Οι ιδιότητες και οι χρήσεις του μετάλλου πυριτίου

Το μεταλλικό πυρίτιο είναι ένα γκρι και λαμπερό ημιαγώγιμο μέταλλο που χρησιμοποιείται για την κατασκευή χάλυβα, ηλιακών κυψελών και μικροτσίπ. Το πυρίτιο είναι το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στην κρούστα της γης (πίσω από το οξυγόνο μόνο) και το όγδοο-συνηθέστερο στοιχείο του σύμπαντος. Σχεδόν το 30% του βάρους του φλοιού της γης μπορεί να αποδοθεί στο πυρίτιο.

Το στοιχείο με τον ατομικό αριθμό 14 εμφανίζεται φυσικά σε πυριτικά άλατα, συμπεριλαμβανομένου του διοξειδίου του πυριτίου, του άστριου και της μαρμαρυγίας, τα οποία αποτελούν βασικά συστατικά των κοινών πετρωμάτων όπως ο χαλαζίας και ο ψαμμίτης. Ένα ημι-μέταλλο (ή μεταλοειδές), το πυρίτιο διαθέτει κάποιες ιδιότητες τόσο των μετάλλων όσο και των μη-μετάλλων.

Όπως το νερό - αλλά σε αντίθεση με τα περισσότερα μέταλλα - το πυρίτιο συστέλλεται στην υγρή του κατάσταση και επεκτείνεται καθώς στερεοποιείται. Έχει σχετικά υψηλά σημεία τήξης και βρασμού και όταν κρυσταλλώνεται σχηματίζει μια κυβική δομή διαμαντιού. Ο κρίσιμος ρόλος του πυριτίου ως ημιαγωγός και η χρήση του στα ηλεκτρονικά είναι το ατομικό στοιχείο του στοιχείου δομή, η οποία περιλαμβάνει τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους που επιτρέπουν τη σύνδεση του πυριτίου με άλλα στοιχεία πρόθυμα.

• Ατομικό σύμβολο: Si
• Ατομικός αριθμός: 14
• Στοιχείο Κατηγορία: Μεταλλοειδές
• Πυκνότητα: 2.329 g / cm3
• Σημείο τήξης: 2577 ° F (1414 ° C)
• Σημείο ζέσης: 5909 ° F (3265 ° C)
• Η σκληρότητα του Moh: 7

Ο Σουηδός χημικός Jons Jacob Berzerlius πιστώνεται με το πρώτο απομονωτικό πυρίτιο το 1823. Ο Berzerlius το επιτέλεσε αυτό με θέρμανση μεταλλικού καλίου (που είχε απομονωθεί μόνο μια δεκαετία νωρίτερα) σε ένα χωνευτήριο μαζί με φθοριοπυριτικό κάλιο. Το αποτέλεσμα ήταν άμορφο πυρίτιο.

Ωστόσο, η παρασκευή κρυσταλλικού πυριτίου απαιτούσε περισσότερο χρόνο. Δεν θα γίνει ηλεκτρολυτικό δείγμα κρυσταλλικού πυριτίου για άλλες τρεις δεκαετίες. Η πρώτη εμπορική χρήση του πυριτίου ήταν με τη μορφή σιδηροπυριτίου.

Μετά τον Henry Bessemer εκσυγχρονισμός της βιομηχανίας χάλυβα στα μέσα του 19ου αιώνα, υπήρξε μεγάλο ενδιαφέρον ατσάλι τη μεταλλουργία και την έρευνα στις τεχνικές παραγωγής χάλυβα. Μέχρι τη στιγμή της πρώτης βιομηχανικής παραγωγής σιδηροπυριτίου στη δεκαετία του 1880, η σημασία του πυριτίου για τη βελτίωση εύπλαστο σε χοίρους σίδερο και ο χάλυβας αποξείδωσης ήταν αρκετά καλά κατανοητός.

Η πρώιμη παραγωγή σιδηροπυριτίου πραγματοποιήθηκε σε υψικαμίνους με μείωση των μεταλλευμάτων που περιείχαν πυρίτιο με ξυλάνθρακα, με αποτέλεσμα αργυρόχρωμο χυτοσίδηρο, σιδηροπυρίτιο με περιεκτικότητα σε πυρίτιο έως και 20%.

