Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Август » 26 » Кремний
12:37
Кремний

Кремний является вторым по распространенности элементом в земной коре после кислорода. Диоксид кремния является основой большинства горных пород и самым распространенным компонентом почвы. Силикаты щелочноземельных металлов и смешанные силикаты большинства металлов периодической таблицы составляют основу камней (около 99%).

Из природных силикатов наибольшее значение имеют: каолин (белая глина) Al2O3.2SiO2.2H2O; слюда белая K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O; асбест CaO.3MgO.4SiO2; полевой шпат (ортоклаз) K2O.Al2O3.6SiO2; тальк 3MgO.4SiO2.H2O. Белая глина находит применение в строительстве и в производстве посуды. Слюда – прекрасный электроизолятор, наполнитель полимерных композиций и сырье для промышленности строительных материалов. Асбест печально известен своим сильным канцерогенным действием, но, все-таки, широко используется в качестве теплоизолятора и для наполнения некоторых полимерных композиций. Полевой шпат и тальк применяются в промышленности строительных материалов.

Впервые свободный кремний был выделен Берцелиусом в 1823 году, при восстановлении углем из природных силикатов. Метод восстановления углеродом кокса остается основным по сей день. Но, сегодня используют улектродуговой нагрев реакционной массы и вакуумное удаление образующейся окиси углерода (в виду достаточной чистоты, используется в качестве сырья для химпрома или как топливо в котельной).

Чистый кремний используется для получения галогеналкановых производных, идущих на синтез силиконовых полимеров. А также, в качестве полупроводника. В отличие от германиевых и индиевых полупроводников, кремниевые не столь боятся высоких температур. Это связано, как с менее высокой кристалличностью кремния, так и с меньшей полярностью связей в кристаллической решетке. Дело в том, что полупроводниковый переход образуется в месте сплавления (прессования, дуфузии, напыления, и др. методами) двух особо чистых пластинок из элементов различной электроотрицательности. Часто, для тонкой корректировки электроотрицательности используют микродобавки электроннодонорных или электроноакцепторных примесей к одному или обоим веществам.

В любом случае, чистота вещества пластинок, образующих полупроводниковый переход крайне важна. Поэтому, при повышенных температурах, когда из-за теплового движения ионов в кристаллической решетке, они перемещаются под действием электрического поля. Происходит засорение одной или обоих пластинок (в постоянном или в переменном внешнем напряжении работает прибор) примесью вещества второй пластинки. При этом, исчезает характерная для полупроводникового перехода односторонняя проводимость.

Для германиевых и иридиевых полупроводниковых приборов эти негативные процессы протекают в течении нескольких секунд пайки при 170оС. Кремниевые полупроводниковые элементы имеют значительно большую термическую стойкость, и могут значительный промежуток времени эксплуатироваться при 300оС. Что является неоспоримым преимуществом кремния в качестве полупроводника (меня поймут те, кто хоть раз держал в руках паяльник). Другое преимущество – огромная сырьевая база. Но, это один из тех редких случаев, когда данное преимущество не имеет существенного значения. Дело в том, что потребности электротехнической промышленности в кремнии очень малы, а себестоимость очистки кремния до крайне высокой чистоты (99,99999999% чистоты) обходится не дешево. В результате, стоимость готовой продукции определяется только стоимостью технологии, оборудования и затраченной электроэнергии. Тонкую очистку кремния для нужд электротехнической промышленности производят зонной плавкой при индукционном нагреве. Температура плавления кремния 1420оС.

Кремний, также используется для изготовления карборундовых высокотемпературных нагревателей. Карборунд – карбид кремния, очень тугоплавкое и электрически стойкое вещество. Обладает электрической проводимостью несколько ниже, чем у графита. Из него изготавливают нагревательные элементы для печей с терморезистивным нагревом, реже, тигли для муфельных печей.

Основное (по массе перерабатываемого сырья) применение кремний нашел в качестве именно диоксида кремния, около 99% всего используемого промышленностью кремния. Диоксид кремния – тугоплавкое вещество, температура плавления около 1700оС, плотность 2,65 гр./см3. Разница в свойствах с диоксидом углерода обусловлена разницей в радиусах атомов. В результате чего, атом углерода может разместить рядом с собой только два атома кислорода, образуя молекулярное, практически аморфное вещество. Диоксид кремния имеет больший радиус молекулы, в результате чего, образуются поляризационные взаимодействия между атомами кремния и атомами кислорода соседних молекул. Это приводит к образованию околокристаллических структур с цепной или ленточной структурой. Кристалличность диоксида кремния знакома всем по виду и свойствам битого стекла.

В чистом виде, диоксид кремния применяется для получения кварцевого стекла – наиболее тугоплавкого и обладающего низким коэффициентом теплового расширения среди стекол. Из кварцевого стекла изготавливают термостойкую химическую посуду для лабораторных и промышленных нужд. Иногда, кварцевое стекло встречается в качестве материала для изготовления корпусов стеклянных чайников. В виду требований к достаточно высокой чистоте (около 99,9%) и высокой температуры плавления, изделия из кварцевого стекла стоят в 10-40 раз дороже изделий из силикатного стекла. Кроме того, в виду высокой однородности кристаллической решетки кварцевого стекла, оно обладает прекрасными оптическими свойствами, что делает его оптимальным материалом для различных оптических приборов, в том числе, монохромных. Таких как: ИК-приборы ночного видения, тепловизоры, лазерные дальномеры, спектрофотометры, спектральные телескопы и многое другое.

Также, кварцевое стекло обладает высокой прочностью, что делает его основой наиболее дорогих из пуленепробиваемых стеклопакетов.

Своими свойствами (малый коэффициент теплового расширения, высокая жесткость, высокая температура плавления, однородность оптических свойств и высокая пропускная способность в широком спектре излучений) кварцевое стекло обязано высокой однородности и правильной пространственной ориентации кристаллической структуры. Как раз, благодаря отсутствию примесей.

При добавлении примесей, особенно, щелочного характера, происходит образование силикатов, ионных солей. Силикаты большинства металлов, особенно, щелочных и щелочноземельных, хорошо растворимы в жидком диоксиде кремния. А, при остывании расплава, вносят в него микроскопические нарушения структуры. При этом, падают все полезные свойства стекла, зато упрощается переработка стекла, за счет снижения температуры плавления (иногда до 550оС). Несмотря на более низкие оптические и физико-механические свойства, силикатное стекло нашло намного более широкое применение, чем кварцевое, в первую очередь, благодаря низкой стоимости и широкой сырьевой базе. Некоторые свойства силикатного стекла иногда даже полезны: плохая пропускная способность УФ-излучения важна для оконных стекол, так как, создает защиту жильцов от солнечной радиации. А низкая твердость силикатных стекол делает их осколки менее острыми, что понижает опасность обращения с изделиями из силикатного стекла.

Правда, химическая стойкость силикатного стекла несколько ниже, чем у кварцевого. Все-таки, силикаты – это соли, пусть и плохо растворимые в воде.

Классическая технология производства стекла заключается в сплавлении при высокой температуре песка (кварцевого или силикатного) с основными оксидами. Обычно, основные оксиды представлены оксидом калия из поташа, оксидом натрия из соды и оксидом кальция извести. При добавлении оксидов переходных металлов, обычно, стекло приобретает характерный цвет. Так, при внесении Cr2O3 стекло приобретает зеленый цвет, столь характерный для пол-литровых бутылок. Для Fe2O3 характерен желто-зеленый цвет, FeO вносит сине-зеленую окраску. Оксиды CoO и CuO придают стеклу синий цвет. А оксид олова SnO или ортофосфат кальция придают стеклу молочно-белую окраску. Диоксид марганца или сульфид железа делают стекло черным. А большинство сульфидов других переходных металлов или коллоидное серебро придают желтый цвет. Коллоидное золото или медь вносят красные оттенки. Так же, как и смесь коллоидного селена с сульфидом кадмия. Изготовление цветных стекол было известно еще в древнем Египте, но, эти технологии были впоследствии утрачены. Восстановлены эти технологии были только к концу первого тысячелетия до нашей эры в древнем Риме. Откуда их "унаследовала” средневековая Италия. В Ватикане по сей день сохранились памятники архитектуры, украшенные мозаиками и окна-розы, для изготовления которых стекло отлито еще в первые века нашей эры.

Лишь в 11-12 века нашей эры "благодаря” промышленному шпионажу, технологии производство высококачественных, в том числе цветных стекол стали достоянием многих мастеров по всей Европе.

Кроме стекла, диоксид кремния широко используется для изготовления цементов и других строительных материалов. Силикатный цемент является наиболее распространенным за последние две сотни лет. Его технология производства складывается из нескольких основных стадий. В начале, добывают 2 или несколько минералов, содержащих как природные силикаты, так основные и кремнеземные (SiO2) составляющие. Их измельчают в шаровых мельницах. Одновременная загрузка одной мельницы может достигать 80 тонн, при длине мельницы до 150 метров и диаметре в 1,5-3 метра. Частота вращения шаровых мельниц составляет 10-20 оборотов в минуту. Измельчение породы достигается благодаря соударению перекатывающихся стальных шаров из высокоуглеродистой марганцовистой или хромомарганцевой стали. Диаметр шаров достигает 200-300 мм. Мельница разделена поперечными решетчатыми перегородками на 10-30 отсеков. Ближе к выходному отверстию мельницы, шары мельче (вплоть до 15 мм). Пребывание массы в мельнице составляет около нескольких часов. Если мельница производит одновременную сушку материала при 150-300оС, то на выходе знакомый нам пудрообразный цемент. Чаще всего, полученный порошок требуется еще спекать в печи для сушки. Затем новое измельчение и имеем серо-бежевый цементный порошок.

Сушка одновременно с перемешивание позволяет ускорить процесс, но, она не применяется для высокопроизводительных технологических линий, так как, такая сушка приводит к ускоренному износу мельницы. За исключением случаев, когда сырье достаточно мягкое, а при нагревании становится еще более хрупким. Это наблюдается при использовании в качестве силикатного сырья окаменевших микроскопических панцирей древних рачков и другого планктона океанов мелового периода.

Раз уже заговорили о панцирях, вспомним про кизельгур, более известный как "инфузорная земля”. Ранее, это были панцири планктона, но, вследствие длительного пребывания в почве, они окаменели. То есть, при термодеструктивном распаде произошло разрушение белковых тканей. При этом, каркас панциря "собрал” сорбцией минеральные вещества из окружающих грунтовых вод. Произошло что-то вроде роста крупных кристаллов за счет мелких. При параллельном разрушении белковых и других органических структур панциря это привело к замене структурных элементов исходного каркаса на минеральные кристаллики, точно повторяющие исходные костные структуры. В конце имеем камень, выросший за счет рекристаллизации камней на поверхность окаменелости.

Поэтому, кизельгур состоит примерно на 97% из диоксида кремния и на несколько процентов из плохо растворимых силикатов.

Изначально, кизельгур применялся в качестве высокотемпературного теплоизолятора в металлургии и в качестве наполнителя для материала сталелитейных форм. Затем его стали использовать в качестве наполнителя для динамитов. Но, на этом поприще он на долго не задержался. Известны случаи использования инфузорной земли в качестве адсорбента.

Намного шире используется другой адсорбент на основе диоксида кремния. Точнее, целая группа прекрасных адсорбентов – силикагели. Силикагели представляют собой очень чистый и мелкопористый диоксид кремния. За счет чего, он имеет высокую поглотительную способность и достаточную гигроскопичность. Получают силикагели при выпаривании при 100-200оС мелкодисперсной взвеси кремниевых кислот. Полученных вытеснением соляной кислотой из силиката натрия. Силикагели широко применяются в различных отраслях промышленности в качестве адсорбента и для сушки газов. Например, в электрощитах высоковольтных линий кладут мешочек с прокаленным силикагелем для снижения влажности воздуха. Аналогичные мешочки, но, намного меньших размеров, Вы видели в коробках с обувью. А пару раз, мне встречались пакетики с силикагелем даже в пакетиках с сухариками, на них еще написано "Do not eat” (то есть "не есть”). Данная мера призвана повысить срок хранения продуктов, в том числе, для адсорбции вредных продуктов распада полимерного материала упаковки.

На этом мы пока прервем наше знакомство с кремнием и силикатной промышленностью. Но, к цементам и силиконовым полимерным композициям мы еще вернемся для более подробного рассмотрения.

Категория: Химия элементов | Просмотров: 2740 | Добавил: Chemadm | Теги: силикаты, стекло, получение кремния | Рейтинг: 4.6/27
Всего комментариев: 6
1
5  
"Для германия эти негативные процессы протекают в течении нескольких секунд при 170оС, для кремния лишь при 210оС..."
Как бы нет.
ДЛя начала, сплавлением получают переходы крайне редко по нынешним временам. И то чаще это диффузия из расплава примесей в полупроводник.
Что про температуру, Вас вероятно ввело в заблуждение производство германиевых пп приборов с внесением навесок индия. Так это, 170 град именно температура плавления индия. Фактически он является источником примеси для зоны базы. Это как раз случай диффузии примеси из расплава диффузанта. Сие терпимо поскольку верхняя рабочая температура германия около 70 град окр среды и это определяется шириной запрещенной зоны ПП. Существуют и другие способы введения примесей в германий не столь низкотемпературные.
Что до кремния, по нему диффузия ведется при температуре около 1000 град и там в самом деле играет роль точность выдержки времени и температуры, решающим образом. При своей предельной рабочей температуре около 300 град на кристалле скорость диффузии исчезающе мала и не может повредить структуру,

0
6  
Приведенные цифры температур и времени пайки взял из пособия для кружков радиолюбителей, выпущенного в 196кучерявых годах. Точность цифр, следовательно, не претендует на высшую оценку. Рад, что Вы поправили данную неточность.

1
3  
Что сегодня изменилось в использовании кремния для производства электроники?

0
4  
Основные направления модернизации производства электротехнических изделий заключаются в повышении степени очистки полупроводниковых материалов (в том числе, кремния), уменьшения размеров электронных элементов и проводников. А также, в поиске новых керамических и полимерных материалов для корпусов и изоляторов. Конечно же, важны технологии для изготовления и переработки всего вышеперечисленного.
Общие принципы использования и работа кремниевых полупроводников остаются теми же, что и 60-70 лет назад.

1
1  
Пуленепробиваемые стекла делают только из кварцевого стекла или есть другие варианты?

0
2  
Существует ряд методик повышения прочности стекол военного и гражданского назначения. В ближайшие несколько дней на сайт будет добавлена статья, кратко освещающая этот, безусловно, интересный вопрос.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]