Metal รายละเอียด: Silicon a Metal

โลหะซิลิคอนเป็นโลหะกึ่งตัวนำที่ใช้ในการผลิตเหล็ก, เซลล์แสงอาทิตย์และไมโครชิป

ซิลิคอนเป็นธาตุที่อุดมสมบูรณ์มากที่สุดเป็นอันดับสองในเปลือกโลก (หลังออกซิเจนเพียงอย่างเดียว) และธาตุที่พบมากที่สุดในเอกภพที่แปด ในความเป็นจริงเกือบ 30 เปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักของเปลือกโลกสามารถนำมาประกอบกับซิลิคอนได้

ธาตุที่มีจำนวนอะตอม 14 เป็นธรรมชาติเกิดขึ้นในแร่ธาตุซิลิเกต ได้แก่ ซิลิกาเฟลด์สปาร์และไมกาซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของหินทั่วไปเช่นควอทซ์และหินทราย

โลหะกึ่งโลหะ (หรือ metalloid) ซิลิกอนมีคุณสมบัติบางอย่างของทั้งโลหะและอโลหะ

เหมือนน้ำ - แต่แตกต่างจากโลหะส่วนใหญ่ - silicon สัญญาในสภาพของเหลวและขยายตัวเมื่อแข็งตัว มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูงและเมื่อตกผลึกเป็นโครงสร้างคริสตัลลูกบาศก์เพชร

บทบาทสำคัญของซิลิคอนในการเป็นเซมิคอนดักเตอร์และการนำไปใช้ในอุปกรณ์อิเลคทรอนิคส์คือโครงสร้างอะตอมของธาตุซึ่งประกอบด้วยสี่อิเล็กตรอนความจุที่ทำให้ซิลิคอนสามารถยึดติดกับองค์ประกอบอื่น ๆ ได้อย่างง่ายดาย

คุณสมบัติ:

สัญลักษณ์อะตอม: Si

จำนวนอะตอม: 14

• ประเภทส่วนประกอบ: Metalloid
• ความหนาแน่น: 2. 329g / cm3
• จุดหลอมเหลว: 2577 ° F (1414 ° C)
• จุดเดือด: 5909 ° F (3265 ° C)
• ความแข็งของ Moh: 7
• นักเคมีชาวสวีเดน Jons Jacob Berzerlius ได้รับการยกย่องว่าเป็นซิลิกอนที่แยกได้ครั้งแรกในปีพ. ศ. 2366 Berzerlius ประสบความสำเร็จโดยการให้ความร้อนโพแทสเซียมโลหะ (ซึ่งถูกแยกออกจากกันเพียงหนึ่งทศวรรษก่อนหน้านี้) ในเบ้าหลอมตาม ที่มีโพแทสเซียมฟลูออไรน
• ผลลัพธ์คือซิลิคอนอสัณฐาน

การทำซิลิกอนผลึก แต่ต้องใช้เวลามากขึ้น ตัวอย่าง electrolytic ของซิลิคอนผลึกจะไม่ถูกสร้างขึ้นมาอีกสามทศวรรษ

การใช้ซิลิกอนในเชิงพาณิชย์ครั้งแรกในรูปแบบของ ferrosilicon

หลังจากการปฏิรูปอุตสาหกรรมการผลิตเหล็กของ Henry Bessemer ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 ความสนใจในกระบวนการผลิตเหล็กและการวิจัยเกี่ยวกับเทคนิคการผลิตเหล็กมีมาก

เมื่อถึงช่วงเวลาแห่งการผลิตเหล็ก ferrosilicon เป็นครั้งแรกในทศวรรษที่ 1880 ความสำคัญของซิลิคอนในการปรับปรุงความเหนียวของเหล็กและเหล็กกล้าออกซิเดชั่นเป็นที่เข้าใจกันดี

การผลิตเฟอร์โรซิลิคอนในช่วงแรก ๆ เกิดขึ้นในเตาเผาขนาดใหญ่โดยการลดแร่ที่ประกอบด้วยซิลิกอนด้วยถ่านซึ่งส่งผลให้เหล็กกล้าสีเงินเป็นเหล็กที่มีซิลิคอนสูงถึง 20 เปอร์เซ็นต์

การพัฒนาเตาเผาแบบไฟฟ้าในช่วงเริ่มต้นของศตวรรษที่ 20 ไม่เพียง แต่ทำให้เกิดการผลิตเหล็กมากขึ้นเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการผลิตเฟอร์โรซิลนิกเพิ่มเติม

ในปีพ. ศ. 2446 กลุ่มผู้เชี่ยวชาญด้านการผลิตเหล็กกล้า (Compagnie Generate d'Electrochimie) เริ่มดำเนินการในเยอรมนีฝรั่งเศสและออสเตรียและในปีพ. ศ. 2450 ได้ก่อตั้งโรงงานซิลิคอนเชิงพาณิชย์แห่งแรกในสหรัฐฯ

การผลิตเครื่องเหล็กไม่ได้เป็นเพียงคำร้องสำหรับสารประกอบซิลิคอนเชิงพาณิชย์ก่อนปลายศตวรรษที่ 19

ในการผลิตเพชรประดิษฐ์ในปี พ.ศ. 2433 เอ็ดเวิร์ดคริชอเคสสันได้ให้ความร้อนอะลูมิเนียมซิลิเกตกับโค้กผงและซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) โดยบังเอิญ

สามปีต่อมาอเคสันได้จดสิทธิบัตรวิธีการผลิตของเขาและก่อตั้ง บริษัท Carborundum (carborundum เป็นชื่อสามัญของซิลิคอนคาร์ไบด์ในเวลานั้น) เพื่อวัตถุประสงค์ในการผลิตและจำหน่ายผลิตภัณฑ์ขัดผิว

ต้นศตวรรษที่ 20 คุณสมบัติเป็นตัวนำของซิลิคอนคาร์ไบด์ได้รับการตระหนักและสารประกอบดังกล่าวถูกใช้เป็นเครื่องตรวจจับในเรือวิทยุต้น สิทธิบัตรสำหรับเครื่องตรวจจับคริสตัลซิลิคอนได้รับอนุญาตให้เป็น GW Pickard ในปี 1906

ในปีพ. ศ. 2450 ไดโอดเปล่งแสง (LED) ตัวแรกถูกสร้างขึ้นโดยการใช้แรงดันไฟฟ้ากับผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์

การใช้ซิลิคอนในทศวรรษที่ 1930 ขยายตัวขึ้นเมื่อมีการพัฒนาผลิตภัณฑ์เคมีใหม่ ๆ รวมถึงไซโลและซิลิโคน

การเติบโตของอุปกรณ์อิเลคทรอนิคส์ในศตวรรษที่ผ่านมาได้รับการเชื่อมโยงกับซิลิคอนอย่างไม่เปลี่ยนแปลงและมีคุณสมบัติเฉพาะตัว

ในขณะที่การสร้างทรานซิสเตอร์ตัวแรกที่เป็นบรรพบุรุษของไมโครชิพยุคใหม่ในปีพ. ศ. 2440 ได้ใช้เจอร์เมเนียมไม่นานก่อนที่ซิลิคอนจะแทนที่ญาติสนิทโลหะของเขาเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความคงทนมากขึ้น

Bell Labs และ Texas Instruments ได้เริ่มผลิตทรานซิสเตอร์ที่ใช้ซิลิกอนในเชิงพาณิชย์ในปีพ. ศ. 2497

วงจรรวมซิลิคอนตัวแรกเกิดขึ้นในทศวรรษที่ 1960 และในปี 1970 ได้มีการพัฒนาตัวประมวลผลที่มีซิลิกอน

เนื่องจากเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ซิลิกอนเป็นหัวใจหลักในการใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์ที่ทันสมัยไม่ควรแปลกใจเลยที่เราอ้างถึงศูนย์กลางธุรกิจของอุตสาหกรรมนี้ว่า 'Silicon Valley '

(สำหรับรายละเอียดเกี่ยวกับประวัติศาสตร์และการพัฒนา Silicon Valley และเทคโนโลยีไมโครชิปผมขอแนะนำสารคดี American Experience Silicon Valley)

ไม่นานหลังจากเปิดตัวทรานซิสเตอร์ตัวแรกการทำงานของ Bell Labs กับซิลิคอนทำให้เกิดการพัฒนาที่สำคัญครั้งที่สองในปีพศ. 1954: เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนตัวแรก

ก่อนหน้านี้ความคิดในการควบคุมพลังงานจากดวงอาทิตย์เพื่อสร้างพลังบนโลกนี้เป็นไปไม่ได้เลย แต่เพียงสี่ปีต่อมาในปี 1958 ดาวเทียมดวงแรกที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนก็โคจรรอบโลก ช่วงยุค 70 การใช้งานเชิงพาณิชย์สำหรับเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ได้เติบโตขึ้นไปสู่การใช้งานภาคพื้นดินเช่นการเปิดไฟบนแท่นขุดเจาะน้ำมันนอกชายฝั่งและทางแยกทางรถไฟ

ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมาการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ได้เติบโตขึ้นอย่างมาก วันนี้เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ซิลิกอนคิดเป็นสัดส่วนประมาณ 90 เปอร์เซ็นต์ของตลาดพลังงานแสงอาทิตย์ทั่วโลก

การผลิต:

ส่วนใหญ่ของซิลิคอนที่ได้รับการกลั่นในแต่ละปี - ประมาณ 80 เปอร์เซ็นต์ - ผลิตขึ้นในรูปของ ferrosilicon เพื่อใช้ในการผลิตเหล็กและเหล็กกล้า Ferrosilicon สามารถบรรจุได้ตั้งแต่ 15 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ซิลิกอนขึ้นอยู่กับความต้องการของโรงหลอม

โลหะผสมของเหล็กและซิลิกอนผลิตโดยใช้เตาเผาไฟฟ้าแบบจุ่มแช่ผ่านการหลอมโลหะลดลง แร่ที่อุดมด้วยซิลิกาและแหล่งคาร์บอนเช่นถ่านหินโคเคน (ถ่านหิน) ถูกบดและบรรจุลงในเตาพร้อมกับเศษเหล็ก

ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1900

C (3450

° F) คาร์บอนจะทำปฏิกริยากับออกซิเจนที่มีอยู่ในแร่สร้างแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ เหล็กและซิลิคอนที่เหลืออยู่จะรวมกันเพื่อทำ ferrosilicon ที่หลอมละลายซึ่งสามารถเก็บได้โดยการแตะฐานของเตา

เมื่อได้รับการหล่อเย็นและแข็งแล้ว ferrosilicon สามารถจัดส่งและนำไปใช้โดยตรงในการผลิตเหล็กและเหล็กกล้า

วิธีการเดียวกันนี้โดยไม่รวมเหล็กจะใช้ในการผลิตซิลิคอนเกรดโลหะที่มีความบริสุทธิ์มากกว่า 99 เปอร์เซ็นต์ ซิลิคอนโลหะยังใช้ในการถลุงเหล็กตลอดจนการผลิตอลูมิเนียมอัลลอยและสารเคมีไซเลน

ซิลิคอนที่เป็นโลหะจะถูกจำแนกตามระดับของเหล็กอลูมิเนียมและแคลเซียมในโลหะผสม ตัวอย่างเช่นโลหะซิลิกอน 553 มีธาตุเหล็กและอลูมิเนียมน้อยกว่า 0.5 เปอร์เซ็นต์และแคลเซียมน้อยกว่า 0. 3 เปอร์เซ็นต์ ประมาณ 8 ล้านเมตริกตัน ferrosilicon ผลิตในแต่ละปีทั่วโลกโดยจีนมีสัดส่วนประมาณ 70% ของทั้งหมดนี้ ผู้ผลิตรายใหญ่ ได้แก่ กลุ่ม Erdos Metallurgy, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, กลุ่ม OM Materials และ Elkem เพิ่มเติมอีก 2. ปีละ 6 ล้านเมตริกซิลิคอนโลหะหรือประมาณ 20 เปอร์เซ็นต์ของโลหะซิลิคอนที่ผ่านการกลั่นทั้งหมด ประเทศจีนมีสัดส่วนประมาณ 80% ของผลผลิตนี้ คนแปลกใจหลายคนคิดว่าเกรดของซิลิคอนในแสงอาทิตย์และอิเล็กทรอนิกส์มีเพียงเล็กน้อย (น้อยกว่า 2 เปอร์เซ็นต์) ของการผลิตซิลิกอนที่กลั่นทั้งหมด เมื่อต้องการอัพเกรดเป็นโลหะซิลิกอนเกรดซิลิกอน (โพลีซิลิคอน) ความบริสุทธิ์จะต้องสูงขึ้นถึง 99. ซิลิคอนบริสุทธิ์ 9999% (6N) นี้จะกระทำผ่านทางหนึ่งในสามของวิธีการที่พบมากที่สุดเป็นกระบวนการของซีเมนส์

กระบวนการของซีเมนส์เกี่ยวข้องกับการสะสมไอสารเคมีของก๊าซระเหยที่เรียกว่า trichlorosilane ที่ 1150

C (2102

°

F) trichlorosilane ถูกเป่าผ่านเมล็ดซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูงซึ่งติดตั้งอยู่ที่ปลายก้าน เมื่อผ่านไปซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูงจากก๊าซจะถูกสะสมบนเมล็ด

เครื่องปฏิกรณ์ชนิด Fluid Bed (FBR) และเทคโนโลยีซิลิโคนเกรดโลหะ (UMG) เกรดใหม่นอกจากนี้ยังใช้เพื่อเพิ่มโลหะให้เป็นโพลีซิลิคอนที่เหมาะสมกับอุตสาหกรรมแผงเซลล์แสงอาทิตย์ ในปีพ. ศ. 2556 มีการผลิตโพลีซิลิคอนจำนวน 230,000 ตันเมตริกตันผู้ผลิตชั้นนำ ได้แก่ GCL Poly, Wacker-Chemie และ OCI

ในท้ายที่สุดเพื่อให้ซิลิคอนเกรดอิเลคทรอนิคส์เหมาะกับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์บางชนิดโพลีซิลิคอนต้องถูกแปลงเป็นซิลิคอน monocrystal แบบ ultra-pure ผ่านกระบวนการ Czochralski

เมื่อทำเช่นนี้โพลีซิลิคอนละลายในเบ้าหลอมที่ 1425

C (2597 ° F) ในบรรยากาศที่เฉื่อยชา ไม้กางเขนที่ฝังคริสตัลจะถูกจุ่มลงในโลหะหลอมเหลวและค่อยๆหมุนและนำออกให้เวลาสำหรับซิลิกอนที่จะเติบโตบนวัสดุเมล็ด ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นคือก้าน (หรือกลีบ) ของโลหะซิลิคอนคริสตัลเดี่ยวซึ่งสามารถมีความบริสุทธิ์ได้สูงถึง 99. 999999999 (11N) เปอร์เซ็นต์ ก้านนี้สามารถเจือด้วยโบรอนหรือฟอสฟอรัสตามที่ต้องการเพื่อปรับสมบัติเชิงกลควอนตัมตามที่ต้องการ แท่ง Monocrystal สามารถจัดส่งให้กับลูกค้าได้ตามที่เป็นอยู่หรือหั่นเป็นแผ่นเวเฟอร์และขัดหรือพื้นผิวสำหรับผู้ใช้เฉพาะราย การใช้งาน:

ในขณะที่มีการกลั่นโลหะเฟอร์โรซิลิคอนและโลหะซิลิคอนประมาณสิบล้านเมตริกตันในแต่ละปีซิลิคอนส่วนใหญ่ที่ใช้ในเชิงพาณิชย์เป็นของแร่ธาตุซิลิคอนซึ่งใช้ในการผลิตทุกอย่างตั้งแต่ซีเมนต์, ครกและเซรามิคไปจนถึงแก้วและพอลิเมอร์

Ferrosilicon, ดังที่ระบุไว้, เป็นรูปแบบที่ใช้บ่อยที่สุดของโลหะซิลิคอน เนื่องจากการใช้งานครั้งแรกประมาณ 150 ปีที่ผ่านมา ferrosilicon ยังคงเป็นตัวทำปฏิกิริยาที่สำคัญในกระบวนการผลิตคาร์บอนและสเตนเลส ปัจจุบันการถลุงเหล็กยังคงเป็นผู้บริโภคที่ใหญ่ที่สุดของ ferrosilicon

Ferrosilicon มีข้อดีกว่าการผลิตเหล็ก เป็นโลหะผสมก่อนในการผลิตแมกนีเซียมเฟอร์โรซิลิกอน (nano) ที่ใช้ในการผลิตเหล็กดัดเช่นเดียวกับในกระบวนการ Pidgeon สำหรับการกลั่นแมกนีเซียมที่มีความบริสุทธิ์สูง

Ferrosilicon สามารถใช้ในการทำอัลลอยด์อัลลอยด์อัลลอยด์อัลลอยด์อัลลอยด์และเหล็กทนความร้อนและสึกกร่อนได้ดีเช่นเดียวกับเหล็กซิลิคอนซึ่งใช้ในการผลิตมอเตอร์ไฟฟ้าและแกนหม้อแปลง ซิลิคอนที่เป็นโลหะสามารถใช้ในการผลิตเหล็กและสารอลูมิเนียมในการหล่ออลูมิเนียม ชิ้นส่วนรถยนต์ของอลูมิเนียมซิลิคอน (Al-Si) มีน้ำหนักเบาและแข็งแรงกว่าชิ้นส่วนที่หล่อจากอลูมิเนียมบริสุทธิ์ ชิ้นส่วนยานยนต์เช่นบล็อกเครื่องยนต์และขอบล้อยางเป็นชิ้นส่วนอลูมิเนียมที่มีการหล่อลื่นมากที่สุด เกือบครึ่งหนึ่งของซิลิคอนโลหะทั้งหมดที่ใช้โดยอุตสาหกรรมเคมีเพื่อทำซิลิกาที่มีคราบเปียก (สารให้ความหนาแน่นและสารดูดความชื้น), ไซเลน (ตัวประสาน) และซิลิโคน (สารเคลือบหลุมร่องฟันกาวและสารหล่อลื่น) Polysilicon เกรดไฟฟ้าโซลาร์เซลล์จะใช้เป็นหลักในการทำเซลล์แสงอาทิตย์โพลีซิลิคอน ประมาณห้าตันของโพลีซิลิคอนเป็นสิ่งจำเป็นที่จะทำให้หนึ่งล้านวัตต์โมดูลแสงอาทิตย์ ปัจจุบันเทคโนโลยีโพลีซิลิคอนแสงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงานแสงอาทิตย์มากกว่าครึ่งหนึ่งที่ผลิตได้ทั่วโลกในขณะที่เทคโนโลยีโมโนซิลิโคนมีส่วนช่วยให้ประมาณร้อยละ 35 โดยรวมแล้ว 90 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานแสงอาทิตย์ที่มนุษย์ใช้จะถูกรวบรวมโดยเทคโนโลยีที่ใช้ซิลิกอน

Monocrystal silicon เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่สำคัญที่พบได้ในอุปกรณ์อิเล็คทรอนิคส์สมัยใหม่ ซิลิคอนสามารถใช้งานได้กับคอมพิวเตอร์ทุกเครื่องโทรศัพท์มือถือแท็บเล็ตโทรทัศน์วิทยุและอุปกรณ์การสื่อสารสมัยใหม่อื่น ๆ เช่นวัสดุที่ใช้ในการผลิตทรานซิสเตอร์ที่มีผลต่อสนาม (FET) ไฟ LED และแผงวงจรรวม

คาดว่ามากกว่าหนึ่งในสามของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดมีเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ซิลิกอน

ในที่สุดอัลลอยด์ซิลิคอนคาร์ไบด์แข็งใช้ในแอพพลิเคชั่นอิเล็คทรอนิกส์และไม่ใช่อิเล็กทรอนิคส์รวมถึงเครื่องประดับสังเคราะห์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีอุณหภูมิสูงเซรามิคแข็งเครื่องมือตัดผ้าเบรควัสดุขัดพื้นเสื้อกันกระสุนและส่วนประกอบความร้อน

แหล่งที่มา:

ประวัติโดยย่อของการผลิตโลหะผสมและเหล็กกล้า

URL: // www. URM บริษัท co.th / images / เอกสาร / เหล็กผสมประวัติศาสตร์ pdf

Holappa, Lauri และ Seppo Louhenkilpi

บทบาทของเหล็กกล้าที่ทำจากเหล็ก

9-13 มิถุนายน 2013 การประชุม Ferroalloys นานาชาติครั้งที่สิบสาม URL: // www. pyrometallurgy ร่วม Za / InfaconXIII / 1083-Holappa pdf

ติดตาม Terence บน Google+