Η ανάπτυξη ηλεκτρικών κλιβάνων τόξου στις αρχές του 20ου αιώνα επέτρεψε όχι μόνο μεγαλύτερη παραγωγή χάλυβα, αλλά και μεγαλύτερη παραγωγή σιδηροπυριτίου. Το 1903 ξεκίνησε μια ομάδα που ειδικεύεται στην κατασκευή του σιδηροκράματος (Compagnie Generate d'Electrochimie) στη Γερμανία, τη Γαλλία και την Αυστρία και, το 1907, το πρώτο εμπορικό εργοστάσιο πυριτίου στις ΗΠΑ ιδρύθηκε το.

Η χαλυβουργία δεν ήταν η μόνη εφαρμογή για τις ενώσεις πυριτίου που διατέθηκαν στο εμπόριο πριν από τα τέλη του 19ου αιώνα. Για την παραγωγή τεχνητών διαμαντιών το 1890, Edward Goodrich Acheson θερμαινόμενο πυριτικό αργίλιο με κονιοποιημένο οπτάνθρακα και παρεμπιπτόντως παραγόμενο καρβίδιο του πυριτίου (SiC).

Τρία χρόνια αργότερα ο Acheson είχε κατοχυρώσει με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας τη μέθοδο παραγωγής του και ίδρυσε την εταιρεία Carborundum Company (Carborundum που είναι η κοινή ονομασία για το καρβίδιο του πυριτίου κατά το χρόνο) για το σκοπό της κατασκευής και πώλησης λειαντικών προϊόντα.

Από τις αρχές του 20ου αιώνα, οι αγώγιμες ιδιότητες του καρβιδίου του πυριτίου είχαν επίσης πραγματοποιηθεί και η ένωση χρησιμοποιήθηκε ως ανιχνευτής στα πρώιμα ραδιόφωνα του πλοίου. Ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για ανιχνευτές κρυστάλλου πυριτίου χορηγήθηκε στον GW Pickard το 1906.

Το 1907, η πρώτη δίοδος εκπομπής φωτός (LED) δημιουργήθηκε με την εφαρμογή τάσης σε ένα κρυστάλλινο καρβίδιο του πυριτίου. Μέσα από τη δεκαετία του 1930 η χρήση πυριτίου αυξήθηκε με την ανάπτυξη νέων χημικών προϊόντων, συμπεριλαμβανομένων των σιλανίων και των σιλικόνων. Η ανάπτυξη των ηλεκτρονικών συσκευών τον τελευταίο αιώνα έχει επίσης συνδεθεί άρρηκτα με το πυρίτιο και τις μοναδικές του ιδιότητες.

Ενώ η δημιουργία των πρώτων τρανζίστορ - των προδρόμων των σύγχρονων μικροτσίπ - στη δεκαετία του 1940 βασίστηκε γερμάνιο, δεν ήταν πολύ καιρό πριν το πυρίτιο αντικατέστησε τον μεταλλοειδές ξάδελφό του ως ένα πιο ανθεκτικό υλικό ημιαγωγού υποστρώματος. Η Bell Labs και η Texas Instruments άρχισαν να παράγουν εμπορικά τρανζίστορ με βάση το πυρίτιο το 1954.

Τα πρώτα ολοκληρωμένα κυκλώματα πυριτίου κατασκευάστηκαν στη δεκαετία του 1960 και από τη δεκαετία του 1970 είχαν αναπτυχθεί επεξεργαστές που περιείχαν πυρίτιο. Δεδομένου ότι η τεχνολογία ημιαγωγών με βάση το πυρίτιο αποτελεί τη ραχοκοκαλιά της σύγχρονης ηλεκτρονικής και της δεν πρέπει να προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι αναφερόμαστε στον κόμβο δραστηριότητας του κλάδου αυτού ως «πυρίτιο» Κοιλάδα.'

(Για μια λεπτομερή ματιά στην ιστορία και την εξέλιξη της τεχνολογίας Silicon Valley και microchip, συνιστώ ανεπιφύλακτα το ντοκιμαντέρ American Experience με τίτλο Silicon Valley). Λίγο μετά την αποκάλυψη των πρώτων τρανζίστορ, η δουλειά του Bell Labs με πυρίτιο οδήγησε σε μια δεύτερη σημαντική ανακάλυψη το 1954: Το πρώτο φωτοβολταϊκό (ηλιακό) κύτταρο πυριτίου.

Πριν από αυτό, η σκέψη να αξιοποιηθεί η ενέργεια από τον ήλιο για να δημιουργηθεί δύναμη στη γη θεωρήθηκε αδύνατη από τους περισσότερους. Μόλις τέσσερα χρόνια αργότερα, το 1958, ο πρώτος δορυφόρος που τροφοδοτείται από ηλιακά κύτταρα πυριτίου περιστράφηκε γύρω από τη γη.

Μέχρι τη δεκαετία του 1970, οι εμπορικές εφαρμογές για ηλιακές τεχνολογίες είχαν αναπτυχθεί σε χερσαίες εφαρμογές, όπως η τροφοδοσία φωτισμού σε υπεράκτια πετρελαιοφόρα και σιδηροδρομικές διαβάσεις. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, η χρήση ηλιακής ενέργειας έχει αυξηθεί εκθετικά. Σήμερα, οι φωτοβολταϊκές τεχνολογίες με βάση το πυρίτιο αποτελούν περίπου το 90% της παγκόσμιας αγοράς ηλιακής ενέργειας.

Η πλειοψηφία του πυριτίου που εξευγενίζεται κάθε χρόνο - περίπου 80% - παράγεται ως σιδηροπυρίτιο για χρήση σε σίδηρο και παραγωγή χάλυβα. Το σιδηροπυρίτιο μπορεί να περιέχει οπουδήποτε μεταξύ 15 και 90 τοις εκατό πυρίτιο ανάλογα με τις απαιτήσεις του μεταλλουργείου.

ο κράμα από σίδηρο και πυρίτιο παράγεται με τη χρήση ενός βυθιζόμενου κλιβάνου ηλεκτρικού τόξου μέσω της τήξης μείωσης. Το πλούσιο σε πυρίτιο μετάλλευμα και μια πηγή άνθρακα, όπως ο άνθρακας οπτανθρακοποίησης (μεταλλουργικός άνθρακας), συνθλίβονται και φορτώνονται στον κλίβανο μαζί με σιδηρούχα σκραπ.

Σε θερμοκρασίες άνω των 1900°C (3450°F), ο άνθρακας αντιδρά με το οξυγόνο που υπάρχει στο μεταλλεύμα, σχηματίζοντας αέριο μονοξειδίου του άνθρακα. Ο υπόλοιπος σίδηρος και το πυρίτιο, εν τω μεταξύ, συνδυάζονται στη συνέχεια για να φτιάξουν τετηγμένο σιδηροπυρίτιο, το οποίο μπορεί να συλλεχθεί με κτύπημα στη βάση του φούρνου. Αφού κρυώσει και σκληρύνει, το σιδηροπυρίτιο μπορεί στη συνέχεια να μεταφερθεί και να χρησιμοποιηθεί απευθείας στην κατασκευή σιδήρου και χάλυβα.

Η ίδια μέθοδος, χωρίς την ενσωμάτωση του σιδήρου, χρησιμοποιείται για την παραγωγή μεταλλουργικού πυριτίου που είναι περισσότερο από 99 τοις εκατό καθαρό. Το μεταλλουργικό πυρίτιο χρησιμοποιείται επίσης στην τήξη χάλυβα, καθώς και στην κατασκευή κραμάτων αλουμινίου και χημικών προϊόντων σιλανίου.

Το μεταλλουργικό πυρίτιο ταξινομείται από τα επίπεδα ακαθαρσιών του σιδήρου, αλουμίνιο, και το ασβέστιο που υπάρχει στο κράμα. Για παράδειγμα, το μέταλλο πυριτίου 553 περιέχει λιγότερο από 0,5 τοις εκατό από κάθε σίδηρο και αλουμίνιο και λιγότερο από 0,3 τοις εκατό ασβέστιο.

Περίπου 8 εκατομμύρια μετρικοί τόνοι σιδηροπυριτίου παράγονται κάθε χρόνο σε παγκόσμιο επίπεδο, με την Κίνα να αντιπροσωπεύει περίπου το 70 τοις εκατό αυτού του συνόλου. Οι μεγάλοι παραγωγοί περιλαμβάνουν τον Όμιλο Εrdos Metallurgy, τη Ningxia Rongsheng Ferroalloy, τον Όμιλο OM Materials και την Elkem.

Ένας επιπλέον 2,6 εκατομμύρια μετρικοί τόνοι μεταλλουργικού πυριτίου - ή περίπου 20 τοις εκατό του συνολικού εξευγενισμένου μεταλλικού πυριτίου - παράγεται ετησίως. Η Κίνα αντιπροσωπεύει και πάλι περίπου το 80% αυτής της παραγωγής. Μια έκπληξη για πολλούς είναι ότι οι ηλιακές και οι ηλεκτρονικές ποιότητες πυριτίου αντιπροσωπεύουν μόνο μια μικρή ποσότητα (λιγότερο από δύο τοις εκατό) όλων των εξευγενισμένων προϊόντων πυριτίου. Για να αναβαθμιστεί σε ηλιακό μεταλλικό πυρίτιο (πολυπυριτίου), η καθαρότητα πρέπει να αυξηθεί σε πάνω από 99,9999% (6N) καθαρό πυρίτιο. Αυτό γίνεται μέσω μιας από τις τρεις μεθόδους, η πιο συνηθισμένη είναι η διαδικασία της Siemens.

Η διαδικασία της Siemens περιλαμβάνει χημική εναπόθεση ατμών ενός πτητικού αερίου γνωστού ως τριχλωροσιλάνιο. Στο 1150°C (2102°F) τριχλωροσιλάνιο διοχετεύεται πάνω σε έναν σπόρο πυριτίου υψηλής καθαρότητας τοποθετημένο στο άκρο μιας ράβδου. Καθώς περνάει, το πυρίτιο υψηλής καθαρότητας από το αέριο εναποτίθεται στον σπόρο.

Ο αντιδραστήρας υγρών στρωμάτων (FBR) και η αναβαθμισμένη τεχνολογία πυριτίου μεταλλουργικής ποιότητας (UMG) χρησιμοποιούνται επίσης για την ενίσχυση του μεταλλικού προς το πολυπυριτικό κατάλληλο για τη βιομηχανία φωτοβολταϊκών. Από το 2013 παρήχθησαν διακόσιες τριάντα χιλιάδες μετρικοί τόνοι πολυπυριτίου. Οι κορυφαίοι παραγωγοί περιλαμβάνουν τις εταιρείες GCL Poly, Wacker-Chemie και OCI.

Τέλος, για να γίνει πυρίτιο ηλεκτρονικής ποιότητας κατάλληλο για τη βιομηχανία ημιαγωγών και ορισμένες φωτοβολταϊκών τεχνολογιών, το πολυπυριτικό πρέπει να μετατραπεί σε εξαιρετικά καθαρό μονοκρυσταλλικό πυρίτιο μέσω του Czochralski διαδικασία. Για να γίνει αυτό, το πολυπυριτικό τήκεται σε ένα χωνευτήριο στο 1425°C (2597°F) σε αδρανή ατμόσφαιρα. Στη συνέχεια βυθίζεται ένας κρύσταλλος σπόρου τοποθετημένος στο τετηγμένο μέταλλο και περιστρέφεται αργά και αφαιρείται, δίνοντας χρόνο για να αναπτυχθεί το πυρίτιο στο υλικό σπόρων.

Το προκύπτον προϊόν είναι μια ράβδος (ή μπουλόνια) μεταλλικού πυριτίου μονού κρυστάλλου που μπορεί να είναι τόσο καθαρή όσο 99,999999999 (11Ν). Αυτή η ράβδος μπορεί να εφοδιάζεται με βόριο ή φωσφόρο, όπως απαιτείται για να τσιμπηθούν οι κβαντικές μηχανικές ιδιότητες όπως απαιτείται. Η μονοκρυσταλλική ράβδος μπορεί να μεταφερθεί στους πελάτες ως έχει, ή να τεμαχιστεί σε δίσκους και γυαλισμένη ή υφή για συγκεκριμένους χρήστες.

Ενώ περίπου δέκα εκατομμύρια μετρικοί τόνοι σιδηροπυριτίου και μεταλλικού πυριτίου εκκαθαρίζονται κάθε χρόνο, η πλειονότητα του πυριτίου που χρησιμοποιείται εμπορικά είναι στην πραγματικότητα με τη μορφή ορυκτών πυριτίου, τα οποία χρησιμοποιούνται στην κατασκευή παντός είδους από τσιμέντο, κονιάματα και κεραμικά, μέχρι γυαλί και πολυμερή.

Το σιδηροπυρίτιο, όπως σημειώνεται, είναι η πιο συνηθισμένη μορφή μεταλλικού πυριτίου. Από την πρώτη χρήση του πριν από περίπου 150 χρόνια, το σιδηροπυρίτιο παρέμεινε ένας σημαντικός παράγοντας αποξείδωσης στην παραγωγή άνθρακα και ανοξείδωτο ατσάλι. Σήμερα, η χύτευση χάλυβα παραμένει ο μεγαλύτερος καταναλωτής σιδηροπυριτίου.

