Kíktu á hálf-málm kísillinn
Kísilmálmur er grátt og gljáandi hálfleiðandi málmur sem er notað til að framleiða stál, sólfrumur og örflögur.
Kísill er næststærsti þátturinn í jarðskorpunni (á bak við aðeins súrefni) og áttunda algengasta þátturinn í alheiminum. Í raun er næstum 30 prósent af þyngd jarðskorpunnar að rekja til sílikon.
Einingin með lotukerfinu 14 kemur náttúrulega fram í silíkat steinefnum, þ.mt kísil, feldspar og gljásteinn, sem eru helstu þættir algengra steina eins og kvars og sandsteins.
A hálfmetall (eða málmhúðað ), kísill býr yfir sumum eiginleikum bæði málma og annarra málma.
Eins og vatn - en ólíkt flestum málmum - sílikon samninga í fljótandi ástandi og stækkar þegar það styrkir. Það hefur tiltölulega hátt bræðslumark og suðumark, og þegar það er kristallað myndast kristalbygging með demantur.
Mikilvægt að hlutverk kísils sem hálfleiðurum og notkun þess í rafeindatækni er atómkerfi frumefnisins, sem felur í sér fjóra valence rafeindir sem leyfa sílikon að tengja við aðra þætti auðveldlega.
Eiginleikar:
- Atómtákn: Si
- Atómnúmer: 14
- Element Flokkur: Metalloid
- Density: 2.329g / cm3
- Bræðslumark: 2577 ° F (1414 ° C)
- Sjóðpunktur: 5909 ° F (3265 ° C)
- Moh er hörku: 7
Saga:
Sænski efnafræðingur Jons Jacob Berzerlius er viðurkenndur með fyrsta einangrun sílikon árið 1823. Berzerlius náði þessu með því að hita málmkalíum (sem hafði aðeins verið einangrað áratug fyrr) í deigli ásamt kalíumflúorsílikati.
Niðurstaðan var formlaus kísill.
Gerð kristallað kísill þurfti þó meiri tíma. Rafsýni úr kristallaðri sílikon yrði ekki gert í þrjá áratugi.
Fyrsta markaðssetja notkun kísils var í formi kísiljárns.
Í kjölfar nútímavæðingar Henry Bessemer á stálframleiðsluiðnaðinum um miðjan 19. öld var mikil áhugi á stálmengun og rannsóknum á stálframleiðslu.
Á þeim tíma sem fyrsta iðnaðarframleiðsla kísiljárns á 1880s var mikilvægur kísill í því að bæta sveigjanleika í svínjárni og afoxandi stáli var nokkuð vel skilið.
Snemma framleiðsla kísiljárns var gerð í sprengjaofnum með því að draga úr málmgrýti sem inniheldur sílikon með kolum, sem leiddi til silfurháttar járns, kísiljárns með allt að 20 prósent kísilinnihald.
Þróun rafmagnsbogaofna í byrjun 20. aldar leyfði ekki aðeins meiri stálframleiðslu heldur einnig meiri framleiðslu á kísiljárni.
Árið 1903 var hópur sem sérhæfir sig í að framleiða ferroallóginn (Compagnie Generate d'Electrochimie) hóf starfsemi í Þýskalandi, Frakklandi og Austurríki og árið 1907 var fyrsti kísillverksmiðjan í Bandaríkjunum stofnuð.
Stálframleiðsla var ekki eina umsókn um sílikon efnasambönd sem voru markaðssett fyrir lok 19. aldar.
Til að framleiða gervi demöntum árið 1890, Edward Goodrich Acheson hituð ál silíkat með duftformi kók og tilviljun framleitt kísill karbít (SiC).
Þremur árum síðar hafði Acheson einkaleyfi á framleiðsluaðferð sinni og stofnað Carborundum Company (carborundum sem er algengt nafn á sílikonkarbít á þeim tíma) í þeim tilgangi að framleiða og selja svarfefni.
Snemma á 20. öld hafði leiðandi eiginleikar kísilkarbíðs einnig verið að veruleika og efnasambandið var notað sem skynjari í snemma skipum. Einkaleyfi fyrir sílikon kristal skynjari var veitt GW Pickard árið 1906.
Árið 1907 var fyrsta ljósdíóða díóða (LED) búin til með því að beita spennu á kísilkarbíðkristall.
Í gegnum tíunda áratuginn hefur sílikon aukist með þróun nýrra efnavara, þ.mt silan og silíkon.
Vöxtur rafeindatækni á undanförnum öld hefur einnig verið óhjákvæmilega tengdur við sílikon og einstaka eiginleika þess.
Þó að sköpun fyrstu transistorsna - forverurnar í nútíma microchips - á 1940-treyjunum byggði á þýsku , var það ekki lengi áður en sílikon neytti málmfrían frænda sína sem varanlegur undirlags hálfleiðaraefni.
Bell Labs og Texas Instruments hófu að framleiða kvikasilfur sem byggjast á kísilbúnaði árið 1954.
Fyrstu kísilkerfin voru gerð á 1960 og á sjöunda áratugnum voru kísilhvarfafyrirtæki þróaðar.
Í ljósi þess að kísilháðuð hálfleiðurartækni er burðarás nútíma rafeindatækni og tölvunar, ætti það ekki að koma á óvart að við vísum til virkjunarstöðvarinnar í þessari iðnaði sem "Silicon Valley."
(Fyrir nákvæma skoðun á sögu og þróun Silicon Valley og örkippatækni mælum ég mjög með American Experience heimildarmyndinni sem ber yfirskriftina Silicon Valley).
Ekki löngu eftir að afhjúpa fyrstu smábrautirnar, gerði Bell Labs 'vinna með sílikon leitt til annarrar meiriháttar byltingar árið 1954: Fyrsta kísill photovoltaic (sól) klefi.
Áður en þetta var hugsað um að nýta orku frá sólinni til að skapa kraft á jörðu, var talið ómögulegt að mestu. En aðeins fjórum árum síðar, árið 1958, var gervitunglinn sem keyptur var af sílikon sólfrumum gervihnatta um jörðina.
Á áttunda áratugnum höfðu atvinnuforrit fyrir sól tækni vaxið til jarðneskra umsókna, svo sem að lýsa lýsingu á olíustigi og járnbrautum.
Á síðustu tveimur áratugum hefur notkun sólarorku vaxið veldisvísis. Í dag eru kísilstöðvar í ljós að um 90 prósent af heimsmarkaðnum fyrir sólarorku er að finna.
Framleiðsla:
Meirihluti kísils hreinsað á hverju ári - um 80 prósent - er framleitt sem kísilkalsíum til notkunar í járni og stálframleiðslu . Kísilkísill getur innihaldið hvar sem er á milli 15 og 90 prósent kísils eftir þörfum smelta.
Málmblöndur úr járni og sílikoni eru framleidd með því að nota vatnsdæla rafmagnsboga með því að draga úr meltingu. Kísilríkur málmgrýti og kolefnisgjafi eins og koksskol (málmvinnslukol) er mulið og hlaðinn í ofninn ásamt ruslpípu.
Við hitastig yfir 1900 ° C (3450 ° F) bregst kolefni við súrefnið sem er í málmgrýti og myndar kolmónoxíðgas. Eftirstöðvar járn og sílikon, á sama tíma, sameinast síðan til að smyrja kísilkvoða sem hægt er að safna með því að banka á ofni í ofninum.
Einu sinni kælt og hert, þá er hægt að flytja kísiljárnið og nota það beint í framleiðslu á járni og stáli.
Sama aðferð, án þess að taka járn, er notuð til að framleiða málmhúðaðar kísill sem er meira en 99 prósent hreint. Metallurgical kísill er einnig notað í stáli bræðslu, auk framleiðslu á ál steypu málmblöndur og silan efni.
Metallurgical kísill er flokkuð af óhreinindum járns, ál og kalsíums í ál. Til dæmis inniheldur 553 kísilmálmur minna en 0,5 prósent af hverju járni og áli og minna en 0,3 prósent kalsíum.
Um það bil 8 milljónir tonn af kísiljárni eru framleiddar á hverju ári á heimsvísu, þar sem Kína reiknar um 70 prósent af þessari heild. Stór framleiðendur eru Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials og Elkem.
Að auki er um 2.6 milljón tonn af málmvinnslu kísil - eða um það bil 20 prósent af heildarhreinsaðri kísilmálmi - framleitt árlega. Kína, aftur, reikningur fyrir um 80 prósent af þessari framleiðslu.
Margir á óvart er að sól og rafeindir úr sílikonskröfum eru aðeins lítill hluti (minna en tveir prósent) af öllum hreinsaðri sílikonframleiðslu.
Til að uppfæra í sól-gráðu sílikon málm (pólýlsílíkon) verður hreinleiki að hækka upp í 99,9999% (6N) hreint sílikon. Þetta er gert með einum af þremur aðferðum, algengasta sem Siemens ferlið er.
Siemens ferlið felur í sér efna gufuútfellingu rokgjarnra gasa sem kallast tríklórsílan. Við 1150 ° C (2102 ° F) er triklórsílan blásið yfir háu hreinleika sílikonfræi sem er fest við enda stangans. Þegar það fer yfir er háhreinsiefni sílikon úr gasinu afhent á fræinu.
Vökvahólf reactor (FBR) og uppfærsla málmgrýti (UMG) sílikon tækni eru einnig notaðar til að auka málminn í pólýsílikon sem er hentugur fyrir ljósvökvaiðnaðinum.
230.000 tonn af kísilkísli voru framleiddar árið 2013. Leiðandi framleiðendur eru GCL Poly, Wacker-Chemie og OCI.
Að lokum, til að gera rafeindatækni bekk kísill hentugur fyrir hálfleiðurum iðnaður og ákveðin photovoltaic tækni, verður pólýlsilicon umbreytt í Ultra-hreint Monocrystal sílikon gegnum Czochralski ferli.
Til að gera þetta bráðnar smásjárinn í deigli við 1425 ° C (2597 ° F) í óvirkum andrúmslofti. Stangsett frækristall er síðan dýft í smeltuðu málmi og hægt að snúa og fjarlægja það, sem gefur tíma til að kísillinn vaxi á fræefnið.
Afurðin sem myndast er stangir (eða buxur) úr einföldu kísilkísilmálmi sem getur verið eins hátt og 99,999999999 (11N) prósent hreint. Þessi stangir geta verið dotað með bór eða fosfór eins og krafist er til að klífa skammtafræðilega eiginleika eins og þörf krefur.
The monocrystal stangir geta verið sendar til viðskiptavina eins og er, eða sneið í wafers og fáður eða áferð fyrir tiltekna notendur.
Forrit:
Þó að um það bil tíu milljón tonn af kísiljárni og kísilmálmi séu hreinsaðar á hverju ári, þá er aðalhlutinn af kísill sem notað er í atvinnuskyni í raun í formi kísil steinefna sem eru notuð við framleiðslu allt frá sementi, steypu og keramik til gler og fjölliður.
Kísilkalsíum, eins og fram kemur, er algengasta formin málmkísils. Frá fyrstu notkun um 150 árum hefur kísilkvoða verið mikilvægur deoxidiserandi efnið í framleiðslu á kolefni og ryðfríu stáli . Í dag er stálbræðsla enn stærsti neytandi kísiljárns.
Kísiljárni hefur þó nokkrar notkunir utan stálframleiðslu. Það er fyrirfram álfelgur í framleiðslu á kísilkalsíum úr magnesíum , kúptu sem notað er til að framleiða sveigjanlegt járn, sem og meðan á Pidgeon aðferðinni stendur til að hreinsa magnesíum úr háum hreinleika.
Kísilkvoða er einnig hægt að nota til að búa til hita og tæringarþolna járnkísilblöndur og kísilstál, sem er notað við framleiðslu á rafmótorum og spennukernum.
Metallurgical sílikon er hægt að nota í stálframleiðslu og álfelgur í álsteypu. Bílar í áli-sílikon (Al-Si) eru léttar og sterkari en íhlutir úr hreinum áli. Bílavarahlutir, svo sem hreyfiblokkar og hjólbarðar, eru nokkrar af algengustu kísilhlutum úr álframleiðslu.
Næstum helmingur allra málmvinnsluþykknis er notað af efnaiðnaði til að gera fumed kísil (þykknunarefni og þurrkefni), silan (tengiefni) og kísill (þéttiefni, lím og smurefni).
Sólgleraugu úr fjölliða er fyrst og fremst notaður við gerð sólfrumna úr fjölliða. Um það bil fimm tonn af pólýsíli er nauðsynlegt til að búa til einn megavatt af sólmódelum.
Eins og er er fjallað um fjölliða sól tækni í meira en helmingi sólarorkunnar sem er framleidd á heimsvísu, en einangrunar tækni veitir um það bil 35 prósent. Alls er 90 prósent af sólarorku sem menn nota, safnað með tækni sem byggir á sílikon.
Monocrystal sílikon er einnig mikilvægt hálfleiðaraefni sem finnast í nútíma rafeindatækni. Sem undirlagsefni sem notað er við framleiðslu á sviðiáhrifaviðskiptum (FET), LED og samþættum hringrásum er hægt að finna sílikon í nánast öllum tölvum, farsímum, töflum, sjónvarpi, útvarpi og öðrum nútíma samskiptatækjum.
Áætlað er að meira en þriðjungur allra rafeindatækja innihalda sílikonháð hálfleiðurartækni.
Að lokum er kísilkarbíð úr algerum málmi notað í ýmsum rafrænum og ótengdum forritum, þar á meðal tilbúnum skartgripum, hálfleiðara með háum hita, hörðum keramikum, skurðarverkum, bremsum, slípiefni, skothelduðum bolum og hitameðhöndlum.
Heimildir:
Stutt saga um Steel Alloying og Ferroalloy Production.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri og Seppo Louhenkilpi. To
Um hlutverk Ferroalloys í Steelmaking. 9.-13. Júní 2013. Þrettánda alþjóðlega Ferroalloys þingið. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Fylgdu Terence á Google+