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Il metallo siliconico è un metallo semiconduttivo grigio e lucente che viene utilizzato per la produzione di acciaio, celle solari e microchip.
Il silicio è il secondo elemento più abbondante della crosta terrestre (dietro l'ossigeno solo) e l'ottavo elemento più comune dell'universo. Infatti, quasi il 30 per cento del peso della crosta terrestre può essere attribuito al silicio.
L'elemento con il numero atomico 14 si presenta naturalmente nei minerali di silicato, compresi silice, feldspato e mica, che sono componenti principali di rocce comuni come quarzo e arenaria.
Un semiconduttore (o metalloid), il silicio possiede alcune proprietà di metalli e non metalli.
Come l'acqua - ma a differenza della maggior parte dei metalli - i contratti di silicio nel suo stato liquido e si espande mentre si solidifica. Ha punti di fusione e punto di ebollizione relativamente alti e quando forma cristallizzata forma una struttura a cristallo cubico di diamanti.
Il ruolo del silicio come semiconduttore e il suo utilizzo nell'elettronica sono la struttura atomica dell'elemento, che comprende quattro elettroni di valenza che permettono al silicio di legarsi facilmente con altri elementi.Densità: 2. 329g / cm3
Punto di fusione: 2577 ° F (1414 ° C)
- Proprietà:
- Atomic Symbol: Si
- Punto di ebollizione: 5909 ° F (3265 ° C)
- Durezza di Moh: 7
- Il chimico svedese Jons Jacob Berzerlius è accreditato con il primo silicio isolante nel 1823. Berzerlius ha realizzato questo con il riscaldamento del potassio metallico (che era stato isolato solo un decennio prima) in un crogiolo lungo con il fluorosilicato di potassio.
- Il risultato è stato il silicio amorfo.
Il primo uso commercializzato del silicio era sotto forma di ferrosilicio.
A seguito della modernizzazione dell'industria siderurgica di Henry Bessemer a metà del XIX secolo, c'era un grande interesse per la metallurgia dell'acciaio e la ricerca nelle tecniche di produzione di acciaio.
Al momento della prima produzione industriale di ferrosilicio nel 1880, l'importanza del silicio nel migliorare la duttilità in ferro di ghisa e acciaio deossidante era abbastanza ben intesa.
La produzione iniziale di ferrosilicio è stata fatta in forno a velo, riducendo le ore minerali contenenti silicio con carbone, che ha portato a ferro argentato, ferrosilicio con un contenuto di silicio fino al 20%.
Lo sviluppo di forni a arco elettrico all'inizio del XX secolo ha consentito non solo una maggiore produzione di acciaio, ma anche una maggiore produzione di ferrosilicio.
Nel 1903, un gruppo specializzato nella fabbricazione del ferroalloy (Compagnie Generate d'Electrochimie) ha iniziato le operazioni in Germania, Francia e Austria e, nel 1907, è stata fondata la prima fabbrica di silicio commerciale negli Stati Uniti.
La produzione di acciaio non era l'unica applicazione per i composti di silicio commercializzati prima della fine del XIX secolo.
Per produrre diamanti artificiali nel 1890, Edward Goodrich Acheson riscaldò il silicato di alluminio con coke in polvere e carburo di silicio prodotto successivamente (SiC).
Tre anni dopo, Acheson aveva brevettato il suo metodo di produzione e fondò la Carborundum Company (carborundum è il nome comune del carburo di silicio all'epoca) allo scopo di produrre e vendere prodotti abrasivi.
All'inizio del XX secolo, anche le proprietà conduttive del carburo di silicio erano state realizzate e il composto è stato utilizzato come un rivelatore nelle radio di navi precoce. Un brevetto per i rivelatori di cristalli di silicio è stato concesso a GW Pickard nel 1906.
Nel 1907, il primo diodo emettitore di luce (LED) è stato creato applicando la tensione a un cristallo di carburo di silicio.
Attraverso gli anni '30 l'uso del silicio è cresciuto con lo sviluppo di nuovi prodotti chimici, tra cui silani e siliconi.
La crescita dell'elettronica nel corso del secolo scorso è stata indissolubilmente legata al silicio e alle sue proprietà uniche.
Mentre la creazione dei primi transistori - i precursori ai microchip moderni - negli anni '40 si affidò a germanio, non era tempo prima che il silicio sostituisse la sua cousin metalloide come un materiale semiconduttore di supporto più resistente.
Bell Labs e Texas Instruments hanno iniziato a commercializzare transistori a base di silicio nel 1954.
I primi circuiti integrati al silicio sono stati fatti negli anni '60 e, negli anni settanta, erano stati sviluppati processori contenenti silicio.
Dato che la tecnologia a semiconduttori a base di silicio è la spina dorsale dell'elettronica e del calcolo moderni, non dovrebbe sorprendere che si riferisca al centro di attività di questo settore come "Silicon Valley". '
(Per una visione dettagliata della storia e dello sviluppo della tecnologia Silicon Valley e della tecnologia a microchip, consiglio vivamente il documentario americano Experience, intitolato Silicon Valley).
Non molto tempo dopo aver svelato i primi transistor, il lavoro di Bell Labs con il silicio ha portato ad un secondo grande passo avanti nel 1954: la prima cella fotovoltaica (solare) del silicio.
Prima di questo, il pensiero di sfruttare l'energia dal sole per creare potere sulla terra era ritenuto impossibile da parte di molti. Ma solo quattro anni dopo, nel 1958, il primo satellite alimentato da celle solari del silicio era orbitando la terra.
Negli anni '70, le applicazioni commerciali per le tecnologie solari erano cresciute in applicazioni terrestri come la messa in luce dell'illuminazione su petroliere offshore e incroci ferroviari.
Negli ultimi due decenni l'uso dell'energia solare è cresciuto in modo esponenziale. Oggi, le tecnologie fotovoltaiche a base di silicio rappresentano circa il 90 per cento del mercato globale dell'energia solare.
Produzione:
La maggior parte del silicio raffinato ogni anno - circa l'80 per cento - è prodotto come ferrosilicio per l'uso in ferro e acciaio. Ferrosilicon può contenere ovunque tra il 15 e il 90 per cento di silicio a seconda delle esigenze della scintillante.
La lega del ferro e del silicio viene prodotta usando una fornace elettrica a sbalzo sommergibile mediante fusione di riduzione. Il minerale ricco di silice e una sorgente di carbonio come il carbone di coke (carbone metallurgico) vengono schiacciati e caricati nel forno insieme al ferro rotto.
A temperature superiori a 1900
°
C (3450
°
F), il carbonio reagisce con l'ossigeno presente nel minerale, formando gas monossido di carbonio. Il ferro e il silicio rimanenti, nel frattempo, si combinano per fare ferrosilicio fuso, che possono essere raccolti toccando la base del forno. Una volta raffreddato e indurito, il ferrosilicio può essere spedito e utilizzato direttamente nella produzione di ferro e acciaio. Lo stesso metodo, senza l'inclusione di ferro, viene utilizzato per produrre silicio di grado metallurgico superiore al 99% puro. Il silicio metallurgico viene utilizzato anche nella fusione di acciaio, così come nella produzione di leghe di alluminio e di prodotti chimici di silano. Il silicio metallurgico è classificato per i livelli di impurità di ferro, alluminio e calcio presenti nella lega. Per esempio, il metallo di silicio 553 contiene meno dello 0,5% di ogni ferro e alluminio e meno di 0,3% di calcio. Ogni anno circa 8 milioni di tonnellate di ferrosilicio vengono prodotte a livello mondiale, con la Cina che rappresenta circa il 70 per cento di questo totale. I grandi produttori includono Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Gruppo OM Materials e Elkem.
Un ulteriore 2,6 milioni di tonnellate di silicio metallurgico - ossia circa il 20% del metallo silicio raffinato - viene prodotto ogni anno. La Cina, di nuovo, rappresenta circa l'80% di questa produzione.
Una sorpresa per molti è che i titoli solari ed elettronici di silicio rappresentano solo una piccola quantità (meno del due per cento) di tutta la produzione di silicio raffinato.
Per l'aggiornamento a metallo di silicio (polisilicio), la purezza deve aumentare fino a 99. 9999% (6N) di silicio puro. Ciò avviene tramite uno dei tre metodi, il più comune che è il processo Siemens.
