahké a pevnejšie ako komponenty odlievané z čistého hliníka. Automobilové diely, ako sú bloky motorov a disky, sú jednými z najbežnejších hliníkových kremíkových častí.

Takmer polovica všetkého metalurgického kremíka sa v chemickom priemysle používa na výrobu pyrogénneho oxidu kremičitého (a zahusťovadlo a sušidlo), silány (spojovacie činidlo) a silikón (tmely, lepidlá a mazivá). Fotovoltaický polysilikón sa primárne používa pri výrobe polysilikónových solárnych článkov. Na výrobu jedného megawattu solárnych modulov je potrebných asi päť ton polysilikónu.

V súčasnosti predstavuje polysilikónová solárna technológia viac ako polovicu slnečnej energie vyrobenej na celom svete, zatiaľ čo monosilikónová technológia prispieva približne 35 percentami. Celkom 90 percent slnečnej energie používanej ľuďmi sa zhromažďuje technológiou na báze kremíka.

Monokryštalický kremík je tiež kritickým polovodičovým materiálom nachádzajúcim sa v modernej elektronike. Ako podkladový materiál používaný pri výrobe tranzistorov s poľným efektom (FET), LED a integrovaných obvodov, kremík nájdete prakticky vo všetkých počítačoch, mobilných telefónoch, tabletoch, televízoroch, rádiách a inej modernej komunikácii zariadení. Odhaduje sa, že viac ako tretina všetkých elektronických zariadení obsahuje polovodičovú technológiu na báze kremíka.

Nakoniec sa karbid kremíka z tvrdej zliatiny používa v rôznych elektronických a neelektronických aplikáciách vrátane syntetických šperky, vysokoteplotné polovodiče, tvrdá keramika, rezné nástroje, brzdové kotúče, brúsivá, nepriestrelné vesty a kúrenie prvky.

Stručná história legovania ocele a výroby ferozliatiny.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri a Seppo Louhenkilpi.

O úlohe ferozliatin vo výrobe ocele. 9. - 13. júna 2013. Trinásty medzinárodný kongres o ferozliatinách. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf