خصائص واستخدامات السيليكون المعدني

السليكون المعدني هو معدن رمادي لامع أشباه الموصلات يستخدم في صناعة الفولاذ والخلايا الشمسية والرقائق الدقيقة. السيليكون هو ثاني أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية (بعد الأكسجين فقط) والثامن الأكثر شيوعًا في الكون. يمكن أن يُعزى ما يقرب من 30 في المائة من وزن القشرة الأرضية إلى السيليكون.

يوجد هذا العنصر ذو الرقم الذري 14 بشكل طبيعي في معادن السيليكات مثل السيليكا والفلسبار والميكا ، وهي المكونات الرئيسية للصخور الشائعة مثل الكوارتز والحجر الرملي. يحتوي السيليكون ، وهو شبه معدني (أو فلز) ، على بعض خصائص كل من المعادن واللافلزات.

مثل الماء ، ولكن على عكس معظم المعادن ، يتقلص السيليكون في حالة سائلة ويتوسع عندما يتصلب. لديها نقاط انصهار وغليان عالية نسبيًا ، وعندما تتبلور فإنها تشكل بنية بلورية مكعبة من الألماس. يعتبر التركيب الذري للسيليكون ، والذي يتضمن أربعة إلكترونات تكافؤ تسمح للسيليكون بالارتباط بسهولة مع العناصر الأخرى ، أمرًا بالغ الأهمية لوظيفته كأشباه موصلات واستخدامه في الإلكترونيات.

الخصائص

الرمز الذري: نعم

العدد الذري: 14

فئة العنصر: فلز

الكثافة: 2،329 جم / سم 3

نقطة الانصهار: 2577 درجة فهرنهايت (1414 درجة)

نقطة الغليان: 5909 درجة فهرنهايت (3265 درجة)

صلابة محمد: 7

إنتاج

يتم إنتاج معظم السيليكون الذي يتم تكريره سنويًا ، حوالي 80 في المائة ، على شكل فيروسيليكون لاستخدامه في صناعة الحديد والصلب. يمكن أن يحتوي السليكون الحديدي على ما بين 15 و 90 في المائة من السيليكون ، اعتمادًا على احتياجات المسبك.

يتم إنتاج سبائك الحديد والسيليكون في فرن القوس الكهربائي المغمور باستخدام الصهر الاختزالي. يتم سحق الخام الغني بالسيليكا ومصدر الكربون مثل فحم الكوك (الفحم المعدني) وشحنه إلى الفرن مع الخردة.

عند درجات حرارة أعلى من 1900 درجة (3450 درجة فهرنهايت) ، يتفاعل الكربون مع الأكسجين الموجود في المعدن ، مكونًا غاز أول أكسيد الكربون. وفي الوقت نفسه ، يتحد الحديد والسيليكون المتبقيان ليشكلوا السيليكون الحديدي المنصهر ، والذي يمكن جمعه عن طريق النقر على قاع الفرن. بمجرد تبريده وتصلبه ، يمكن شحن السيليكون الحديدي واستخدامه مباشرة في تصنيع الحديد والصلب.

تُستخدم نفس الطريقة ، باستثناء الحديد ، لإنتاج السيليكون المعدني بدرجة نقاء أكبر من 99 في المائة. يستخدم السيليكون المعدني أيضًا في صب الفولاذ ، وكذلك في تصنيع سبائك الألومنيوم المصبوب وكيماويات السيلان.

يصنف السيليكون المعدني حسب مستويات شوائب الحديد والألمنيوم والكالسيوم الموجودة في السبيكة. على سبيل المثال ، يحتوي السيليكون المعدني 553 على أقل من 0. 5 بالمائة من كل من المعادن والحديد والألمنيوم ، وأقل من 0. 3 بالمائة من الكالسيوم.

يتم إنتاج حوالي 8 ملايين طن من السيليكون الحديدي في جميع أنحاء العالم كل عام ، وتمثل الصين حوالي 70 في المائة من هذا الإجمالي. ومن بين المنتجين الرئيسيين مجموعة Erdos Metallurgy Group و Ningxia Rongsheng Ferroalloy و Group OM Materials و Elkem.

يتم إنتاج 2.6 مليون طن أخرى من السيليكون المعدني سنويًا ، أي حوالي 20 بالمائة من إجمالي السيليكون المعدني المكرر. الصين ، مرة أخرى ، تمثل حوالي 80 في المائة من هذا الإنتاج. مفاجأة للكثيرين هي أن درجات السيليكون الشمسية والإلكترونية لا تمثل سوى كمية صغيرة (أقل من 2٪) من إجمالي إنتاج السيليكون المكرر. للانتقال إلى السيليكون المعدني من الدرجة الشمسية (البولي سيليكون) ، يجب زيادة النقاء إلى أكثر من 99.9999 بالمائة (6N) من السيليكون النقي. يتم ذلك بإحدى الطرق الثلاث ، وأكثرها شيوعًا هي عملية سيمنز.

تتضمن عملية سيمنز ترسيب البخار الكيميائي لغاز متطاير يعرف باسم ثلاثي كلورو سيلان. يتم نفخ Trichlorosilane عند 1150 درجة (2102 درجة فهرنهايت) على بذرة سيليكون عالية النقاء مثبتة في نهاية قضيب. أثناء مروره ، يتم ترسيب السيليكون عالي النقاء الموجود في الغاز على البذور.

مفاعل طبقة الموائع (FBR) وتقنية السليكون المعدني المحسن (UMG) تستخدم أيضًا لترقية المعدن إلى بولي سيليكون مناسب للصناعة الكهروضوئية. في عام 2013 ، تم إنتاج 230. 000 طنًا من البولي سيليكون. المنتجون الرئيسيون هم GCL Poly و Wacker-Chemie و OCI.

أخيرًا ، لكي يكون السيليكون الإلكتروني مناسبًا للاستخدام في صناعة أشباه الموصلات وبعض التقنيات الكهروضوئية ، يجب تحويل البولي سيليكون إلى سيليكون أحادي البلورية عالي النقاوة باستخدام عملية Czochralski. للقيام بذلك ، يتم صهر البولي سيليكون في بوتقة عند 1425 درجة (2597 درجة فهرنهايت) في جو خامل. يتم بعد ذلك غمر بلورة بذرة مثبتة على قضيب في المعدن المنصهر وتدويرها وإزالتها ببطء ، مما يتيح الوقت لنمو السيليكون في مادة البذرة.

المنتج الناتج هو قضيب (أو كرة) من معدن السيليكون أحادي البلورة الذي يمكن أن يصل إلى نسبة نقاء 99.999999999 (11N). يمكن تخدير هذا القضيب بالبورون أو الفوسفور ، حسب الحاجة ، لتعديل الخواص الميكانيكية الكمومية. يمكن شحن قضيب أحادي البلورية للعملاء كما هو ، أو تقطيعه إلى رقائق ومصقول أو محكم لمستخدمين محددين.

التطبيقات

على الرغم من تكرير حوالي عشرة ملايين طن متري من معدن الحديد والسيليكون كل عام ، فإن معظم السيليكون المستخدم تجاريًا يكون في شكل خامات السيليكون ، والتي تُستخدم في تصنيع كل شيء من الأسمنت والملاط والسيراميك إلى الزجاج والبوليمرات.

الفيروسيليكون ، كما لوحظ ، هو الشكل الأكثر استخدامًا للسيليكون المعدني. منذ أن تم استخدامه لأول مرة منذ حوالي 150 عامًا ، ظل الفيروسيليكون عاملًا مهمًا لإزالة الأكسدة في إنتاج الكربون والفولاذ المقاوم للصدأ. اليوم ، لا يزال صب الفولاذ هو أكبر مستهلك للفيروسيليكون.

ومع ذلك ، فإن الفيروسيليكون له استخدامات أخرى إلى جانب صناعة الفولاذ. وهو عبارة عن عملية نشر أولية في إنتاج المغنيسيوم الحديدي ، وهو جهاز تكوير يستخدم لإنتاج حديد الدكتايل ، وكذلك أثناء عملية Pidgeon لتنقية المغنيسيوم عالي النقاء. يمكن أيضًا استخدام السليكون الحديدي في صناعة سبائك السيليكون الحديدية المقاومة للحرارة والتآكل ، وكذلك الفولاذ السليكوني ، الذي يستخدم في تصنيع المحركات الكهربائية ولب المحولات.

يمكن استخدام السيليكون المعدني في صناعة الصلب وكعامل صناعة السبائك في مسبك الألمنيوم. تعتبر قطع غيار السيارات المصنوعة من الألومنيوم والسيليكون أخف وزنا وأقوى من مصبوبات الألمنيوم النقي. تعتبر قطع غيار السيارات مثل كتل المحرك والحافات من أكثر أجزاء الألمنيوم والسيليكون المصبوب على نطاق واسع.

يستخدم ما يقرب من نصف السيليكون المعدني في الصناعة الكيميائية لصنع السيليكا المدخنة (عامل سماكة وتجفيف) ، والسيليكون (عامل اقتران) ، والسيليكون (مواد مانعة للتسرب ، ومواد لاصقة ، ومواد تشحيم). يستخدم البولي سيليكون من الدرجة الكهروضوئية بشكل أساسي في تصنيع الخلايا الشمسية من البولي سيليكون. هناك حاجة لحوالي خمسة أطنان من البولي سيليكون لصنع ميغاواط واحد من الوحدات الشمسية.

حاليًا ، تمثل تكنولوجيا البولي سيليكون للطاقة الشمسية أكثر من نصف الطاقة الشمسية المنتجة في العالم ، بينما تساهم تقنية السليكون الأحادي بحوالي 35 بالمائة. في المجموع ، يتم جمع 90 في المائة من الطاقة الشمسية التي يستخدمها البشر بواسطة التكنولوجيا القائمة على السيليكون.

السليكون البلوري الأحادي هو أيضًا مادة شبه موصلة أساسية في الإلكترونيات الحديثة. كمواد ركيزة مستخدمة في إنتاج ترانزستورات التأثير الميداني (FETs) ، ومصابيح LED ، والدوائر المتكاملة ، يوجد السيليكون تقريبًا في جميع أجهزة الكمبيوتر الحديثة ، والهواتف المحمولة ، والأجهزة اللوحية ، وأجهزة التلفزيون ، وأجهزة الراديو ، وأجهزة الاتصال الأخرى. تشير التقديرات إلى أن أكثر من ثلث الأجهزة الإلكترونية تحتوي على تقنية أشباه الموصلات القائمة على السيليكون.

أخيرًا ، يتم استخدام كربيد السيليكون الصلب في مجموعة متنوعة من التطبيقات الإلكترونية وغير الإلكترونية ، مثل المجوهرات الاصطناعية وأشباه الموصلات عالية الحرارة والسيراميك الصلب وأدوات القطع وأقراص المكابح والمواد الكاشطة وما إلى ذلك السترات الواقية من الرصاص وعناصر التسخين.