Ωστόσο, το σιδηροπυριτίου έχει πολλές χρήσεις πέρα ​​από τη χαλυβουργία. Πρόκειται για προ-κράμα στην παραγωγή του μαγνήσιο σιδηροπυριτίου, ενός οζωθητήρα που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ελατόχρυσου σιδήρου, καθώς και κατά τη διάρκεια της διαδικασίας Pidgeon για τον καθαρισμό μαγνησίου υψηλής καθαρότητας. Το σιδηροπυρίτιο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή θερμότητας και διάβρωση ανθεκτικά κραματοποιημένα σιδηρούχα κράματα πυριτίου καθώς και χάλυβα πυριτίου, που χρησιμοποιείται στην κατασκευή ηλεκτροκινητήρων και πυρήνων μετασχηματιστών.

Το μεταλλουργικό πυρίτιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη χαλυβουργία καθώς και σε ένα κράμα σε χύτευση αλουμινίου. Τα εξαρτήματα αυτοκινήτου αλουμινίου-πυριτίου (Al-Si) είναι ελαφριά και ισχυρότερα από τα εξαρτήματα από χυτό αλουμίνιο. Τα εξαρτήματα αυτοκινήτων, όπως τα μπλοκ κινητήρα και οι ζάντες ελαστικών, είναι μερικά από τα πιο συχνά χυτά μέρη πυριτίου αργιλίου.

Σχεδόν το ήμισυ του συνόλου του μεταλλουργικού πυριτίου χρησιμοποιείται από τη χημική βιομηχανία για να παράγει καπνιστό πυρίτιο (α μέσο πυκνώσεως και ξηραντικό), σιλάνια (παράγοντα σύζευξης) και σιλικόνη (σφραγιστικά, συγκολλητικά και λιπαντικά). Το πολυμερές φωτοβολταϊκού βαθμού χρησιμοποιείται κυρίως στην κατασκευή ηλιακών κυψελών πολυπυριτίου. Περίπου πέντε τόνοι πολυπυριτίου χρειάζονται για να δημιουργήσουν ένα μεγαβάτ ηλιακών μονάδων.

Επί του παρόντος, η ηλιακή τεχνολογία πολυισιλίων αντιπροσωπεύει περισσότερο από το ήμισυ της ηλιακής ενέργειας που παράγεται παγκοσμίως, ενώ η τεχνολογία μονοπυριτίου συμβάλλει περίπου στο 35%. Συνολικά, το 90 τοις εκατό της ηλιακής ενέργειας που χρησιμοποιείται από τον άνθρωπο συλλέγεται από τεχνολογία με βάση το πυρίτιο.

Το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο είναι επίσης ένα κρίσιμο υλικό ημιαγωγών που βρίσκεται στα σύγχρονα ηλεκτρονικά. Ως υλικό υποστρώματος που χρησιμοποιείται στην παραγωγή τρανζίστορ πεδίου δράσης (FETs), LEDs και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, το πυρίτιο μπορεί να βρεθεί σχεδόν σε όλους τους υπολογιστές, τα κινητά τηλέφωνα, τα tablet, τις τηλεοράσεις, τα ραδιόφωνα και άλλες σύγχρονες επικοινωνίες συσκευές. Εκτιμάται ότι πάνω από το ένα τρίτο όλων των ηλεκτρονικών συσκευών περιέχουν τεχνολογία ημιαγωγών με βάση το πυρίτιο.

Τέλος, το σκληρό κράμα καρβιδίου του πυριτίου χρησιμοποιείται σε διάφορες ηλεκτρονικές και μη ηλεκτρονικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των συνθετικών κοσμήματα, ημιαγωγοί υψηλής θερμοκρασίας, σκληρά κεραμικά, εργαλεία κοπής, δίσκοι φρένων, λειαντικά, αλεξίσφαιρα γιλέκα και θέρμανση στοιχεία.

Μια σύντομη ιστορία του κράματος χάλυβα και της παραγωγής σιδηροκραμάτων.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri και Seppo Louhenkilpi.

Σχετικά με τον ρόλο των σιδηροκραμάτων στη χαλυβουργία. 9-13 Ιουνίου 2013. Το 13ο Διεθνές Συνέδριο Ferroalloys. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf