De eigenschappen en toepassingen van siliciummetaal

Siliciummetaal is een grijs en glanzend halfgeleidend metaal dat wordt gebruikt om staal, zonnecellen en microchips te vervaardigen. Silicium is het op één na meest voorkomende element in de aardkorst (achter alleen zuurstof) en het achtste meest voorkomende element in het universum. Bijna 30 procent van het gewicht van de aardkorst kan worden toegeschreven aan silicium.

Het element met atoomnummer 14 komt van nature voor in silicaatmineralen, waaronder silica, veldspaat en mica, die belangrijke componenten zijn van veel voorkomende gesteenten zoals kwarts en zandsteen. Een semi-metaal (of metalloïde), silicium bezit enkele eigenschappen van zowel metalen als niet-metalen.

Net als water - maar in tegenstelling tot de meeste metalen - trekt silicium samen in vloeibare toestand en zet het uit naarmate het stolt. Het heeft relatief hoge smelt- en kookpunten en vormt, wanneer gekristalliseerd, een kubusvormige kristalstructuur met diamant. Van cruciaal belang voor de rol van silicium als halfgeleider en het gebruik ervan in elektronica is het atoom van het element structuur, die vier valentie-elektronen bevat waarmee silicium zich kan hechten aan andere elementen gemakkelijk.

• Atoomsymbool: Si
• Atoomnummer: 14
• Elementcategorie: Metalloid
• Dichtheid: 2,329 g / cm3
• Smeltpunt: 2577 ° F (1414 ° C)
• Kookpunt: 5909 ° F (3265 ° C)
• Moh's hardheid: 7

De Zweedse chemicus Jons Jacob Berzerlius wordt in 1823 gecrediteerd voor het eerste isolerende silicium. Berzerlius heeft dit bereikt door metallisch kalium (dat pas tien jaar eerder was geïsoleerd) samen met kaliumfluorsilicaat in een smeltkroes te verhitten. Het resultaat was amorf silicium.

Het maken van kristallijn silicium kostte echter meer tijd. Een elektrolytisch monster van kristallijn silicium zou nog drie decennia niet worden gemaakt. Het eerste commerciële gebruik van silicium was in de vorm van ferrosilicium.

In navolging van Henry Bessemer modernisering van de staalindustrie in het midden van de 19e eeuw was er grote belangstelling voor staal metallurgie en onderzoek naar technieken voor staalproductie. Tegen de tijd van de eerste industriële productie van ferrosilicium in de jaren 1880, werd het belang van silicium bij het verbeteren ductiliteit in varken ijzer en het desoxideren van staal werd redelijk goed begrepen.

De vroege productie van ferrosilicium vond plaats in hoogovens door het reduceren van siliciumhoudende ertsen met houtskool, wat resulteerde in zilverachtig ruwijzer, een ferrosilicium met een siliciumgehalte tot 20 procent.

De ontwikkeling van vlamboogovens aan het begin van de 20e eeuw maakte niet alleen een grotere staalproductie mogelijk, maar ook meer ferrosiliciumproductie. In 1903 begon een groep die gespecialiseerd was in het maken van de ferrolegering (Compagnie Generate d'Electrochimie) activiteiten in Duitsland, Frankrijk en Oostenrijk en in 1907 was de eerste commerciële siliciumfabriek in de Verenigde Staten Gesticht.

Staalproductie was niet de enige toepassing voor siliciumverbindingen die vóór het einde van de 19e eeuw op de markt werden gebracht. Om in 1890 kunstmatige diamanten te produceren, verwarmde Edward Goodrich Acheson aluminiumsilicaat met poedervormige cokes en incidenteel geproduceerd siliciumcarbide (SiC).

Drie jaar later had Acheson zijn productiemethode gepatenteerd en Carborundum Company (carborundum) opgericht is de gebruikelijke naam voor siliciumcarbide op dat moment) voor het maken en verkopen van schuurmiddelen producten.

Aan het begin van de 20e eeuw waren de geleidende eigenschappen van siliciumcarbide ook gerealiseerd en werd de verbinding gebruikt als detector in vroege scheepsradio's. Een patent voor siliciumkristaldetectoren werd in 1906 verleend aan GW Pickard.

In 1907 werd de eerste lichtgevende diode (LED) gecreëerd door spanning toe te passen op een siliciumcarbidekristal. In de jaren dertig groeide het siliciumgebruik met de ontwikkeling van nieuwe chemische producten, waaronder silanen en siliconen. De groei van elektronica in de afgelopen eeuw is ook onlosmakelijk verbonden met silicium en zijn unieke eigenschappen.

Terwijl de creatie van de eerste transistors - de voorlopers van moderne microchips - in de jaren veertig vertrouwde op germanium, het duurde niet lang voordat silicium zijn metalloïde neef verving als een duurzamer substraat halfgeleidermateriaal. Bell Labs en Texas Instruments begonnen in 1954 commercieel met de productie van transistors op siliciumbasis.

De eerste geïntegreerde schakelingen van silicium werden gemaakt in de jaren zestig en tegen de jaren zeventig waren er siliciumhoudende processors ontwikkeld. Aangezien siliciumgebaseerde halfgeleidertechnologie de ruggengraat vormt van moderne elektronica en computing, zou het geen verrassing moeten zijn dat we het centrum van activiteit voor deze industrie 'Silicium' noemen Vallei.'

(Voor een gedetailleerde kijk op de geschiedenis en ontwikkeling van Silicon Valley en microchiptechnologie raad ik de documentaire American Experience met de titel Silicon Valley ten zeerste aan). Niet lang na de onthulling van de eerste transistoren leidde het werk van Bell Labs met silicium tot een tweede grote doorbraak in 1954: de eerste fotovoltaïsche siliciumcel (op zonne-energie).

Voordien werd de gedachte om energie van de zon te benutten om kracht op aarde te creëren door de meeste mensen als onmogelijk beschouwd. Maar slechts vier jaar later, in 1958, draaide de eerste satelliet op silicium zonnecellen rond de aarde.

Tegen de jaren zeventig waren commerciële toepassingen voor zonnetechnologieën uitgegroeid tot terrestrische toepassingen, zoals het aandrijven van verlichting op offshore booreilanden en spoorwegovergangen. In de afgelopen twee decennia is het gebruik van zonne-energie exponentieel gegroeid. Tegenwoordig zijn fotovoltaïsche technologieën op siliciumbasis goed voor ongeveer 90 procent van de wereldwijde markt voor zonne-energie.

Het merendeel van het jaarlijks geraffineerde silicium - ongeveer 80 procent - wordt geproduceerd als ferrosilicium voor gebruik in ijzer en staalproductie. Ferrosilicium kan tussen de 15 en 90 procent silicium bevatten, afhankelijk van de vereisten van de smelterij.

De legering van ijzer en silicium wordt geproduceerd met behulp van een ondergedompelde elektrische boogoven door middel van reductiesmelten. Silica-rijk erts en een koolstofbron zoals cokeskolen (metallurgische kolen) worden vermalen en samen met schroot in de oven geladen.

Bij temperaturen boven 1900°C (3450°F), koolstof reageert met de zuurstof die in het erts aanwezig is en vormt koolmonoxidegas. Het resterende ijzer en silicium worden ondertussen gecombineerd om gesmolten ferrosilicium te maken, dat kan worden verzameld door op de bodem van de oven te tikken. Eenmaal gekoeld en uitgehard, kan het ferrosilicium vervolgens worden verscheept en rechtstreeks worden gebruikt in de ijzer- en staalproductie.

Dezelfde methode, zonder toevoeging van ijzer, wordt gebruikt om silicium van metallurgische kwaliteit te produceren dat voor meer dan 99 procent zuiver is. Metallurgisch silicium wordt ook gebruikt bij het smelten van staal, evenals bij de productie van aluminiumlegeringen en silaanchemicaliën.

Metallurgisch silicium wordt geclassificeerd door de onzuiverheidsniveaus van ijzer, aluminiumen calcium aanwezig in de legering. Zo bevat 553 siliciummetaal minder dan 0,5 procent van elk ijzer en aluminium en minder dan 0,3 procent calcium.

Jaarlijks wordt wereldwijd ongeveer 8 miljoen ton ferrosilicium geproduceerd, waarbij China goed is voor ongeveer 70 procent van dit totaal. Grote producenten zijn de Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials en Elkem.

Jaarlijks wordt nog eens 2,6 miljoen ton metallurgisch silicium - of ongeveer 20 procent van het totale geraffineerde siliciummetaal - geproduceerd. China is opnieuw goed voor ongeveer 80 procent van deze output. Een verrassing voor velen is dat zonne- en elektronische siliciumkwaliteiten slechts een klein deel (minder dan twee procent) uitmaken van alle geraffineerde siliciumproductie. Om te upgraden naar siliciummetaal van zonnekwaliteit (polysilicium), moet de zuiverheid toenemen tot meer dan 99,9999% (6N) puur silicium. Het wordt gedaan via een van de drie methoden, de meest voorkomende is het Siemens-proces.

Het Siemens-proces omvat chemische dampafzetting van een vluchtig gas dat bekend staat als trichloorsilaan. Om 1150°C (2102°F) trichloorsilaan wordt over een aan een uiteinde van een staaf gemonteerd siliciumzaad van hoge zuiverheid geblazen. Bij het passeren wordt hoogzuiver silicium uit het gas op het zaad afgezet.

Fluid bed reactor (FBR) en verbeterde metallurgische kwaliteit (UMG) siliciumtechnologie worden ook gebruikt om het metaal tot polysilicium te verbeteren dat geschikt is voor de fotovoltaïsche industrie. In 2013 werd tweehonderddertigduizend ton polysilicium geproduceerd. Toonaangevende producenten zijn onder meer GCL Poly, Wacker-Chemie en OCI.

Tot slot, om silicium van elektronische kwaliteit geschikt te maken voor de halfgeleiderindustrie en bepaalde fotovoltaïsche technologieën moet polysilicium via de. worden omgezet in ultrazuiver monokristallijn silicium Czochralski-proces. Om dit te doen, wordt het polysilicium in 1425 in een smeltkroes gesmolten°C (2597°F) in een inerte atmosfeer. Een staafgemonteerde zaadkristal wordt vervolgens in het gesmolten metaal gedompeld en langzaam gedraaid en verwijderd, waardoor het silicium tijd krijgt om op het zaadmateriaal te groeien.

Het resulterende product is een staaf (of boule) van eenkristallijn siliciummetaal dat wel 99,999999999 (11N) procent zuiver kan zijn. Deze staaf kan naar behoefte worden gedoteerd met boor of fosfor om de kwantummechanische eigenschappen naar wens aan te passen. De monokristalvormige staaf kan worden verzonden naar klanten zoals deze is, of in wafels worden gesneden en gepolijst of getextureerd voor specifieke gebruikers.

Hoewel jaarlijks ongeveer tien miljoen ton ferrosilicium en siliciummetaal wordt geraffineerd, is het grootste deel van het commercieel gebruikte silicium eigenlijk in de vorm van siliciummineralen, die worden gebruikt bij de vervaardiging van alles van cement, mortels en keramiek tot glas en polymeren.

Ferrosilicium is, zoals opgemerkt, de meest gebruikte vorm van metallisch silicium. Sinds het eerste gebruik ervan ongeveer 150 jaar geleden, is ferrosilicium een ​​belangrijk desoxidatiemiddel gebleven bij de productie van koolstof en roestvrij staal. Tegenwoordig blijft het smelten van staal de grootste consument van ferrosilicium.

Ferrosilicon heeft echter een aantal toepassingen die verder gaan dan alleen staalproductie. Het is een pre-legering in de productie van magnesium ferrosilicon, een nodulizer die wordt gebruikt om nodulair ijzer te produceren, evenals tijdens het Pidgeon-proces voor het zuiveren van magnesium met hoge zuiverheid. Ferrosilicium kan ook worden gebruikt om warmte te maken en corrosie resistente ferro-siliciumlegeringen evenals siliciumstaal, dat wordt gebruikt bij de vervaardiging van elektromotoren en transformatorkernen.

Metallurgisch silicium kan worden gebruikt bij de staalproductie en als legeringsmiddel bij het gieten van aluminium. Auto-onderdelen van aluminium-silicium (Al-Si) zijn lichtgewicht en sterker dan componenten van zuiver aluminium. Auto-onderdelen zoals motorblokken en velgen zijn enkele van de meest gegoten aluminium siliciumonderdelen.

Bijna de helft van alle metallurgische silicium wordt door de chemische industrie gebruikt om pyrogeen silica te maken ( verdikkingsmiddel en droogmiddel), silanen (een koppelingsmiddel) en siliconen (kitten, kleefstoffen en smeermiddelen). Fotovoltaïsche kwaliteit polysilicium wordt voornamelijk gebruikt bij het maken van polysilicium zonnecellen. Er is ongeveer vijf ton polysilicium nodig om één megawatt zonnepanelen te maken.

Momenteel is polysilicium zonne-technologie goed voor meer dan de helft van de wereldwijd geproduceerde zonne-energie, terwijl monosilicium technologie ongeveer 35 procent bijdraagt. In totaal wordt 90 procent van de door de mens gebruikte zonne-energie verzameld door op silicium gebaseerde technologie.

Monokristalsilicium is ook een kritisch halfgeleidermateriaal dat wordt gevonden in moderne elektronica. Als substraatmateriaal dat wordt gebruikt bij de productie van veldeffecttransistors (FET's), LED's en geïntegreerde schakelingen, silicium is te vinden op vrijwel alle computers, mobiele telefoons, tablets, televisies, radio's en andere moderne communicatie apparaten. Naar schatting bevat meer dan een derde van alle elektronische apparaten op silicium gebaseerde halfgeleidertechnologie.

Ten slotte wordt het siliciumcarbide met harde legering gebruikt in een verscheidenheid aan elektronische en niet-elektronische toepassingen, waaronder synthetisch sieraden, halfgeleiders voor hoge temperaturen, hard keramiek, snijgereedschap, remschijven, schuurmiddelen, kogelvrije vesten en verwarming elementen.

Een korte geschiedenis van staallegeringen en productie van ferrolegeringen.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri en Seppo Louhenkilpi.

Over de rol van ferrolegeringen in de staalproductie. 9-13 juni 2013. Het dertiende internationale congres van ferrolegeringen. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf