المعدن الملف الشخصي: السيليكون معدن

السيليكون المعدني هو معدن شبه موصلة رمادي و لامع يستخدم لتصنيع الصلب، والخلايا الشمسية، والرقائق الدقيقة.

السيليكون هو ثاني أكثر العناصر وفرة في قشرة الأرض (وراء الأوكسجين فقط) والعنصر الثامن الأكثر شيوعا في الكون. في الواقع، ما يقرب من 30 في المئة من وزن قشرة الأرض يمكن أن يعزى إلى السيليكون.

العنصر ذو العدد الذري 14 يحدث بشكل طبيعي في معادن السيليكات، بما في ذلك السيليكا، الفلسبار، الميكا، والتي هي المكونات الرئيسية للصخور المشتركة مثل الكوارتز والحجر الرملي.

شبه-- معدن (أو الفلزات)، السيليكون تمتلك بعض خصائص كل من المعادن وغير-- المعادن.

مثل الماء - ولكن على عكس معظم المعادن - عقود السيليكون في حالته السائلة ويتوسع كما أنه يتصاعد. ولها ذوبان ونقاط غليان عالية نسبيا، وعندما تتبلور أشكال الماس الكريستال هيكل مكعب.

دور الحرجة في السيليكون كأشباه الموصلات واستخدامه في الإلكترونيات هو التركيب الذري للعنصر، والذي يتضمن أربعة إلكترونات تكافؤ تسمح للسليكون بالربط مع العناصر الأخرى بسهولة.

الخصائص:

• الرمز الذري: سي
• العدد الذري: 14
• عنصر الفئة: ميتالويد
• الكثافة: 2. 329g / cm3
• نقطة الانصهار: 2577 ° F (1414 ° C)
• درجة الغليان: 5909 ° F (3265 ° C)
• مو صلابة: 7

<3>>

التاريخ:

ينتمي الكيميائي السويدي يونس يعقوب بيرزيرليوس إلى عزل السيليكون لأول مرة في عام 1823. وقد حقق بيرزيرليوس ذلك عن طريق تسخين البوتاسيوم المعدني (الذي كان معزولا قبل عقد من الزمان) مع فلوروسيليكات البوتاسيوم.

وكانت النتيجة السيليكون غير المتبلور.

صنع السيليكون البلوري، ومع ذلك، يتطلب المزيد من الوقت. ولن يتم إجراء عينة كهربائية من السيليكون البلوري لمدة ثلاثة عقود أخرى.

كان أول استخدام التجاري للسليكون في شكل فيروسيليكون.

بعد تحديث هنري بيسيمر لصناعة صناعة الصلب في منتصف القرن 19th، كان هناك اهتمام كبير في المعادن الصلب والبحوث في تقنيات صناعة الصلب.

وبحلول وقت الإنتاج الصناعي الأول من فيروسيليكون في 1880s، وأهمية السيليكون في تحسين ليونة في الحديد الخنازير والصلب ديوكسيديزينغ كان مفهوما جيدا إلى حد ما.

تم الإنتاج المبكر للفيروسيليكون في أفران الصهر عن طريق الحد من خامات السيليكون المحتوية على الفحم، مما أدى إلى حديد خنزير فضي، وهو فيروسيليكون مع محتوى يصل إلى 20٪ من السيليكون.

إن تطوير أفران القوس الكهربائي في بداية القرن العشرين لم يسمح بزيادة إنتاج الصلب فحسب، بل أيضا بزيادة إنتاج الفيروزيليكون.

في عام 1903، بدأت مجموعة متخصصة في صناعة السبائك الحديدية (كومباني جينيرات d'إليكتروشيمي) عملياتها في ألمانيا وفرنسا والنمسا، وفي عام 1907، تم تأسيس أول مصنع تجاري للسليكون في الولايات المتحدة.

لم تكن صناعة الصلب هي التطبيق الوحيد لمركبات السيليكون التي تم تسويقها قبل نهاية القرن التاسع عشر.

لإنتاج الماس الاصطناعي في عام 1890، إدوارد غودريتش أشيسون تسخين الألمنيوم سيليكات مع مسحوق الكوك و كربيد السيليكون المنتجة بالمناسبة (سيك).

