A fémes szilícium egy szürke, fényes félvezető fém, amelyet acél, napelemek és mikrochipek készítésére használnak. A szilícium a második legelterjedtebb elem a földkéregben (csak az oxigén mögött), és a nyolcadik leggyakoribb elem az univerzumban. A földkéreg tömegének csaknem 30 százaléka a szilíciumnak tulajdonítható.
Ez a 14-es rendszámú elem a természetben előfordul olyan szilikát ásványokban, mint a szilícium-dioxid, a földpát és a csillám, amelyek a közönséges kőzetek, például a kvarc és a homokkő fő összetevői. A szilícium, egy félfém (vagy metalloid), rendelkezik bizonyos fémek és nemfémek tulajdonságaival.
A vízhez hasonlóan, de a legtöbb fémtől eltérően, a szilícium folyékony állapotban összehúzódik, és megszilárdulva kitágul. Viszonylag magas olvadás- és forráspontja van, kristályosodva gyémánt köbös kristályszerkezetet képez. A szilícium atomi szerkezete, amely négy vegyértékelektront tartalmaz, amelyek lehetővé teszik a szilícium könnyű kötődését más elemekkel, kritikus fontosságú a félvezető funkció és az elektronikában való felhasználás szempontjából.
Tulajdonságok
Atom szimbólum: Igen
Atomszám: 14
Elem kategória: Metalloid
Sűrűség: 2.329g/cm3
Olvadáspont: 2577°F (1414°)
Forráspont: 5909 F F (3265 F)
Moh-keménység: 7
Termelés
Az évente finomított szilícium nagy részét, mintegy 80 százalékát ferroszilíciumként állítják elő, vas- és acélgyártáshoz. A ferroszilícium 15 és 90 százalék közötti szilíciumot tartalmazhat, az öntöde igényeitől függően.
A vas-szilícium ötvözetet merülő elektromos ívkemencében állítják elő redukciós olvasztással. A szilícium-dioxidban gazdag ércet és egy szénforrást, például kokszszenet (kohászati szén) összezúznak, és a hulladékkal együtt a kemencébe töltik.
1900 fok (3450 F F) feletti hőmérsékleten a szén reakcióba lép az ásványban jelenlévő oxigénnel, szén-monoxid gázt képezve. A megmaradt vas és szilícium eközben olvadt ferroszilíciumot képez, amelyet a kemence aljára ütögetve össze lehet gyűjteni. Lehűlés és megszilárdulás után a ferroszilícium szállítható és közvetlenül felhasználható vas- és acélgyártásban.
Ugyanezt a módszert, a vas kivételével, 99 százaléknál nagyobb tisztaságú kohászati minőségű szilícium előállítására használják. A kohászati szilíciumot acélöntéshez, valamint öntött alumíniumötvözetek és szilán vegyszerek gyártásához is használják.
A kohászati szilíciumot az ötvözetben lévő vas, alumínium és kalcium szennyeződési szintje szerint osztályozzák. Például a fémszilícium 553 kevesebb, mint 0,5 százaléknál kevesebb fémet, vasat és alumíniumot tartalmaz, és kevesebb, mint 0,3 százalék kalciumot.
Évente körülbelül 8 millió tonna ferroszilíciumot állítanak elő világszerte, ennek mintegy 70 százaléka Kína. A főbb gyártók közé tartozik az Erdos Metallurgy Group, a Ningxia Rongsheng Ferroalloy, a Group OM Materials és az Elkem.
További 2,6 millió tonna kohászati szilíciumot állítanak elő évente, ami a teljes finomított fémszilícium mintegy 20 százaléka. Kína adja a termelés mintegy 80 százalékát. Sokak számára meglepetés, hogy a napelemes és elektronikus szilícium minőségek csak kis részét (kevesebb mint két százalékát) teszik ki az összes finomított szilícium termelésnek. A szoláris minőségű fémszilícium (poliszilícium) használatához a tisztaságnak 99,9999 százalék (6N) tiszta szilícium fölé kell nőnie. Ez a három módszer egyikével történik, a leggyakoribb a Siemens eljárás.
A Siemens-eljárás egy triklór-szilánként ismert illékony gáz kémiai gőzleválasztását foglalja magában. A triklórszilánt 1150 fokon (2102 °F) fújják egy rúd végére erősített nagy tisztaságú szilícium magra. Ahogy áthalad rajta, a gázban lévő nagy tisztaságú szilícium lerakódik a magra.
Fluid ágyas reaktort (FBR) és fokozott metallurgiai minőségű (UMG) szilíciumtechnológiát is alkalmaznak a fém fotovoltaikus ipar számára megfelelő poliszilíciummá fejlesztésére. 2013-ban 230.{2}} tonna poliszilíciumot állítottak elő. A fő gyártók a GCL Poly, a Wacker-Chemie és az OCI.
Végül, ahhoz, hogy az elektronikus minőségű szilícium alkalmas legyen a félvezetőiparban és bizonyos fotovoltaikus technológiákban való felhasználásra, a poliszilíciumot Czochralski-eljárással ultratiszta monokristályos szilíciummá kell alakítani. Ehhez a poliszilíciumot egy tégelyben 1425 fokon (2597 F) inert atmoszférában megolvasztják. Ezután egy rúdra szerelt magkristályt az olvadt fémbe merítenek, majd lassan elforgatják és eltávolítják, így időt hagyva a szilíciumnak a maganyagban való növekedésére.
Az eredményül kapott termék egy egykristályos szilíciumfém rúd (vagy golyó), amely elérheti a 99,999999999 (11 N) százalékos tisztaságot. Ez a rúd szükség szerint bórral vagy foszforral adalékolható a kvantummechanikai tulajdonságok módosítása érdekében. A monokristályos rudat az ügyfeleknek kiszállíthatja, vagy ostyákra vágva, polírozva vagy textúrázva az adott felhasználók számára.
Alkalmazások
Bár évente mintegy tízmillió tonna ferroszilíciumot és szilíciumfémet finomítanak, a kereskedelemben felhasznált szilícium nagy része szilíciumércek formájában van, amelyeket a cementtől, habarcstól és kerámiától az üvegig és polimerekig minden gyártásában használnak fel.
A ferroszilícium, mint már említettük, a fémes szilícium legszélesebb körben használt formája. 150 évvel ezelőtti első felhasználása óta a ferroszilícium fontos deoxidálószer maradt a szén- és rozsdamentes acélgyártásban. Ma is az acélöntvény a ferroszilícium legnagyobb fogyasztója.
A ferroszilíciumnak azonban az acélgyártáson kívül más felhasználási területei is vannak. Előötvözet a magnézium-ferroszilícium, a gömbgrafitos vas előállításához használt pelletizáló, valamint a nagy tisztaságú magnézium finomítására szolgáló Pidgeon-eljárás során. A ferroszilíciumból hő- és korrózióálló vas-szilíciumötvözetek, valamint szilíciumacél is készíthetők, amelyet elektromos motorok és transzformátormagok gyártásához használnak.
A kohászati szilícium felhasználható az acéliparban és ötvözőanyagként az alumíniumöntödékben. Az alumínium-szilícium (Al-Si) autóalkatrészek könnyebbek és erősebbek, mint a tiszta alumíniumöntvények. Az olyan autóalkatrészek, mint a motorblokkok és a felnik, a legszélesebb körben öntött alumínium-szilícium alkatrészek közé tartoznak.
A kohászati szilícium közel felét a vegyiparban használják fel füstölt szilícium-dioxid (sűrítő- és szárítószer), szilánok (kötőanyag) és szilikon (tömítőanyagok, ragasztók és kenőanyagok) előállítására. A fotovoltaikus minőségű poliszilíciumot elsősorban poliszilícium napelemek gyártásához használják. Körülbelül öt tonna poliszilícium szükséges egy megawatt napelemmodul elkészítéséhez.
Jelenleg a poliszilícium szoláris technológia a világ megtermelt napenergiájának több mint felét, míg a monoszilícium technológia körülbelül 35 százalékát teszi ki. Összességében az emberek által felhasznált napenergia 90 százalékát szilícium alapú technológia gyűjti össze.
Az egykristályos szilícium a modern elektronika egyik alapvető félvezető anyaga is. A térhatású tranzisztorok (FET-ek), LED-ek és integrált áramkörök gyártásához használt hordozóanyagként a szilícium gyakorlatilag minden modern számítógépben, mobiltelefonban, táblagépben, televízióban, rádióban és egyéb kommunikációs eszközben megtalálható. Becslések szerint az összes elektronikus eszköz több mint egyharmada szilícium alapú félvezető technológiát tartalmaz.
Végül a kemény ötvözetű szilícium-karbidot számos elektronikus és nem elektronikus alkalmazásban használják, mint például szintetikus ékszerek, magas hőmérsékletű félvezetők, kemény kerámiák, vágószerszámok, féktárcsák, csiszolóanyagok stb. golyóálló mellények és fűtőelemek.