Il processo Siemens prevede la deposizione di vapori chimici di un gas volatile noto come triclorosilano. Al 1150
°
C (2102
°
F) il triclorosilano viene soffiato su un seme di silicio ad alta purezza montato all'estremità di un asta. Mentre passa, il silicio ad alta purezza del gas viene depositato sul seme. Il reattore a letto fluido (FBR) e la tecnologia a base di silicio metallurgico (UMG) sono stati utilizzati anche per migliorare il metallo al polisilicio adatto all'industria fotovoltaica. Nel 2013 sono stati prodotti 230.000 tonnellate di polisilicio. I produttori principali includono GCL Poly, Wacker-Chemie e OCI. Infine, per realizzare un silicio di elettronica adatto all'industria dei semiconduttori e ad alcune tecnologie fotovoltaiche, il polisilicio deve essere convertito in un silicio monocristallico ultra puro attraverso il processo Czochralski. Per fare questo, il polisilicio è fuso in un crogiolo a 1425
°
C (2597
°
F) in un'atmosfera inerte. Un cristallo di seme montato ad asta viene poi immerso nel metallo fuso e lentamente ruotato e rimosso, dando tempo per il silicio a crescere sul materiale di semi. Il prodotto risultante è una barra (o boule) di metallo di silicio monocristallino che può arrivare fino a 99,999999999 (11N) per cento puro. Questa asta può essere drogata con boro o fosforo come richiesto per modificare le proprietà meccaniche quantiche come richiesto. L'asta monocristallina può essere spedita ai clienti come è, o tagliata in wafer e lucidata o testurizzata per utenti specifici. Applicazioni: Mentre annualmente vengono raffinati circa 10 milioni di tonnellate di ferrosilicio e metallo di silicio, la maggior parte del silicio utilizzato commercialmente è in realtà sotto forma di minerali di silicio utilizzati per la fabbricazione di tutto ciò dal cemento, mortai e ceramiche, a vetro e polimeri.
Ferrosilicon, come noto, è la forma più comunemente utilizzata di silicio metallico. Dal suo primo utilizzo circa 150 anni fa, ferrosilicon è rimasto un importante agente deossidante nella produzione di carbonio e acciaio inossidabile. Oggi, la fusione di acciaio resta il consumatore più grande di ferrosilicio.
Ferrosilicon ha però un certo numero di utilizzi al di là della produzione di acciaio. È una pre-lega nella produzione di magnesio ferrosilicon, un nodulatore utilizzato per la produzione di ferro duttile, nonché durante il processo Pidgeon per la raffinazione di magnesio ad alta purezza.
Ferrosilicon può essere utilizzato anche per produrre leghe di silicio ferrosi resistenti al calore e alla corrosione, così come l'acciaio in silicio, utilizzato nella produzione di motori elettrici e nuclei di trasformatori.
Il silicio metallurgico può essere utilizzato in acciaio e un agente di lega in fusione di alluminio. Le parti auto-alluminio-silicio (Al-Si) sono leggere e più forti dei componenti innescati da alluminio puro. Le parti automobilistiche come i blocchi motore ei cerchi pneumatici sono alcune delle parti più comuni di silicio in alluminio fuso.
Quasi la metà di tutto il silicio metallurgico è usato dall'industria chimica per produrre silice fredda (un addensante e un essiccante), silani (agente di accoppiamento) e silicone (sigillanti, adesivi e lubrificanti).
Il polisilicio a livello fotovoltaico è utilizzato principalmente per la realizzazione di celle solari polisilicio. Circa cinque tonnellate di polisilicio sono necessarie per produrre un megawatt di moduli solari.
Attualmente, la tecnologia solare a polisilicio rappresenta oltre la metà dell'energia solare prodotta a livello mondiale, mentre la tecnologia monosilicio contribuisce circa il 35 per cento. In totale, il 90 per cento dell'energia solare utilizzata dagli esseri umani è raccolta dalla tecnologia a base di silicio.
Il silicio monocristallino è anche un materiale critico a semiconduttore trovato nell'elettronica moderna. Come materiale di substrato utilizzato nella produzione di transistori a effetto campo (FET), LED e circuiti integrati, il silicio può essere trovato in quasi tutti i computer, i telefoni cellulari, le tavolette, i televisori, le radio e altri moderni dispositivi di comunicazione.
Si stima che più di un terzo di tutti i dispositivi elettronici contengano tecnologia a semiconduttori a base di silicio.
Infine, il carburo di silicio in lega dura viene utilizzato in una varietà di applicazioni elettroniche e non elettroniche, tra cui gioielli sintetici, semiconduttori ad alta temperatura, ceramiche dure, utensili da taglio, dischi freno, abrasivi, gambali e elementi riscaldanti.
Fonti:
Una breve storia di alluminio d'acciaio e produzione di Ferroallo.
URL: // www. URM-società. com / images / docs / acciaio-lega-storia. pdf
Holappa, Lauri e Seppo Louhenkilpi.
Sul ruolo delle Ferroleghe in Steelmaking.
9-13 giugno 2013. Il tredicesimo Congresso Internazionale dei Ferroleghe. URL: // www. pyrometallurgy. co. ZA / InfaconXIII / 1083-Holappa. pdf
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