Piimetallin ominaisuudet ja käyttö

Piimetalli on harmaa ja kiiltävä puolijohtava metalli, jota käytetään teräksen, aurinkokennojen ja mikrosirujen valmistukseen. Pii on maapallonkuoreen toiseksi yleisin elementti (vain hapen takana) ja maailmankaikkeuden kahdeksanneksi yleisin elementti. Lähes 30 prosenttia maankuoren painosta johtuu piistä.

Elementti, jonka atominumero on 14, esiintyy luonnollisesti silikaattimineraaleissa, mukaan lukien piidioksidi, maasälpä ja kiille, jotka ovat tavallisten kivien, kuten kvartsin ja hiekkakiven tärkeimmät komponentit. Puolimetalli (tai metalloidi) piillä on joitain ominaisuuksia sekä metalleilla että ei-metalleilla.

Kuten vesi - mutta toisin kuin useimmat metallit, pii supistuu nestemäisessä tilassaan ja laajenee, kun se jähmettyy. Sillä on suhteellisen korkea sulamis- ja kiehumispiste, ja kiteytyessään muodostuu timanttikuutiokiteinen kiderakenne. Piin kannalta puolijohteen kannalta kriittinen ja sen käyttö elektroniikassa on elementin atomi rakenne, joka sisältää neljä valenssielektronia, jotka sallivat piin sitoutumisen muiden elementtien kanssa mielellään.

• Atomisymboli: Si
• Atominumero: 14
• Elementtiluokka: Metalloidi
• Tiheys: 2.329 g / cm3
• Sulamispiste: 1414 ° C (2577 ° F).
• Kiehumispiste: 3265 ° C (5909 ° F)
• Mohin kovuus: 7

Ruotsalaiselle kemistille Jons Jacob Berzerliukselle suoritettiin ensimmäinen pii-eristys vuonna 1823. Berzerlius suoritti tämän kuumentamalla metallista kaliumia (joka oli eristetty vasta kymmenen vuotta aikaisemmin) upokkaassa yhdessä kaliumfluorisilikaatin kanssa. Tuloksena oli amorfinen pii.

Kiteisen piin valmistaminen vaati kuitenkin enemmän aikaa. Kiteisen piin elektrolyyttistä näytettä ei valmistetta vielä kolmen vuosikymmenen ajan. Piin ensimmäinen kaupallinen käyttö tapahtui ferropiin muodossa.

Seurataan Henry Bessemer's terästeollisuuden nykyaikaistaminen 1800-luvun puolivälissä oli suuri kiinnostus teräs metallurgia ja teräksenvalmistustekniikoiden tutkimus. Ensimmäisen teollisuusraudan piidioksidin tuotannon aikaan 1880-luvulla piin merkitys paranemisessa sitkeys sika rauta- ja hapetusteräs ymmärrettiin melko hyvin.

Raudan piin varhainen tuotanto tehtiin masuuneissa pelkistämällä piitä sisältäviä malmeja puuhiilellä, mikä johti hopeanhoitoiseen raudasta, rautapiistä, jonka piipitoisuus on jopa 20 prosenttia.

Sähkökaariuunien kehitys 1900-luvun alussa mahdollisti teräksen tuotannon lisääntymisen lisäksi myös ferropiin tuotannon. Vuonna 1903 aloitettiin ferroseoksen valmistukseen erikoistunut ryhmä (Compagnie Generate d'Electrochimie). Toiminnot Saksassa, Ranskassa ja Itävallassa, ja vuonna 1907 ensimmäinen kaupallinen piitehdas Yhdysvalloissa oli perustettu.

Teräksenvalmistus ei ollut ainoa sovellus ennen 1800-luvun loppua markkinoille saatetuille piiyhdisteille. Keinotekoisten timanttien tuottamiseksi vuonna 1890 Edward Goodrich Acheson lämmitti alumiinisilikaattia jauhemaisella koksilla ja satunnaisesti tuotti piikarbidia (SiC).

Kolme vuotta myöhemmin Acheson oli patentoinut tuotantomenetelmänsä ja perustanut Carborundum Company (carborundum on silloin yleinen nimi piikarbidille) hankaavien tuotteiden valmistamiseksi ja myymiseksi Tuotteet.

1900-luvun alkupuolelle mennessä myös piikarbidin johtavat ominaisuudet olivat toteutuneet, ja yhdistettä käytettiin detektorina varhaisissa alusradioissa. GW Pickardille myönnettiin patentti piikiteiden ilmaisimille vuonna 1906.

Vuonna 1907 luotiin ensimmäinen valoa emittoiva diodi (LED) tuomalla jännitettä piikarbidikristalleihin. Pii käyttö 1930-luvulla kasvoi uusien kemiallisten tuotteiden, kuten silaanien ja silikonien, kehittämisen myötä. Elektroniikan kasvu viime vuosisadan aikana on myös liitetty erottamattomasti piin ja sen ainutlaatuisiin ominaisuuksiin.

Kun 1940-luvulla luotiin ensimmäisiä transistoreita - nykyaikaisten mikrosirujen edeltäjiä -, luotiin germanium, ei kauan ennen kuin pii pilasi metalloidisen serkkunsa kestävämmäksi substraatin puolijohdemateriaaliksi. Bell Labs ja Texas Instruments aloittivat piipohjaisten transistorien kaupallisen tuotannon vuonna 1954.

Ensimmäiset piintegroidut piirit valmistettiin 1960-luvulla, ja 1970-luvulle mennessä oli kehitetty piitä sisältäviä prosessoreita. Koska piipohjainen puolijohdeteknologia muodostaa nykyaikaisen elektroniikan ja tietojenkäsittelyä varten, ei pitäisi olla yllättävää, että me kutsumme tämän toimialan toimintakeskittymää silikoniksi Laaksossa.'

(Yksityiskohtaiseksi katsomiseksi Piilaakson ja mikrosirutekniikan historiasta ja kehityksestä suosittelen erittäin suosittua American Experience -dokumenttia, jonka otsikko on Silicon Valley. Pian sen jälkeen kun ensimmäiset transistorit paljastettiin, Bell Labsin työ piillä johti toiseen suureen läpimurtoon vuonna 1954: Ensimmäinen piisähkö (aurinkokenno).

Ennen sitä ajatuksen energian hyödyntämisestä auringosta energian luomiseksi maan päällä uskottiin olevan mahdotonta. Mutta vain neljä vuotta myöhemmin, vuonna 1958, ensimmäinen piin aurinkokennoista saatu satelliitti kiertää maata.

1970-luvulle mennessä aurinkoteknologian kaupalliset sovellukset olivat kasvaneet maanpäällisiksi sovelluksiksi, kuten meriteollisuuden valaistus merellä toimiville öljynporauslautoille ja rautateiden risteyksille. Kahden viime vuosikymmenen aikana aurinkoenergian käyttö on kasvanut räjähdysmäisesti. Piipohjaisten aurinkosähköteknologioiden osuus nykyään on noin 90 prosenttia maailman aurinkoenergian markkinoista.

Suurin osa vuosittain jalostetusta piistä - noin 80 prosenttia - tuotetaan ferrosilikonina käytettäväksi raudassa ja teräksen teko. Ferrosilikoni voi sisältää 15 - 90 prosenttia piitä sulatteen vaatimuksista riippuen.

metalliseos Rautaa ja piitä tuotetaan upotetulla sähkökaariuunilla pelkistysulatuksen avulla. Piidioksidirikas malmi ja hiililähde, kuten koksishiili (metallurginen kivihiili), murskataan ja ladataan uuniin yhdessä romuraudan kanssa.

