کاربرد سیلیکون متال در صنایع مختلف

کاربرد سیلیکون متال در صنایع مختلف

فلز سیلیکون (نماد Si)، در شکل خالص خود، یک عنصر فلزی براق خاکستری است. این فلز به دلیل ظاهر براقش به سیلیکون متال معروف است. سیلیکون عمدتاً در ساخت سیلان‌ها و سیلیکون‌ها، به‌عنوان یک عنصر سخت‌کننده یا آلیاژی برای تولید آلیاژهای آلومینیوم و در ساخت ریزپردازنده‌ها و سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شود.

از دیگر کاربرد سیلیکون متال در صنایع مختلف می توان به کاربرد سیلیکون عنوان یک افزودنی ثانویه در ساخت دستگاه های فوتونیک و در ساخت دیرگدازهای صنعتی اشاره کرد. فلز سیلیکون معمولاً از ذوب کوره‌های قوس الکتریکی تولید می‌شود که فرآیندی انرژی بر است. پردازش بیشتر مواد به درجه های مختلف محصول باعث می شود که در بسیاری از فرآیندهای صنعتی قابل استفاده باشد.

فلز سیلیکون یک فلز نیمه رسانا خاکستری و براق است که برای تولید فولاد، سلول های خورشیدی و ریزتراشه ها استفاده می شود. سیلیکون دومین عنصر فراوان در پوسته زمین (بعد از اکسیژن) و هشتمین عنصر رایج در جهان است. نزدیک به ۳۰ درصد از وزن پوسته زمین را می توان به سیلیکون متال نسبت داد.

این عنصر با عدد اتمی ۱۴ به طور طبیعی در کانی های سیلیکاته از جمله سیلیس، فلدسپات و میکا که اجزای اصلی سنگ های رایج مانند کوارتز و ماسه سنگ هستند، وجود دارد. سیلیکون یک نیمه فلز (یا متالوئید)، دارای برخی خواص مشترک هم از فلزات و هم از غیر فلزات است.

کاربرد سیلیکون در صنایع مختلف

خواص فلز سیلیکون

نماد اتمی: Si
عدد اتمی: ۱۴
دسته عنصر: متالوئید
چگالی: ۲٫۳۲۹ گرم بر سانتی متر مکعب
نقطه ذوب: ۲۵۷۷ درجه فارنهایت (۱۴۱۴ درجه سانتیگراد)
نقطه جوش: ۵۹۰۹ درجه فارنهایت (۳۲۶۵ درجه سانتیگراد)
سختی Moh: 7

برخلاف اکثر فلزات،سیلیکون در حالت مایع منقبض می شود و با جامد شدن منبسط می شود. نقطه ذوب و جوش نسبتاً بالایی دارد و هنگامی که متبلور می شود ساختار بلوری مکعبی الماس شکل را تشکیل می دهد.

برای نقش سیلیکون به عنوان نیمه هادی و استفاده از آن در الکترونیک، ساختار اتمی عنصر حیاتی است که شامل چهار الکترون ظرفیتی است که به سیلیکون اجازه می دهد به راحتی با عناصر دیگر پیوند برقرار کند.

تاریخچه تولید سیلیکون متال

تولید اولیه فروسیلیس در کوره های بلند با کاهش سنگ معدن های حاوی سیلیکون با زغال چوب انجام شد که منجر به آهن نقره ای شد (فروسیلیسیوم با محتوای سیلیسیم تا ۲۰ درصد).

اولین مدارهای مجتمع سیلیکونی در دهه ۱۹۶۰ ساخته شد و در دهه ۱۹۷۰، پردازنده های حاوی سیلیکون توسعه یافتند.

اندکی پس از رونمایی از اولین ترانزیستورها، نتایج آزمایشگاهی سیلیکون منجر به دومین موفقیت بزرگ در سال ۱۹۵۴ شد: اولین سلول فتوولتائیک (خورشیدی) سیلیکونی.

پیش از این، فکر استفاده از انرژی خورشیدی بر روی زمین توسط بسیاری از افراد و دانشمندان غیرممکن بود. اما تنها چهار سال بعد، در سال ۱۹۵۸، اولین ماهواره ای که از سلول های خورشیدی سیلیکونی انرژی می گرفت، به دور زمین می چرخید.

در دهه ۱۹۷۰، کاربردهای تجاری برای فناوری‌های خورشیدی به کاربردهای زمینی مانند روشنایی برق در سکوهای نفتی دریایی و گذرگاه‌های راه‌آهن تبدیل شد. در طول دو دهه گذشته، استفاده از انرژی خورشیدی به طور تصاعدی رشد کرده است. امروزه فناوری های فتوولتائیک مبتنی بر سیلیکون حدود ۹۰ درصد از بازار جهانی انرژی خورشیدی را تشکیل می دهند

تولید فلز سیلیکون

اکثر فلز سیلیکونی که هر سال بدست می آید ( که در حدود ۸۰ درصد است)، به عنوان فروسیلیکون برای استفاده در آهن و فولادسازی تولید می شود. فروسیلیس بسته به نیاز کارخانه ذوب می تواند بین ۱۵ تا ۹۰ درصد سیلیکون داشته باشد.

آلیاژ آهن و سیلیکون با استفاده از کوره قوس الکتریکی غوطه ور از طریق واکنش ذوب و احیا تولید می شود. سنگ معدن غنی از سیلیس و منبع کربن مانند زغال سنگ کک (زغال سنگ متالورژی) خرد شده و همراه با آهن قراضه در کوره آماده می شوند.

در دمای بیش از ۱۹۰۰ درجه سانتیگراد (۳۴۵۰ درجه فارنهایت)، کربن با اکسیژن موجود در سنگ معدن واکنش داده و گاز مونوکسید کربن را تشکیل می دهد. در همین حین، آهن و سیلیکون باقیمانده، با هم ترکیب می‌شوند تا فروسیلیکون مذاب ساخته شود که با ضربه زدن به پایه کوره می‌توان آن را جمع‌آوری کرد.

پس از سرد شدن و سفت شدن، فروسیلیکون را می توان حمل کرد و مستقیماً در ساخت آهن و فولاد استفاده کرد.

از همین روش، بدون احتساب آهن، برای تولید سیلیکون متالورژیکی با درجه خلوص بیش از ۹۹ درصد استفاده می شود. سیلیکون متالورژیکی همچنین در ذوب فولاد و همچنین در ساخت آلیاژهای ریخته گری آلومینیوم و مواد شیمیایی سیلان استفاده می شود.

سیلیکون متالورژیکی بر اساس سطوح ناخالصی آهن، آلومینیوم و کلسیم موجود در آلیاژ طبقه بندی می شود. به عنوان مثال، فلز سیلیکون ۵۵۳ حاوی کمتر از ۰٫۵ درصد از هر آهن و آلومینیوم و کمتر از ۰٫۳ درصد کلسیم است.

سالانه حدود ۸ میلیون تن فروسیلیس در سطح جهان تولید می شود که چین حدود ۷۰ درصد از این کل را تشکیل می دهد.

سالانه ۲٫۶ میلیون تن دیگر سیلیکون متالورژیکی – یا حدود ۲۰ درصد کل فلز سیلیکون تصفیه شده – تولید می شود. چین دوباره حدود ۸۰ درصد از این تولید را به خود اختصاص می دهد. تعجب بسیاری برای بسیاری این است که گریدهای خورشیدی و الکترونیکی سیلیکون تنها مقدار کمی (کمتر از دو درصد) از کل تولید سیلیکون تصفیه شده را تشکیل می دهند. برای ارتقاء به فلز سیلیکون درجه یک خورشیدی (پلی سیلیکون)، خلوص باید تا ۹۹٫۹۹۹۹٪ (۶N) سیلیکون خالص افزایش یابد. این کار از طریق یکی از سه روش انجام می شود که رایج ترین آنها فرآیند زیمنس است.

تولید فلز سیلیکون

کاربردهای مختلف سیلیکون متال

در حالی که تقریباً ده میلیون تن فروسیلیس و فلز سیلیکون هر سال تصفیه می شود، اکثر سیلیکون مورد استفاده تجاری در واقع به شکل مواد معدنی سیلیکونی است که در ساخت همه چیز از سیمان، ملات و سرامیک گرفته تا شیشه و … استفاده می شود. پلیمرها

همانطور که اشاره شد فروسیلیس رایج ترین شکل سیلیکون فلزی است. از زمان اولین استفاده آن در حدود ۱۵۰ سال پیش، فروسیلیس به عنوان یک عامل مهم اکسید کننده در تولید کربن و فولاد ضد زنگ باقی مانده است. امروزه ذوب فولاد همچنان بزرگترین مصرف کننده فروسیلیس است.

