خواص و کاربردهای سیلیکون فلزی

سیلیکون فلزی یک فلز نیمه هادی براق و خاکستری است که برای ساخت فولاد، سلول های خورشیدی و ریزتراشه ها استفاده می شود. سیلیکون دومین عنصر فراوان در پوسته زمین (فقط پس از اکسیژن) و هشتمین عنصر رایج در جهان است. تقریبا 30 درصد از وزن پوسته زمین را می توان به سیلیکون نسبت داد.

این عنصر با عدد اتمی 14 به طور طبیعی در کانی های سیلیکاته ای مانند سیلیس، فلدسپات و میکا که اجزای اصلی سنگ های رایج مانند کوارتز و ماسه سنگ هستند، وجود دارد. سیلیکون، یک نیمه فلز (یا متالوئید)، برخی از خواص فلزات و نافلزها را دارد.

مانند آب، اما برخلاف اکثر فلزات، سیلیکون در حالت مایع منقبض می شود و زمانی که جامد می شود منبسط می شود. نقطه ذوب و جوش نسبتاً بالایی دارد و هنگامی که متبلور می شود ساختار بلوری مکعبی الماس را تشکیل می دهد. ساختار اتمی سیلیکون که شامل چهار الکترون ظرفیتی است که به سیلیکون اجازه می دهد به راحتی با عناصر دیگر پیوند بخورد، برای عملکرد آن به عنوان نیمه هادی و استفاده از آن در الکترونیک بسیار مهم است.

خواص

نماد اتمی: بله

عدد اتمی: 14

دسته عنصر: متالوئید

چگالی: 2329 گرم بر سانتی متر مکعب

نقطه ذوب: 2577 درجه فارنهایت (1414 درجه)

نقطه جوش: 5909 درجه فارنهایت (3265 درجه)

سختی مو: 7

تولید

بیشتر سیلیکونی که هر ساله تصفیه می شود، حدود 80 درصد، به صورت فروسیلیسیون برای استفاده در ساخت آهن و فولاد تولید می شود. فروسیلیس بسته به نیاز کارخانه ریخته گری می تواند بین 15 تا 90 درصد سیلیکون داشته باشد.

آلیاژ آهن-سیلیکون در کوره قوس الکتریکی غوطه ور با استفاده از ذوب احیا تولید می شود. سنگ معدن غنی از سیلیس و یک منبع کربن مانند زغال سنگ کک (زغال سنگ متالورژیک) خرد شده و همراه با ضایعات به کوره شارژ می شود.

در دماهای بالاتر از 1900 درجه (3450 درجه فارنهایت)، کربن با اکسیژن موجود در ماده معدنی واکنش داده و گاز مونوکسید کربن را تشکیل می دهد. در همین حال، آهن و سیلیکون باقی‌مانده با هم ترکیب می‌شوند و فروسیلیکون مذاب را تشکیل می‌دهند که می‌توان آن را با ضربه زدن به کف کوره جمع‌آوری کرد. پس از سرد شدن و سخت شدن، فروسیلیکون را می توان حمل کرد و مستقیماً در ساخت آهن و فولاد استفاده کرد.

از همین روش، بدون احتساب آهن، برای تولید سیلیکون با درجه متالورژی با خلوص بیش از 99 درصد استفاده می شود. سیلیکون متالورژیکی همچنین در ریخته گری فولاد و همچنین در ساخت آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری و مواد شیمیایی سیلان استفاده می شود.

سیلیکون متالورژیکی بر اساس سطوح ناخالصی آهن، آلومینیوم و کلسیم موجود در آلیاژ طبقه بندی می شود. به عنوان مثال، سیلیکون فلزی 553 حاوی کمتر از 0.5 درصد از هر یک از فلزات، آهن و آلومینیوم، و کمتر از 0}.3 درصد کلسیم است.

سالانه حدود 8 میلیون تن فروسیلیکون در سراسر جهان تولید می شود که چین حدود 70 درصد از این کل را تشکیل می دهد. تولیدکنندگان عمده عبارتند از Erdos Metallurgy Group، Ningxia Rongsheng Ferroalloy، Group OM Materials و Elkem.

سالانه 2.6 میلیون تن سیلیکون متالورژیکی دیگر تولید می شود، یعنی حدود 20 درصد از کل سیلیکون فلزی تصفیه شده. چین باز هم حدود 80 درصد از این تولید را به خود اختصاص داده است. تعجب بسیاری برای بسیاری این است که گریدهای سیلیکون خورشیدی و الکترونیکی تنها مقدار کمی (کمتر از دو درصد) از کل تولید سیلیکون تصفیه شده را تشکیل می دهند. برای انتقال به سیلیکون فلزی درجه یک خورشیدی (پلی سیلیکون)، خلوص باید به بیش از 99.9999 درصد (6N) سیلیکون خالص افزایش یابد. این کار با یکی از سه روش انجام می شود که رایج ترین آنها فرآیند زیمنس است.

فرآیند زیمنس شامل رسوب شیمیایی بخار یک گاز فرار به نام تری کلروسیلان است. تری کلروسیلان در دمای 1150 درجه (2102 درجه فارنهایت) روی یک دانه سیلیکونی با خلوص بالا که در انتهای یک میله نصب شده است دمیده می شود. با عبور از روی آن، سیلیکون با خلوص بالا در گاز روی دانه رسوب می کند.

