Uma olhada no silício semi-metal
O silício metálico é um metal semicondutor 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 apenas do oxigênio) e o oitavo elemento mais comum no universo. De fato, quase 30% do peso da crosta terrestre pode ser atribuído ao silício.
O elemento com 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 silício semi-metal (ou metalóide ), possui algumas propriedades de metais e não-metais.
Como a água - mas ao contrário da maioria dos metais - o silício contrai-se no estado líquido e expande-se à medida que se solidifica. Tem pontos de fusão e ebulição relativamente elevados e, quando cristalizado, forma uma estrutura cristalina cúbica de diamante.
Crítico para o papel do 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 conecte com outros elementos prontamente.
Propriedades:
- Símbolo atômico: Si
- Número atômico: 14
- Categoria do Elemento: Metaloide
- Densidade: 2.329g / cm3
- Ponto de fusão: 2577 ° F (1414 ° C)
- Ponto de Ebulição: 5909 ° F (3265 ° C)
- Dureza de Moh: 7
História:
Acredita-se que o químico sueco Jons Jacob Berzerlius primeiro isolou o silício em 1823. Berzerlius conseguiu isso ao aquecer o potássio metálico (que só havia sido isolado uma década antes) em um cadinho junto com o fluorossilicato de potássio.
O resultado foi 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 ferrossilício.
Após a modernização de Henry Bessemer da indústria siderúrgica em meados do século XIX, houve grande interesse na metalurgia do aço e na pesquisa de técnicas de fabricação de aço.
Na época da primeira produção industrial de ferro-silício na década de 1880, a importância do silício em melhorar a ductilidade em ferro- gusa e aço desoxidante foi bastante bem compreendida.
A produção precoce de ferrossilício foi feita em altos fornos, reduzindo minérios contendo silício com carvão, o que resultou em ferro-gusa prateado, um ferrosilício com até 20 por cento de teor de silício.
O desenvolvimento de fornos elétricos a arco no início do século XX permitiu não apenas maior produção de aço , mas também mais produção de ferro-silício.
Em 1903, um grupo especializado na fabricação da ferroliga (Compagnie Generate d'Electrochimie) iniciou suas operações na Alemanha, França e Áustria e, em 1907, foi fundada a primeira fábrica comercial de silício nos EUA.
A produção de aço não foi a única aplicação para compostos de silício comercializados antes do final do século XIX.
Para produzir diamantes artificiais em 1890, Edward Goodrich Acheson aqueceu o silicato de alumínio com coque em pó e carboneto de silício (SiC) incidentalmente produzido.
Três anos depois, Acheson patenteou seu método de produção e fundou a Carborundum Company (Carborundum sendo o nome comum para carboneto de silício na época) com a finalidade de fabricar e vender produtos abrasivos.
No início do século 20, as propriedades condutivas do carboneto de silício também tinham sido realizadas, e o composto foi usado como um detector nos primeiros rádios de navios. 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 pela aplicação de tensão a um cristal de carboneto de silício.
Ao longo 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 esteve inextricavelmente ligado ao silício e suas propriedades únicas.
Enquanto a criação dos primeiros transistores - os precursores dos microchips modernos - nos anos 1940 dependia do germânio , não demorou muito para que o silício substituísse seu primo metalóide como um material semicondutor de substrato mais durável.
A Bell Labs e a Texas Instruments começaram a produzir comercialmente transistores à base de silício em 1954.
Os primeiros circuitos integrados de silício foram feitos na década de 1960 e, na década de 1970, processadores com silício foram desenvolvidos.
Dado que a tecnologia de semicondutores à base de silício constitui a espinha dorsal da eletrônica e da computação modernas, não é de surpreender que nos referimos ao centro de atividades dessa indústria como "Vale do Silício".
(Para uma análise detalhada da história e do desenvolvimento do Vale do Silício e da tecnologia de microchips, recomendo vivamente o documentário American Experience intitulado Silicon Valley).
Não muito tempo depois de desvendar os primeiros transistores, o trabalho da Bell Labs com o silício levou a uma segunda grande descoberta em 1954: A primeira célula solar fotovoltaica de silício.
Antes disso, o pensamento de aproveitar a energia do sol para criar poder na terra era considerado impossível pela maioria. Mas apenas quatro anos depois, em 1958, o primeiro satélite alimentado por células solares de silício estava orbitando a Terra.
Na década de 1970, as aplicações comerciais para tecnologias solares haviam crescido para aplicações terrestres, como a iluminação de plataformas de petróleo 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 global de energia solar.
Produção:
A maioria do silício refinado a cada ano - cerca de 80% - é produzido como ferrossilício para uso em ferro e aço . O ferrossilício pode conter entre 15 e 90% de silício, dependendo dos requisitos da fundição.
A liga de ferro e silício é produzida usando um forno de arco elétrico submerso via redução de fundição. O minério rico em sílica e uma fonte de carbono, como o carvão de coque (carvão metalúrgico) são triturados e carregados no forno juntamente com sucata de ferro.
Em temperaturas acima de 1900 ° C (3450 ° F), o carbono reage com o oxigênio presente no minério, formando gás monóxido de carbono. O ferro restante e o silício, por sua vez, então se combinam para fazer ferro-silício fundido, que pode ser coletado batendo na base do forno.
Uma vez resfriado e endurecido, o ferrossilício pode 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 grau metalúrgico que é maior que 99% puro. O silício metalúrgico também é usado na fundição de aço, bem como na fabricação de ligas fundidas de alumínio e produtos químicos de silano.
O silício metalúrgico é classificado pelos níveis de impurezas do ferro, alumínio e cálcio presentes na liga. Por exemplo, o 553 silício metálico contém menos de 0,5% de cada ferro e alumínio e menos de 0,3% de cálcio.
Cerca de 8 milhões de toneladas métricas de ferrossilício são produzidas a cada ano no mundo, com a China respondendo por cerca de 70% desse total. Os grandes produtores incluem o Grupo Metalúrgico Erdos, a Ningxia Rongsheng Ferroalloy, o Grupo OM Materials e a Elkem.
Um adicional de 2,6 milhões de toneladas métricas de silício metalúrgico - ou cerca de 20 por cento do total de silício metálico refinado - é produzido anualmente. A China, novamente, responde por cerca de 80% dessa produção.
Uma surpresa para muitos é que os graus solares e eletrônicos de silício representam apenas uma pequena quantidade (menos de dois por cento) de toda a produção refinada de silício.
Para atualizar para o silício metálico 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 mais comum o processo da Siemens.
O processo da Siemens envolve a deposição química de vapor 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 na extremidade de uma haste. Ao passar, o silício de alta pureza do gás é depositado na semente.
Reator de leito fluidizado (FBR) e tecnologia de silício de qualidade metalúrgica aprimorada (UMG) também são usadas para aprimorar 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 fazer silício de grau eletrônico apropriado para a indústria de semicondutores e certas tecnologias fotovoltaicas, o polissilício deve ser convertido em um silício monocristalino ultra-puro através do processo Czochralski.
Para fazer isso, o polissilício é fundido em um cadinho a 1425 ° C (2597 ° F) em uma atmosfera inerte. Um cristal de semente montado em vareta é então mergulhado no metal fundido e lentamente rodado e removido, dando tempo para o silício crescer no material da semente.
O produto resultante é uma haste (ou boule) de silício monocristalino que pode chegar a 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.
O bastão monocristalino pode ser enviado aos clientes como é, ou fatiado em wafers e polido ou texturizado para usuários específicos.
Aplicações:
Enquanto aproximadamente dez milhões de toneladas métricas de ferrossilício e silício metálico são refinadas a cada ano, a maioria do silício usado comercialmente está na forma de minerais de silício, que são usados na fabricação de tudo, de cimento, argamassas e cerâmicas até vidro e polímeros.
O ferrossilício, como notado, é a forma mais comumente usada de silício metálico. Desde a sua primeira utilização há cerca de 150 anos, o ferrosilício permaneceu um importante agente de desoxidação na produção de carbono e aço inoxidável . Hoje, a fundição de aço continua sendo a maior consumidora de ferrosilício.
O ferro-silício tem vários usos além da produção de aço. É uma pré-liga na produção de ferrosilício de magnésio , um nodulizador usado para produzir ferro dúctil, bem como durante o processo Pidgeon para refinar o magnésio de alta pureza.
O ferrossilício também pode ser usado para produzir ligas de silício ferrosas resistentes ao calor e à corrosão , bem como aço silício, que é usado na fabricação de núcleos de motores elétricos e transformadores.
Silício metalúrgico pode ser usado na fabricação de aço, bem como um agente de liga em fundição de alumínio. As peças do carro de alumínio-silício (Al-Si) são leves e mais fortes do que os componentes fundidos a partir de alumínio puro. Peças automotivas, como blocos de motor e jantes de pneus, são algumas das peças de silício de alumínio fundido mais comuns.
Quase metade de todo o silício metalúrgico é usado pela indústria química para produzir sílica pirogênica (um agente espessante e dessecante), silanos (um agente de acoplamento) e silicone (selantes, adesivos e lubrificantes).
O polissilício de grau fotovoltaico é usado principalmente na fabricação de células solares de polissilício. São necessárias cerca de cinco toneladas de polissilício para produzir um megawatt de módulos solares.
Atualmente, a tecnologia solar de polissilício é responsável por mais da metade da energia solar produzida globalmente, enquanto a tecnologia de monossilício contribui com aproximadamente 35%. No total, 90% da energia solar usada por humanos é coletada por tecnologia baseada em silício.
O silício monocristalino é também um material semicondutor crítico encontrado na eletrônica moderna. Como material de substrato usado 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, televisões, rádios e outros dispositivos de comunicação modernos.
Estima-se que mais de um terço de todos os dispositivos eletrônicos contenham tecnologia de semicondutores à base de silício.
Finalmente, o carbeto de silício de liga dura é usado em uma variedade de aplicações eletrônicas e não eletrônicas, incluindo jóias 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 da liga de aço e produção de ligas de ferro.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri e Seppo Louhenkilpi. Detalhes
Sobre o papel das ferroligas na produção de aço. 9-13 de junho de 2013. O décimo terceiro Congresso Internacional de Ferro-liga. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf
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