بعد ثلاث سنوات، حصل "آتشون" على براءة اختراع لطريقة إنتاجه وأسس شركة "كاربوندوم" (كاربوروندوم كونها الاسم الشائع ل كربيد السيليكون في ذلك الوقت) لغرض صنع وبيع المنتجات الكاشطة.

وبحلول أوائل القرن العشرين، تم أيضا تحقيق خصائص موصل كربيد السيليكون، واستخدم المركب ككاشف في أجهزة الراديو المبكرة للسفن. تم منح براءة اختراع للكشف عن الكريستال السيليكون ل غو بيكارد في عام 1906.

في عام 1907، تم إنشاء أول الصمام الثنائي الباعث للضوء (ليد) عن طريق تطبيق الجهد إلى الكريستال كربيد السيليكون.

خلال الثلاثينيات من القرن العشرين نما استخدام السيليكون مع تطوير منتجات كيميائية جديدة، بما في ذلك سيلاني والسيليكون.

كان نمو الإلكترونيات على مدى القرن الماضي مرتبطا ارتباطا وثيقا بالسيليكون وخصائصه الفريدة.

في حين أن إنشاء الترانزستورات الأولى - السلائف إلى رقائق حديثة - في 1940s اعتمد على الجرمانيوم، لم يمض وقت طويل قبل أن تحل محل السيليكون ابن عمه ميتالويد كمادة أشباه الموصلات الركيزة أكثر دواما.

بدأت مختبرات بيل وتكساس إنسترومنتس إنتاجيا ترانزستورات تعتمد على السيليكون في عام 1954.

تم تصنيع الدوائر السيليكونية المتكاملة الأولى في ستينيات القرن العشرين، وبحلول السبعينيات، تم تطوير معالجات تحتوي على السيليكون.

وبالنظر إلى أن تكنولوجيا أشباه الموصلات القائمة على السيليكون تشكل العمود الفقري للإلكترونيات الحديثة والحوسبة، فمن المفاجئ أن نشير إلى مركز النشاط لهذه الصناعة باسم وادي السيليكون.

(للاطلاع على نظرة تفصيلية على تاريخ وتطوير وادي السليكون والتكنولوجيا الدقيقة، أوصي بتجربة الأفلام الوثائقية الأمريكية بعنوان وادي السيليكون).

بعد فترة طويلة من كشف النقاب عن الترانزستورات الأولى، أدى عمل مختبرات بيل مع السيليكون إلى اختراق رئيسي ثان في عام 1954: أول خلية كهروضوئية (شمسية) من السيليكون.

وقبل ذلك، كان يعتقد أن تسخير الطاقة من الشمس لخلق الطاقة على الأرض أمر مستحيل من قبل معظم. ولكن بعد أربع سنوات فقط، في عام 1958، كان أول قمر صناعي مدعوم بخلايا شمسية من السيليكون يدور حول الأرض.

وبحلول السبعينيات، نمت التطبيقات التجارية للتكنولوجيات الشمسية إلى تطبيقات أرضية مثل إضاءة الإنارة على منصات النفط البحرية وعبر السكك الحديدية.

على مدى العقدين الماضيين، نما استخدام الطاقة الشمسية أضعافا مضاعفة. واليوم، تمثل التقنيات الكهروضوئية القائمة على السيليكون نحو 90 في المائة من سوق الطاقة الشمسية العالمية.

الإنتاج:

يتم إنتاج معظم السيليكون المكرر كل عام - حوالي 80 في المئة - كما فيروسيليكون للاستخدام في الحديد وصناعة الصلب. فيروسيليكون يمكن أن تحتوي على أي مكان بين 15 و 90٪ السيليكون اعتمادا على متطلبات المصهر.

يتم إنتاج سبائك الحديد والسليكون باستخدام فرن القوس الكهربائي المغمور عن طريق صهر الحد. يتم سحق خام السيليكا الغني ومصدر الكربون مثل فحم الكوك (الفحم المعدني) وتحميلها في الفرن جنبا إلى جنب مع الحديد الخردة.

في درجات حرارة أكثر من 1900 ° C (3450 ° F)، يتفاعل الكربون مع الأكسجين الموجود في الخام، ويشكل غاز أول أكسيد الكربون. وفي الوقت نفسه، فإن الحديد المتبقي والسليكون، يتحدان معا لجعل فيروسيليكون المنصهر، والتي يمكن جمعها عن طريق التنصت على قاعدة الفرن.

