Vaatega poolmetallist räni
Räni metall on hall ja läikiv pooljuhe metall, mida kasutatakse terase, päikeseelementide ja mikrokiipide valmistamiseks.
Silicon on suuruselt teine rikkalik element maakoores (taga ainult hapnikku) ja kaheksas kõige levinum element universumis. Tegelikult võib räni põhjustada ligikaudu 30 protsenti maakoorest.
Element koos aatomiarvuga 14 looduslikult esineb silikaatmineraalides, sealhulgas ränidioksiid, laevapuude ja vilgukivist, mis on ühiste kivimite, nagu kvarts ja liivakivi, põhikomponendid.
Poolmetallist (või metalloidest ) räni omab mõningaid metallide ja mittemetallide omadusi.
Nagu vesi - kuid erinevalt enamikust metallist - räni lepingud on vedelas olekus ja laienevad kui ta tahkub. Sellel on suhteliselt kõrge sulamistemperatuur ja keemistemperatuur ning kristalliseerunud kujul moodustub teemanti kuubikristallstruktuur.
Kriitiline roll räni kui pooljuhi rolli ja selle kasutamine elektroonikas on elemendi aatomi struktuur, mis sisaldab nelja valentsi elektronid, mis võimaldavad räni siduda teiste elementidega kergesti.
Omadused:
- Atomic Symbol: Si
- Atomic Number: 14
- Element Kategooria: Metalloid
- Tihedus: 2,329 g / cm3
- Sulamistemperatuur: 2577 ° F (1414 ° C)
- Keemispunkt: 5909 ° F (3265 ° C)
- Mohi kõvadus: 7
Ajalugu:
Rootsi apteekril Jons Jacob Berzerliusile anti 1823. aastal esimene isoleeriv räni. Sellega tegi Berzerlius seda ka metalli kaaliumisisaldusega, mida kümme aastat varem eraldati, tiiglis ja kaaliumi fluorosilikaadis.
Tulemuseks oli amorfne räni.
Kristallilise räni valmistamine aga vajas rohkem aega. Kristallilise räni elektrolüütilist proovi ei tehta veel kolme aastakümne jooksul.
Räni esimene kommertsiaalne kasutus oli ferrosiliitsiumi kujul.
Pärast Henry Bessemeri terasetööstuse ajakohastamist 19. sajandi keskpaigas oli suur huvi terasetööstuse ja metallitööstuse uuringute järele.
Ferro-kristalli esimese tööstusliku tootmise ajaks 1880. aastatel oli üsna hästi mõistetav räni tähtsus tasasuse parandamisel malmi ja deoksüdeerivas teras.
Ferrosilüüsi varajane tootmine tehti kõrgahjudes, vähendades räni sisaldavate maakide kaevandust, mille tulemuseks oli hõbeda malm, ferrosiliitsium, mille räni sisaldus oli kuni 20%.
20. sajandi alguses tekkinud elektrikaarahjude väljatöötamine võimaldas mitte ainult suuremat terasetootmist , vaid ka rohkem ferrosiliitsiumi tootmist.
1903. aastal alustati fermoallõli (Compagnie Generate d'Electrochimie) tootmisel spetsialiseerunud gruppi Saksamaal, Prantsusmaal ja Austrias ning 1907. aastal asutati esimene kaubanduslik räniühendus Ameerika Ühendriikides.
Terase tootmine ei olnud ainus rakendus räniühendite jaoks, mis olid turustatud enne 19. sajandi lõppu.
Kunstlike teemantide tootmiseks 1890. aastal soojendas Edward Goodrich Acheson alumiiniumsilikaati pulbrilise koksi ja muide toodetud ränikarbiidi (SiC) abil.
Kolm aastat hiljem Acheson patentis oma tootmismeetodit ja asutas Carborundum Company (karborundum, mis oli sellel ajal ränikarbiidi üldnimetus), et valmistada ja müüa abrasiivseid tooteid.
20. sajandi alguses oli realiseeritud ka ränikarbiidi elektrit juhtivad omadused ning seda ühendit kasutati detektorina varajastes laevadraadides. 1906. aastal anti GW Pickardile patent ränikristallidetektorite kohta.
1907. aastal loodi esimene valgusdiood (LED), rakendades pinget ränikarbiidi kristallile.
1930ndate aastate jooksul kasvas räni kasutamine uute keemiatoodete, sealhulgas silaanide ja silikoonide väljaarendamisel.
Viimase sajandi elektroonika kasv on lahutamatult seotud ka räni ja selle unikaalsete omadustega.
Kuigi 1940. aastatel kasutasid esimesed transistorid - kaasaegsete mikrokiipide eelkäijad - germaniumile tuginedes, ei olnud pikka aega, enne kui räni asendas oma metalloid nõbu kui vastupidavamat substraadi pooljuhtmaterjali.
Bell Labs ja Texas Instruments alustas 1954. aastal ränipõhiste transistoride kaubanduslikku tootmist.