راکتور بستر سیال (FBR) و فناوری سیلیکون با درجه متالورژی پیشرفته (UMG) نیز برای ارتقاء فلز به پلی سیلیکون مناسب برای صنعت فتوولتائیک استفاده می شود. در سال 2013، 230.{2}} تن پلی سیلیکون تولید شد. تولیدکنندگان اصلی GCL Poly، Wacker-Chemie و OCI هستند.

در نهایت، برای اینکه سیلیکون درجه الکترونیکی برای استفاده در صنعت نیمه هادی ها و فناوری های فتوولتائیک خاص مناسب باشد، پلی سیلیکون باید با استفاده از فرآیند Czochralski به سیلیکون تک کریستالی فوق خالص تبدیل شود. برای انجام این کار، پلی سیلیکون در یک بوته در دمای 1425 درجه (2597 درجه فارنهایت) در یک اتمسفر بی اثر ذوب می شود. سپس یک کریستال بذری که روی یک میله نصب شده است در فلز مذاب غوطه ور می شود و به آرامی می چرخد ​​و حذف می شود و به سیلیکون زمان می دهد تا در مواد بذر رشد کند.

محصول به دست آمده یک میله (یا بول) از فلز سیلیکون تک کریستالی است که می تواند به خلوص 99.999999999 (11N) درصد برسد. این میله را می توان در صورت نیاز با بور یا فسفر دوپ کرد تا خواص مکانیکی کوانتومی را اصلاح کند. میله تک کریستالی را می توان همانطور که هست برای مشتریان ارسال کرد، یا به صورت ویفری برش داد و برای کاربران خاص پولیش یا بافت داد.

برنامه های کاربردی

اگرچه هر ساله حدود ده میلیون تن فروسیلیس و فلز سیلیکون پالایش می‌شود، اما بیشتر سیلیکون مورد استفاده تجاری به شکل سنگ معدن سیلیکون است که در ساخت همه چیز از سیمان، ملات و سرامیک گرفته تا شیشه و پلیمرها استفاده می‌شود.

همانطور که اشاره شد فروسیلیکون پرکاربردترین شکل سیلیکون فلزی است. از آنجایی که برای اولین بار در حدود 150 سال پیش مورد استفاده قرار گرفت، فروسیلیکون یک عامل مهم اکسید کننده در تولید کربن و فولاد ضد زنگ باقی مانده است. امروزه ریخته گری فولاد بزرگترین مصرف کننده فروسیلیس است.

با این حال، فروسیلیس علاوه بر ساخت فولاد، کاربردهای دیگری نیز دارد. این یک پیش آلیاژ در تولید فروسیلیکون منیزیم است، یک گندله ساز که برای تولید آهن داکتیل استفاده می شود، و همچنین در طی فرآیند Pidgeon برای پالایش منیزیم با خلوص بالا. فروسیلیس همچنین می تواند برای ساخت آلیاژهای سیلیکون آهنی مقاوم در برابر حرارت و خوردگی و همچنین فولاد سیلیکونی که در ساخت موتورهای الکتریکی و هسته های ترانسفورماتور استفاده می شود استفاده شود.

سیلیکون متالورژی را می توان در صنعت فولاد و به عنوان یک عامل آلیاژی در ریخته گری آلومینیوم استفاده کرد. قطعات خودرو آلومینیوم-سیلیکون (Al-Si) سبک تر و قوی تر از ریخته گری آلومینیوم خالص هستند. قطعات خودرو مانند بلوک‌های موتور و رینگ‌ها از پرکاربردترین قطعات آلومینیومی-سیلیکونی هستند.

تقریبا نیمی از سیلیکون متالورژیکی در صنایع شیمیایی برای ساخت سیلیس دود (عامل غلیظ کننده و خشک کننده)، سیلان ها (عامل جفت کننده) و سیلیکون (درزگیرها، چسب ها و روان کننده ها) استفاده می شود. پلی سیلیکون درجه فتوولتائیک عمدتاً در ساخت سلول های خورشیدی پلی سیلیکونی استفاده می شود. حدود پنج تن پلی سیلیکون برای ساخت یک مگاوات ماژول خورشیدی مورد نیاز است.

در حال حاضر، فناوری خورشیدی پلی سیلیکون بیش از نیمی از انرژی خورشیدی تولید شده در جهان را تشکیل می دهد، در حالی که فناوری مونوسیلیکون حدود 35 درصد را شامل می شود. در مجموع 90 درصد از انرژی خورشیدی مورد استفاده انسان توسط فناوری مبتنی بر سیلیکون جمع آوری می شود.

سیلیکون تک کریستال نیز یک ماده نیمه هادی اساسی در الکترونیک مدرن است. سیلیکون به عنوان یک ماده زیرلایه مورد استفاده در تولید ترانزیستورهای اثر میدانی (FET)، LED ها و مدارهای مجتمع، تقریباً در تمام رایانه های مدرن، تلفن های همراه، تبلت ها، تلویزیون ها، رادیوها و سایر دستگاه های ارتباطی یافت می شود. تخمین زده می شود که بیش از یک سوم تمام دستگاه های الکترونیکی دارای فناوری نیمه هادی مبتنی بر سیلیکون هستند.

در نهایت، آلیاژ سخت سیلیکون کاربید در طیف گسترده ای از کاربردهای الکترونیکی و غیر الکترونیکی مانند جواهرات مصنوعی، نیمه هادی های با دمای بالا، سرامیک های سخت، ابزارهای برش، دیسک های ترمز، ساینده ها و غیره جلیقه های ضد گلوله و عناصر گرمایشی استفاده می شود.