بمجرد تبريد وتصلب، ويمكن بعد ذلك شحنها فيروسيليكون واستخدامها مباشرة في تصنيع الحديد والصلب.

وتستخدم الطريقة نفسها، دون إدراج الحديد، لإنتاج السيليكون الصف المعدني الذي هو أكبر من 99 في المئة نقية. ويستخدم السيليكون المعدني أيضا في صهر الصلب، فضلا عن تصنيع سبائك الألمنيوم وسبائك الكيماويات السيلانية.

يتم تصنيف السيليكون المعدني بمستويات النجاسة من الحديد والألمنيوم والكالسيوم الموجود في السبائك. على سبيل المثال، 553 معدن السيليكون يحتوي على أقل من 0. 5 في المئة من كل من الحديد والألومنيوم، وأقل من 0. 3 في المئة الكالسيوم.

يتم إنتاج حوالي 8 ملايين طن متري من الفيروزيليكون سنويا على الصعيد العالمي، حيث تمثل الصين حوالي 70 في المائة من هذا المجموع. وتشمل المنتجين الكبار إردوس ميتالورغي غروب، نينغشيا رونغشنغ فيروالوي، المجموعة أوم المواد والإلكيم.

يتم إنتاج 2 مليون طن متري إضافي من السيليكون المعدني - أو حوالي 20 في المائة من إجمالي معدن السيليكون المكرر - سنويا. الصين، مرة أخرى، تمثل حوالي 80 في المئة من هذا الناتج.

والمفاجأة للكثيرين هي أن الدرجات الشمسية والإلكترونية من السيليكون تمثل فقط كمية صغيرة (أقل من 2 في المئة) من جميع إنتاج السيليكون المكرر.

للترقية إلى معدن السيليكون الشمسية (البولي سيليكون)، يجب أن تزيد النقاء إلى أعلى من 99. 9999٪ (6N) السيليكون النقي. ويتم ذلك من خلال واحدة من ثلاث طرق، والأكثر شيوعا هي عملية سيمنز.

تتضمن عملية سيمنز ترسب بخار كيميائي لغاز متقلب يعرف باسم تريكلوروسيلان. في 1150 ° C (2102 ° F) تريكلوروسيلان في مهب فوق السيليكون عالية النقاء شنت في نهاية قضيب. كما يمر فوق، ويودع السيليكون عالية النقاء من الغاز على البذور.

يستخدم مفاعل سرير السوائل (فبر) وتكنولوجيا الصف السيليكون المتطورة (أومغ) أيضا لتعزيز المعدن للبولي سيليكون المناسب للصناعة الكهروضوئية.

تم إنتاج 230 ألف طن متري من البولي سيليكون في عام 2013. ومن أبرز المنتجين شركة غكل بولي و واكر-تشيمي و أوسي.

وأخيرا، لجعل السيليكون الإلكترونية الصف مناسبة لصناعة أشباه الموصلات وبعض التكنولوجيات الضوئية، يجب تحويل البولي سيليكون إلى السيليكون أحادية نقية فائقة نقية عن طريق عملية تشوكرالسكي.

للقيام بذلك، يتم ذوبان البولي سيليكون في بوتقة في 1425 درجة C (2597 ° F) في جو خامل. ثم يتم غمر الكريستال قضيب قضيب مثبت في المعدن المنصهر وتدوير ببطء وإزالتها، وإعطاء الوقت للسيليكون لتنمو على المواد البذور.

المنتج الناتج هو قضيب (أو بول) من معدن السيليكون الكريستال واحد التي يمكن أن تصل إلى 99. 999999999 (11N) نقية في المئة. هذا قضيب يمكن مخدر مع البورون أو الفوسفور كما هو مطلوب لقرص الخواص الميكانيكية الكم كما هو مطلوب.

يمكن شحن قضيب أحادي البلورة إلى العملاء كما هو، أو مقطعة إلى رقائق و مصقولة أو محكم لمستخدمين محددين.

التطبيقات:

في حين يتم تكرير ما يقرب من عشرة ملايين طن متري من الحديد فيروسيليكون والسيليكون كل عام، فإن معظم السيليكون المستخدمة تجاريا هو في الواقع في شكل السيليكون المعادن، والتي تستخدم في تصنيع كل شيء من الأسمنت، هاون، والسيراميك، إلى الزجاج والبوليمرات.