با این حال فروسیلیس، کاربردهای زیادی فراتر از فولادسازی دارد. این یک پیش آلیاژ در تولید فروسیلیکون منیزیم است، یک گره ساز که برای تولید آهن داکتیل استفاده می شود، و همچنین در طی فرآیند Pidgeon برای تصفیه منیزیم با خلوص بالا. فروسیلیس همچنین می تواند برای ساخت آلیاژهای سیلیکون آهنی مقاوم در برابر حرارت و خوردگی و همچنین فولاد سیلیکونی که در ساخت الکتروموتورها و هسته های ترانسفورماتور استفاده می شود استفاده شود.

سیلیکون متالورژیکی را می توان در فولادسازی و همچنین یک عامل آلیاژی در ریخته گری آلومینیوم استفاده کرد. قطعات خودرو آلومینیوم سیلیکونی (Al-Si) سبک وزن و قوی تر از قطعات ساخته شده از آلومینیوم خالص هستند. قطعات خودرو مانند بلوک موتور و رینگ لاستیک از متداول ترین قطعات سیلیکونی آلومینیومی هستند.

تقریباً نیمی از کل سیلیکون متالورژی توسط صنایع شیمیایی برای ساخت سیلیس دود (عامل غلیظ کننده و خشک کننده)، سیلان ها (عامل جفت کننده) و سیلیکون (درزگیرها، چسب ها و روان کننده ها) استفاده می شود. پلی سیلیکون درجه فتوولتائیک عمدتاً در ساخت سلول های خورشیدی پلی سیلیکونی استفاده می شود. حدود پنج تن پلی سیلیکون برای ساخت یک مگاوات ماژول خورشیدی مورد نیاز است.

اهمیت سیلیکون متال در صنعت

در حال حاضر، فناوری خورشیدی پلی سیلیکون بیش از نیمی از انرژی خورشیدی تولید شده در سطح جهان را تشکیل می دهد، در حالی که فناوری مونوسیلیکون تقریباً ۳۵ درصد است. در مجموع ۹۰ درصد از انرژی خورشیدی مورد استفاده انسان توسط فناوری مبتنی بر سیلیکون جمع آوری می شود.

سیلیکون مونوکریستال نیز یک ماده نیمه هادی حیاتی است که در الکترونیک مدرن یافت می شود. سیلیکون به عنوان یک ماده زیرلایه مورد استفاده در تولید ترانزیستورهای اثر میدانی (FET)، LED ها و مدارهای مجتمع، تقریباً در تمام رایانه ها، تلفن های همراه، تبلت ها، تلویزیون ها، رادیوها و سایر دستگاه های ارتباطی مدرن یافت می شود. تخمین زده می شود که بیش از یک سوم تمام دستگاه های الکترونیکی دارای فناوری نیمه هادی مبتنی بر سیلیکون هستند.

در نهایت، آلیاژ سخت سیلیکون کاربید در انواع کاربردهای الکترونیکی و غیر الکترونیکی، از جمله جواهرات مصنوعی، نیمه هادی های با دمای بالا، سرامیک های سخت، ابزارهای برش، دیسک های ترمز، ساینده ها، جلیقه های ضد گلوله و عناصر گرمایشی استفاده می شود.

ویژگی های فلز سیلیکون

عرضه کننده سیلیکون متال

فلز سیلیکون برای تولید آلومینیوم و محصولات شیمیایی کاملاً ضروری است زیرا خواص اساسی آنها را فراهم می کند. طیف گسترده ای از فناوری های مدرن به این ماده بستگی دارد. فلز سیلیکون را نمی توان با هیچ فلز دیگری، جایگزین کرد و هیچ بازیافتی برای سیلیکون (خالص) وجود ندارد.

علاوه بر اهمیت اقتصادی فلز سیلیکون، این فلز در بخش آلومینیوم و شیمیایی، همچنین به عنوان یک ماده ضروری در صنایع الکترونیک و خورشیدی، و یک ورودی مهم در کاربرد باتری برای افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی و در نتیجه مدت زمان طول عمر باتری. عدم وجود جایگزین برای طیف وسیعی از مصارف نهایی، فقط ویژگی های مهم و بی شمار این فلز را نشان می دهد.