Esimesed ränist integreeritud vooluahelad valmistati 1960. aastatel ja 1970. aastaks töötati välja räni sisaldavaid protsesse.
Arvestades, et ränipõhine pooljuhttehnoloogia moodustab kaasaegse elektroonika ja arvutite selgroo, ei tohiks olla üllatav, et me viitame selle tööstusharu tegevusüksusele "Silicon Valley".
(Silicon Valley'i ja mikrosüsteemi tehnoloogia ajaloo ja arengu üksikasjalikuma ülevaate saamiseks soovitan ma väga American Experience'i dokumentaalfilmi "Silicon Valley").
Mitte kaua pärast esimese transistoride avamist viis Bell Labsi töö räni abil teisele suurele läbimurrele 1954. aastal: esimene räni fotogalvaaniline (päikeseenergia) element.
Enne seda arvas enamus, et päikeseenergia kasutuselevõtt, et luua maa peal võimsust, arvas võimatuks. Kuid just neli aastat hiljem, aastal 1958, oli esimene satelliit, mis oli varustatud räni päikeseelementidega, maa peal.
1970. aastateks olid päikeseenergia tehnoloogiate kommertsrakendused kasvanud maapealsete rakenduste jaoks, nagu näiteks avamere naftapuurplatvormide ja raudteeületuskohtade valgustus.
Viimase kahe aastakümne jooksul on päikeseenergia kasutamine kasvanud eksponentsiaalselt. Praegu moodustavad ränipõhised fotogalvaanilised tehnoloogiad ligikaudu 90 protsenti ülemaailmsest päikeseenergia turust.
Tootmine:
Enamik rafineeritud räni aastas - umbes 80 protsenti - toodetakse ferrosiliitsiumi kasutamiseks raua ja terase tootmisel . Ferrosilicon võib sisaldada 15 kuni 90 protsenti räni, sõltuvalt sulundaja vajadustest.
Raua ja räni sulamist toodetakse vähendatud sulatamisega kasutades sukeldatud elektrikaarahju. Räbusti rikas maagi ja süsinikuallikas, nagu koksisüsi (metallurgiline kivisüsi), purustatakse ja laaditakse ahju koos vanarauaga.
Temperatuuril, mis ületab 1900 ° C (3450 ° F), reageerib süsinik maagis oleva hapnikus, moodustades süsinikmonooksiidi. Vahepeal jääb järelejäänud rauast ja räbust sulanud fermosiooniks, mida saab koguda ahju baasi koputades.
Pärast jahutamist ja karestamist võib ferrosiliitsi transportida ja otseselt kasutada raua- ja terasetootmises.
Sama meetodit, ilma raua lisamata, kasutatakse metallurgilise räni tootmiseks, mis on üle 99 protsendi puhas. Metallurgilist räni kasutatakse ka terasulatamisel, samuti alumiiniumisulamite ja silaani kemikaalide tootmisel.
Metallurgiline räni klassifitseeritakse sulamis sisalduvate raua, alumiiniumi ja kaltsiumi lisandite järgi. Näiteks 553 ränimetall sisaldab vähem kui 0,5 protsenti iga rauda ja alumiiniumi ja vähem kui 0,3 protsenti kaltsiumi.
Umbes 8 miljonit tonni ferrosiliitsiumi toodetakse igal aastal ülemaailmselt, kusjuures Hiina moodustab umbes 70 protsenti sellest koguarvust. Suurte tootjate hulka kuuluvad Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials ja Elkem.
Igal aastal toodetakse täiendavalt 2,6 miljonit tonni metallurgilist räni - umbes 20 protsenti kogu rafineeritud räni metallist. Hiina toodab jälle umbes 80 protsenti sellest toodangust.
Paljudele on üllatus, et päikese- ja elektroonikaseadmed räni moodustavad vaid väikese koguse (vähem kui kaks protsenti) kogu rafineeritud räni toodangust.
Päikesekvaliteedilise ränimuldi (polüsiilikoon) täiustamiseks peab puhtus tõusma 99,9999% (6N) puhta räni ülespoole. Seda tehakse ühe kolme meetodi abil, millest kõige levinum on Siemensi protsess.
Siemensi protsess hõlmab lenduva gaasi keemilist aurustamist, mida nimetatakse triklorosilaaniks. Temperatuuril 1150 ° C (2102 ° F) puhastatakse triklorosilaan üle varda lõpus asetatud kõrge puhtusastmega räniseemne. Nagu see möödub, sadestatakse seemnele kõrge puhtusastmega räni.
Fotogalvaanilise tööstuse jaoks sobiva metallisisaldusega polüsiliikki suurendamiseks kasutatakse ka vedelkütuse reaktorit (FBR) ja metallimootoriga (UMG) räni tehnoloogiat.
2013. aastal toodi 230 000 tonni polüsiliinikku. Juhtivate tootjate hulka kuuluvad GCL Poly, Wacker-Chemie ja OCI.
Lõpuks, et valmistada pooljuhttööstusele sobivat elektroonikaklassi räni ja teatud fotogalvaanilisi tehnoloogiaid, tuleb polüsilikoon muuta Czochralski protsessi abil ülimalt puhta monokristallilise räni abil.
Selleks sulatatakse polüsiliinik tiiglis 1425 ° C (2597 ° F) inertses atmosfääris. Seejärel pannakse varrastega monteeritud seemnekristallid sulametalli ja aeglane pöörlemine ja eemaldamine, mis annab aega, et räni kasvataks seemnematerjalil.
Saadud toode on monokristall-ränimetalli varras (või pulk), mis võib olla kuni 99,999999999 (11N) protsenti puhtast. Seda varda saab leevendada boori või fosforiga, nii nagu nõutav, et vajadusel kvantehnoone omadusi pehmendada.
Monokristallvarda võib klientidele saata nii, nagu see on, või viilutatud vahvlitele, poleeritud või tekstureeritud konkreetsete kasutajate jaoks.
Rakendused:
Kuigi igal aastal rafineeritakse ligikaudu kümme miljonit tonni ferrosiliitsiumi ja ränimetalli, on enamus kommertsvarustuses kasutatavast räni tegelikult räni mineraalide kujul, mida kasutatakse tsemendi, mördi ja keraamika tootmiseks klaasist ja polümeerid.
Nagu märgitud, on ferrosilikk kõige tavalisem metallist räni. Alates selle esmakordsest kasutamisest umbes 150 aastat tagasi on ferrosilikk süsinikoksi ja roostevabast terasest tootmisel oluliseks deoxidizing agent. Täna on ferrosiliitsiumi suurim tarbijana terasulatus.
Kuid ferrosilikkonnal on mitmed kasutusalad peale terasetootmise. See on eelselektroonika magneesiumoksiidi sisaldavas ferrosilüüsi tootmises, oksüdeerumisvastase raua tootmisel kasutatav nuusutaja, samuti kõrge puhtusastmega magneesiumi rafineerimise Pidgeoni protsessi ajal.
Ferrosiliitsiumi saab kasutada ka soojus- ja korrosioonikindlatele mustadele räni-sulamitele kui ka räniterastele, mida kasutatakse elektromootorite ja trafosüdamike tootmiseks.
Metallurgilist räni saab kasutada terasetööstuses, samuti legeerivat ainet alumiiniumi valamisel. Alumiinium-räni (Al-Si) autovaruosad on kerged ja tugevamad kui puhtast alumiiniumist valmistatud detailid. Mootorsõidukite osad, nagu mootoriplokid ja rehvid, on mõned enamasti valatud alumiiniumi räniosad.
Keemiatööstus kasutab keemiatööstuses peaaegu pool kogu metallurgilise räni põletatud ränidioksiidi (paksendaja ja kuivatusaine), silaanide (sidestusaine) ja silikooni (hermeetikud, liimained ja määrdeained) valmistamiseks.
Fotogalvaanilist polüesterkile kasutatakse peamiselt polüsilikonee päikeseelementide valmistamisel. Üks megavatt päikeseenergia moodulite valmistamiseks on vaja umbes viis tonni polüsiliinikku.
Praegu on polüsilikoneenergia päikeseenergia tootmine üle poole kogu maailmas toodetud päikeseenergiast, samal ajal kui monosilikiini tehnoloogia annab ligikaudu 35%. Kokku kasutavad ränipõhised tehnoloogiad 90 protsenti inimese poolt kasutatavast päikeseenergiast.
Monokristalli räni on ka kaasaegses elektroonikas leiduv kriitiline pooljuhtmaterjal. Välise efekti transistoride (FET), LED-de ja integreeritud vooluringide tootmisel kasutatava substraatmaterjalina võib räni leida peaaegu kõigis arvutites, mobiiltelefonides, tahvelarvutid, televiisorid, raadiod ja muud tänapäevased kommunikatsiooniseadmed.
Hinnanguliselt sisaldab enam kui üks kolmandik kõigist elektroonikaseadmetest ränipõhist pooljuhttehnoloogiat.
Lõpuks kasutatakse kõvade sulamite ränikarbiidi erinevaid elektroonilisi ja mitteelektroonilisi rakendusi, sealhulgas sünteetilisi ehteid, kõrgtemperatuurseid pooljuhte, kõva keraamikat, lõiketööriistu, pidurikettasid, abrasiive, kuulikindlaid vestijaid ja kütteelemente.
Allikad:
Terase legeerimise ja ferrosulamitootmise lühiajalugu.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri ja Seppo Louhenkilpi. The
Terasetööstuses ferrosulamite rolli kohta. 9.-13. Juuni 2013. Kolmapäevane rahvusvaheline ferroühendite kongress. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
Järgi Terence teenuses Google+