Yli 1900 lämpötilassa°C (3450°F) hiili reagoi malmissa olevan hapen kanssa muodostaen hiilimonoksidikaasua. Jäljelle jäävä rauta ja pii yhdistyvät sitten sulan ferrosilikon valmistukseen, joka voidaan kerätä napauttamalla uunin pohjaa. Jäähdytettynä ja kovetettuna ferrosilikoni voidaan sitten kuljettaa ja käyttää suoraan raudan ja teräksen valmistuksessa.

Samaa menetelmää ilman rautaa sisällytetään metallurgisen laadun piin valmistukseen, jonka puhtaus on yli 99 prosenttia. Metallurgista piitä käytetään myös teräksen sulattamisessa, samoin kuin alumiiniseosten ja silaanikemikaalien valmistuksessa.

Metallurginen pii luokitellaan raudan epäpuhtaustasojen mukaan, alumiinija seoksessa läsnä oleva kalsium. Esimerkiksi 553 piimetalli sisältää vähemmän kuin 0,5 prosenttia jokaisesta raudasta ja alumiinista ja alle 0,3 prosenttia kalsiumia.

Noin 8 miljoonaa tonnia ferrosilikaa tuotetaan vuosittain maailmanlaajuisesti. Kiinan osuus tästä on 70 prosenttia. Suurten tuottajien joukossa ovat Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials ja Elkem.

Ylimääräinen 2,6 miljoonaa tonnia metallurgisia piitä - tai noin 20 prosenttia kokonaan puhdistetusta piimetallista - tuotetaan vuosittain. Jälleen Kiinan osuus tästä tuotannosta on noin 80 prosenttia. Monille yllätyksenä on, että aurinko- ja elektroniikan piimäärät muodostavat vain pienen määrän (alle kaksi prosenttia) kaikesta puhdistetusta piintuotannosta. Päivittääkseen aurinkoluokkaan piimetalliin (monikiteistä piitä), puhtauden on nousta ylöspäin 99,9999% (6N) puhdasta piitä. Se tehdään yhdellä kolmesta menetelmästä, yleisin on Siemens-prosessi.

Siemens-prosessiin sisältyy trikloorisilaanina tunnettu haihtuvan kaasun kemiallinen höyrystys. Klo 1150°C (2102°F) trikloorisilaani puhalletaan sauvan päähän kiinnitetyn erittäin puhtaan piisiemen yli. Sen kulkiessa kaasun erittäin puhdasta piitä kerrostuu siemenelle.

Leijukerrosreaktoria (FBR) ja parannettua metallurgisen laadun (UMG) piitekniikkaa käytetään myös parantamaan metalli polypiiksi, joka soveltuu aurinkosähköteollisuuteen. Vuonna 2013 tuotettiin kaksisataa kolmekymmentätuhatta tonnia monikiteistä piitä. Johtavia tuottajia ovat GCL Poly, Wacker-Chemie ja OCI.

Lopuksi, jotta elektroniikkalaatuisesta piistä sopisi puolijohdeteollisuuteen ja tiettyihin aurinkosähköteknologiat, monikiteinen pii on muunnettava ultrapuhtaaseksi monokidekromatoidiseksi piiksi Czochralski-prosessi. Tätä varten monik pii pii sulatetaan upokkaaseen lämpötilassa 1425°C (2597°F) inertissä ilmakehässä. Tankoon kiinnitetty siemenkite kastetaan sitten sulaan metalliin ja pyöritetään ja poistetaan hitaasti antaen piin kasvaa siemenmateriaalille.

Tulokseksi saatu tuote on sauva (tai petti) yksikiteistä piimetallia, joka voi olla jopa 99,999999999 (11N) prosenttia puhdasta. Tämä sauva voidaan seostaa boorilla tai fosforilla tarpeen mukaan kvantimekaanisten ominaisuuksien säätämiseksi tarvittaessa. Yksikiteinen sauva voidaan kuljettaa asiakkaille sellaisenaan tai viipaloida kiekkoihin ja kiillottaa tai kuvioida tietyille käyttäjille.