فيروزيليكون، كما لوحظ، هو الشكل الأكثر استخداما من السيليكون المعدني. منذ أول استخدام لها منذ حوالي 150 عاما، وظلت فيروسيليكون عاملا هاما ديوكسديزينغ في إنتاج الكربون والفولاذ المقاوم للصدأ. واليوم، لا يزال صهر الصلب أكبر مستهلك للفيروسيليكون.

فيروسيليكون لديها عدد من الاستخدامات ما وراء صناعة الصلب، على الرغم من. وهو ما قبل السبائك في إنتاج المغنيسيوم فيروسيليكون، وهو نودوليزر المستخدمة لإنتاج الحديد الدكتايل، وكذلك خلال عملية بيدجيون لتكرير المغنيسيوم عالية النقاوة.

يمكن أيضا أن تستخدم فيروزيليكون لجعل الحرارة وسبائك مقاومة للحديد السيليكون الحديدية وكذلك الصلب السيليكون، والذي يستخدم في صناعة المحركات الكهربائية والمحولات النوى.

السيليكون المعدنية يمكن أن تستخدم في صناعة الصلب وكذلك عامل السبائك في صب الألومنيوم. أجزاء السيليكون من السيليكون (السي) هي خفيفة الوزن وأقوى من مكونات الألمنيوم النقي. قطع غيار السيارات مثل كتل المحرك وحافات الإطارات هي بعض من الأكثر شيوعا الألمنيوم أجزاء السيليكون الألومنيوم.

يستخدم ما يقرب من نصف جميع السيليكون المعدني من قبل الصناعة الكيميائية لصنع السيليكا المبخرة (عامل سماكة ومجفف)، سيلان (وكيل اقتران) والسيليكون (مواد مانعة التسرب والمواد اللاصقة ومواد التشحيم).

يستخدم البولي سيليكون الصفوف الضوئية في المقام الأول في صنع الخلايا الشمسية البولي سيليكون. وهناك حاجة إلى حوالي خمسة أطنان من البولي سيليكون لجعل ميجاوات واحد من وحدات الطاقة الشمسية.

في الوقت الحالي، تمثل تكنولوجيا البولي سيلكون الشمسية أكثر من نصف الطاقة الشمسية المنتجة عالميا، في حين تساهم تكنولوجيا مونوسيليكون بحوالي 35٪. في المجموع، 90٪ من الطاقة الشمسية المستخدمة من قبل البشر يتم جمعها بواسطة التكنولوجيا القائمة على السيليكون.

مونوكريستال السيليكون هو أيضا مادة أشباه الموصلات الحرجة وجدت في الالكترونيات الحديثة. كما المواد الركيزة المستخدمة في إنتاج الترانزستورات تأثير الحقل (فيتس)، المصابيح والدوائر المتكاملة، والسيليكون يمكن العثور عليها في جميع أجهزة الكمبيوتر تقريبا، والهواتف المحمولة، وأقراص، وأجهزة التلفزيون، وأجهزة الراديو وغيرها من أجهزة الاتصالات الحديثة.

وتشير التقديرات إلى أن أكثر من ثلث الأجهزة الإلكترونية تحتوي على تكنولوجيا أشباه الموصلات القائمة على السيليكون.

وأخيرا، يستخدم كربيد السيليكون الصلب في مجموعة متنوعة من التطبيقات الإلكترونية وغير الإلكترونية، بما في ذلك المجوهرات الاصطناعية، وأشباه الموصلات عالية الحرارة، والسيراميك الصلب، وأدوات القطع، وأقراص الفرامل، والمواد الكاشطة، وسترات واقية من الرصاص وعناصر التسخين.

المصادر:

لمحة تاريخية عن إنتاج سبائك الصلب والسبائك الحديدية.
ورل: هتب: // ووو. URM-شركة. كوم / الصور / مستندات / الصلب صناعة السبائك التاريخ. بدف
هولابا، لوري وسيبو لوهنكيلبي.

عن دور سبائك الحديد في صناعة الصلب. 9-13 يونيو 2013. المؤتمر الدولي الثالث عشر فيروالويس. ورل: هتب: // ووو. pyrometallurgy. شارك. زا / InfaconXIII / 1083-Holappa. بدف

اتبع تيرينس على Google+