Perfil de metal: Silicon a Metal

O metal de silício é um metal semi-condutor cinza e brilhante que é usado para fabricar aço, células solares e microchips.

O silício é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre (atrás do oxigênio) e o oitavo elemento mais comum do universo. De fato, cerca de 30% do peso da crosta terrestre pode ser atribuído ao silício.

O elemento com o número atômico 14 ocorre naturalmente em minerais de silicato, incluindo sílica, feldspato e mica, que são componentes principais de rochas comuns, como quartzo e arenito.

Um semi-metal (ou metaloide), o silício possui algumas propriedades de metais e não metais.

Como a água - mas ao contrário da maioria dos metais - o silício contrata em seu estado líquido e se expande à medida que se solidifica. Tem pontos de fusão e ponto de ebulição relativamente altos, e quando cristalizado forma uma estrutura de cristal cúbico de diamante.

Crítico para o papel de silício como um semicondutor e seu uso em eletrônica é a estrutura atômica do elemento, que inclui quatro elétrons de valência que permitem que o silício se une facilmente com outros elementos.

Propriedades:

• Símbolo Atômico: Si
• Número Atômico: 14
• Categoria do Elemento: Metallóide
• Densidade: 2. 329g / cm3
• Ponto de fusão: 1474 ° C (2577 ° F)
• Ponto de ebulição: 3290 ° C (980 ° C)
• Dureza de Moh: 7

História:

O químico sueco Jons Jacob Berzerlius é creditado com o primeiro isolamento de silício em 1823. Berzerlius realizou isso pelo aquecimento de potássio metálico (que havia sido isolado uma década antes) em um cadinho ao longo com fluorossilicato de potássio.

O resultado foi o silício amorfo.

Fazer silício cristalino, no entanto, exigiu mais tempo. Uma amostra eletrolítica de silício cristalino não seria feita por mais três décadas.

O primeiro uso comercializado de silício foi na forma de ferrosilício.

Na sequência da modernização de Henry Bessemer da indústria siderúrgica em meados do século 19, houve grande interesse na metalurgia do aço e na pesquisa em técnicas siderúrgicas.

Na época da primeira produção industrial de ferrosilício na década de 1880, a importância do silício na melhoria da ductilidade em ferro gusa e aço desoxidante foi bem compreendida.

A produção inicial de ferrosilício foi feita em altos-fornos, reduzindo minérios contendo silício com carvão vegetal, o que resultou em ferro gusa prateado, um ferrosilício com até 20 por cento de conteúdo de silício.

O desenvolvimento de fornos de arco elétrico no início do século 20 permitiu não só maior produção de aço, mas também mais produção de ferrosilicão.

Em 1903, um grupo especializado na fabricação de ferro ligas (Compagnie Generate d'Electrochimie) iniciou operações na Alemanha, França e Áustria e, em 1907, foi fundada a primeira planta comercial de silício nos EUA.

A fabricação de aço não foi a única aplicação de compostos de silício comercializados antes do final do século XIX.

Para produzir diamantes artificiais em 1890, o silicato de alumínio aquecido Edward Goodrich Acheson com coca em pó e o carboneto de silício produzido incidentalmente (SiC).

Três anos depois, Acheson havia patenteado seu método de produção e fundado a Carborundum Company (o carborundum sendo o nome comum para o carboneto de silício na época) com a finalidade de fazer e vender produtos abrasivos.

No início do século XX, as propriedades condutoras do carboneto de silício também foram realizadas, e o composto foi usado como detector em rádios de navios iniciais. Uma patente para detectores de cristal de silício foi concedida a GW Pickard em 1906.

Em 1907, o primeiro diodo emissor de luz (LED) foi criado aplicando tensão em um cristal de carboneto de silício.

Através da década de 1930, o uso de silício cresceu com o desenvolvimento de novos produtos químicos, incluindo silanos e silicones.

O crescimento da eletrônica no último século também foi inextricavelmente ligado ao silício e suas propriedades únicas.

Enquanto a criação dos primeiros transistores - os precursores dos microchips modernos - na década de 1940 dependia do germânio, não demorou muito para que o silício substituísse seu primo metaloide como um material semicondutor de substrato mais durável.

Bell Labs e Texas Instruments começaram a produzir comercialmente transistores à base de silício em 1954.

Os primeiros circuitos integrados de silício foram fabricados na década de 1960 e, na década de 1970, os processadores contendo silício foram desenvolvidos.

Dado que a tecnologia de semicondutores à base de silício constitui a espinha dorsal da eletrônica moderna e da computação, não deve ser uma surpresa que nos referimos ao núcleo de atividade para esta indústria como "Silicon Valley".

(Para uma análise detalhada da história e do desenvolvimento do Silicon Valley e da tecnologia de microchip, recomendo o documentário American Experience intitulado Silicon Valley).

Pouco tempo depois de desvendar os primeiros transistores, o trabalho da Bell Labs com silício levou a um segundo grande avanço em 1954: a primeira célula fotovoltaica de silício (solar).

Antes disso, a idéia de aproveitar a energia do sol para criar poder na terra era considerada impossível pela maioria. Mas apenas quatro anos depois, em 1958, o primeiro satélite alimentado por células solares de silício orbitava a Terra.

Na década de 1970, as aplicações comerciais para tecnologias solares cresceram para aplicações terrestres, como a iluminação de plataformas petrolíferas offshore e cruzamentos ferroviários.

Nas últimas duas décadas, o uso da energia solar cresceu exponencialmente. Hoje, as tecnologias fotovoltaicas baseadas em silício representam cerca de 90% do mercado mundial de energia solar.

Produção:

A maioria do silício refinado a cada ano - cerca de 80 por cento - é produzido como ferrosilício para uso em ferro e aço. Ferrosilício pode conter em qualquer lugar entre 15 e 90 por cento de silício, dependendo dos requisitos da fundição.

A liga de ferro e silício é produzida usando um forno de arco elétrico submerso através da fundição de redução. O minério rico em sílica e uma fonte de carbono como o carvão de coque (carvão metalúrgico) é esmagado e carregado no forno juntamente com sucata.

A temperaturas acima de 1900 ° C (3450 ° F), o carbono reage com o oxigênio presente no minério, formando gás monóxido de carbono. O restante ferro e silício, enquanto isso, combinam-se para fazer ferrosilicão fundido, que pode ser coletado tocando a base do forno.

Uma vez arrefecido e endurecido, o ferrosilício pode então ser enviado e usado diretamente na fabricação de ferro e aço.

O mesmo método, sem a inclusão de ferro, é usado para produzir silício de qualidade metalúrgica que é maior que 99 por cento puro. O silício metalúrgico também é utilizado na fundição de aço, bem como o fabrico de ligas de alumínio e produtos químicos de silano.

O silício metalúrgico é classificado pelos níveis de impurezas de ferro, alumínio e cálcio presentes na liga. Por exemplo, 553 silicon metal contém menos de 0. 5 por cento de ferro e alumínio e menos de 0. 3 por cento de cálcio.

Cerca de 8 milhões de toneladas métricas de ferrosilício são produzidas anualmente globalmente, sendo a China responsável por cerca de 70 por cento desse total. Os grandes produtores incluem Erdos Metalurgia do Grupo, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials e Elkem.

São produzidos anualmente mais 2,6 milhões de toneladas métricas de silício metalúrgico - ou cerca de 20% do silício metálico refinado total. A China, mais uma vez, representa aproximadamente 80 por cento desse resultado.

Uma surpresa para muitos é que as notas solares e eletrônicas de silício representam apenas uma pequena quantidade (menos de dois por cento) de toda a produção refinada de silício.

Para atualizar para silício metálico de grau solar (polissilício), a pureza deve aumentar para mais de 99. 9999% (6N) de silício puro. Isso é feito através de um dos três métodos, sendo o processo mais comum o Siemens.

O Processo Siemens envolve a deposição de vapor químico de um gás volátil conhecido como triclorosilano. A 1150 ° C (2102 ° F), o triclorosilano é soprado sobre uma semente de silício de alta pureza montada no final de uma haste. À medida que passa, o silício de alta pureza do gás é depositado na semente.

Reator de leito de fluido (FBR) e tecnologia de silício de qualidade metalúrgica atualizada (UMG) também são usados ​​para melhorar o metal para polissilício adequado para a indústria fotovoltaica.

230 000 toneladas métricas de polissilício foram produzidas em 2013. Os principais produtores incluem GCL Poly, Wacker-Chemie e OCI.

Finalmente, para tornar o silicone de grau eletrônico adequado para a indústria de semicondutores e certas tecnologias fotovoltaicas, o polissilício deve ser convertido em um silício monocristal ultra puro através do processo Czochralski.

Para fazer isso, o polissilício é derretido em um cadinho a 1425 ° C (2597 ° F) numa atmosfera inerte. Um cristal de semente montado em haste é então mergulhado no metal fundido e girado lentamente e removido, dando tempo para que o silício cresça no material de semente.

O produto resultante é uma haste (ou brole) de silício metálico monocristalino que pode ser tão alta como 99. 999999999 (11N) por cento puro. Esta haste pode ser dopada com boro ou fósforo, conforme necessário para ajustar as propriedades mecânicas quânticas conforme necessário.

A haste do monocristal pode ser enviada aos clientes tal como está, ou cortada em bolachas e polida ou texturizada para usuários específicos.

Aplicações:

Embora cerca de dez milhões de toneladas métricas de ferrosilício e silício de metal sejam refinadas a cada ano, a maioria do silício utilizado comercialmente é na verdade na forma de minerais de silício, que são utilizados na fabricação de tudo, desde cimento, Argamassas e cerâmicas, para vidro e polímeros.

O ferro-silício, como observado, é a forma mais comum de silício metálico. Desde o seu primeiro uso há cerca de 150 anos, o ferrosilicônio permaneceu um importante agente desoxidante na produção de carbono e aço inoxidável. Hoje, a fundição de aço continua sendo o maior consumidor de ferrosilício.

O Ferrosilício possui uma série de usos além da fabricação de aço. É uma pré-liga na produção de ferrosilício de magnésio, um nodulador usado para produzir ferro dúctil, bem como durante o processo Pidgeon para refinação de magnésio de alta pureza.

O Ferrosilício também pode ser usado para fabricar ligas de silício ferroso resistentes ao calor e à corrosão, bem como o aço de silício, que é utilizado na fabricação de eletro-motores e núcleos de transformadores.

O silício metalúrgico pode ser usado na fabricação de aço, bem como um agente de liga em fundição de alumínio. As peças de automóveis de alumínio e silício (Al-Si) são leves e mais fortes do que os componentes fundidos a partir de alumínio puro. Peças automotivas, como blocos de motores e bordas de pneus, são algumas das peças de silicone de alumínio.

Cerca de metade de todo o silício metalúrgico é utilizado pela indústria química para produzir sílica fumada (um agente espessante e dessecante), silanos (um agente de acoplamento) e silicone (vedantes, adesivos e lubrificantes).

O polissilício de grau fotovoltaico é usado principalmente na fabricação de células solares de polissilício. Cerca de cinco toneladas de polissilício são necessárias para fazer um megawatt de módulos solares.

Atualmente, a tecnologia solar de polissilício representa mais de metade da energia solar produzida globalmente, enquanto a tecnologia de monossilício contribui com aproximadamente 35%. No total, 90 por cento da energia solar utilizada pelos seres humanos é coletada pela tecnologia baseada em silício.

O silício monocristal é também um material semicondutor crítico encontrado na eletrônica moderna. Como material de substrato utilizado na produção de transistores de efeito de campo (FETs), LEDs e circuitos integrados, o silício pode ser encontrado em praticamente todos os computadores, telefones celulares, tablets, televisores, rádios e outros dispositivos de comunicação modernos.

Estima-se que mais de um terço de todos os dispositivos eletrônicos contenham tecnologia semicondutora à base de silício.

Finalmente, o carboneto de silício de liga dura é usado em uma variedade de aplicações eletrônicas e não eletrônicas, incluindo joias sintéticas, semicondutores de alta temperatura, cerâmicas duras, ferramentas de corte, discos de freio, abrasivos, coletes à prova de balas e elementos de aquecimento.

Fontes:

Uma breve história de produção de liga e ferroallagem de aço.
URL: // www. urm-company. com / images / docs / steel-alloying-history. pdf
Holappa, Lauri e Seppo Louhenkilpi.

Sobre o papel das ferro ligas na fabricação de aço. 9 a 13 de junho de 2013. O décimo terceiro Congresso Internacional de Ferro-Ligas. URL: // www. pirometalurgia. co. za / InfaconXIII / 1083-Holappa. pdf

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