Vaikka noin kymmenen miljoonaa tonnia ferrosilikaa ja piimetallia puhdistetaan vuosittain, suurin osa kaupallisesti käytetystä piistä on itse asiassa piimineraalien muodossa, joita käytetään kaiken valmistukseen sementistä, laastista ja keramiikasta lasiin ja polymeerit.

Ferrosilikoni, kuten todettiin, on metallisen piin yleisimmin käytetty muoto. Ensimmäisestä käytöstä noin 150 vuotta sitten ferrosilikoni on pysynyt tärkeänä hapettumisenestoaineena hiilen ja ruostumaton teräs. Nykyään terässulatus on edelleen ferropiin suurin kuluttaja.

Ferrosiliconilla on kuitenkin useita käyttökohteita teräksenvalmistuksen lisäksi. Se on esiseos metallituotteiden valmistuksessa magnesium ferrosiliciopilaatti, nodulisaattori, jota käytettiin muokattavan raudan valmistukseen, samoin kuin Pidgeon-prosessin aikana erittäin puhtaan magnesiumin puhdistamiseen. Ferrosilikonia voidaan käyttää myös lämmön ja korroosio kestävät rautapitoiset piiseokset sekä piiteräs, jota käytetään sähkömoottorien ja muuntajaytimien valmistuksessa.

Metallurgista piitä voidaan käyttää teräksenvalmistuksessa sekä seosainetta alumiinivalussa. Alumiini-piitä (Al-Si) sisältävät auton osat ovat kevyitä ja vahvempia kuin puhtaasta alumiinista valetut komponentit. Autonosat, kuten moottorilohko ja rengasvanteet, ovat joitakin yleisimmin valettuja alumiinipii-osia.

Lähes puolet kaikesta metallurgisesta piistä käytetään kemian teollisuudessa höyrystetyn piidioksidin valmistukseen (a sakeutusaine ja kuivatusaine), silaanit (kytkentäaine) ja silikoni (tiivisteet, liimat ja voiteluaineet). Aurinkosähkölaatuista monikiteistä piitä käytetään pääasiassa monikiteisten aurinkokennojen valmistuksessa. Yhden megawatin aurinkomoduulien valmistamiseksi tarvitaan noin viisi tonnia monikiteistä piitä.

Nykyään monikiteisen aurinkoteknologian osuus on yli puolet maailmanlaajuisesti tuotetusta aurinkoenergiasta, kun taas monipiikotekniikan osuus on noin 35 prosenttia. Kaikkiaan 90 prosenttia ihmisten käyttämästä aurinkoenergiasta kerätään piipohjaisella tekniikalla.

Monokrystalpi on myös kriittinen puolijohdemateriaali, jota löytyy nykyaikaisesta elektroniikasta. Substraattimateriaalina, jota käytetään kenttä-transistorien (FET), LEDien ja integroitujen piirien, piin tuotannossa löytyy käytännössä kaikista tietokoneista, matkapuhelimista, tablet-laitteista, televisioista, radioista ja muusta nykyaikaisesta viestinnästä laitteet. On arvioitu, että yli kolmasosa kaikista elektronisista laitteista sisältää piipohjaisen puolijohdetekniikan.

Lopuksi kovaa seostettua piikarbidia käytetään monissa elektronisissa ja ei-elektronisissa sovelluksissa, mukaan lukien synteettiset koruja, korkean lämpötilan puolijohteita, kovaa keramiikkaa, leikkuutyökaluja, jarrulevyjä, hioma-aineita, luodinkestäviä liivejä ja lämmitystä elementtejä.

Lyhyt historia teräslejeeringistä ja rautametallituotannosta.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri ja Seppo Louhenkilpi.

Rautaseosten roolista teräksenvalmistuksessa. 9. – 13. Kesäkuuta 2013. Kolmastoista kansainvälinen rautaseosten kongressi. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf