Metal Perfil: Is Silicon a Metal

El silicio es un metal semiconductor lustroso y gris que se utiliza para fabricar acero, células solares y microchips.

El silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre (solo detrás del oxígeno) y el octavo elemento más común en el universo. De hecho, casi el 30 por ciento del peso de la corteza terrestre se puede atribuir al silicio.

El elemento con número atómico 14 ocurre naturalmente en minerales de silicato, incluyendo sílice, feldespato y mica, que son componentes principales de rocas comunes como el cuarzo y la arenisca.

Un semi-metal (o metaloide), el silicio posee algunas propiedades tanto de metales como de no metales.

Como el agua, pero a diferencia de la mayoría de los metales, el silicio se contrae en estado líquido y se expande a medida que se solidifica. Tiene puntos de fusión y ebullición relativamente altos, y cuando se cristaliza forma una estructura cristalina cúbica de diamante.

Esencial para el papel del silicio como semiconductor y su uso en electrónica es la estructura atómica del elemento, que incluye cuatro electrones de valencia que permiten que el silicio se adhiera fácilmente a otros elementos.

Propiedades:

• Símbolo atómico: Si
• Número atómico: 14
• Categoría del elemento: Metaloide
• Densidad: 2. 329 g / cm3
• Punto de fusión: 2577 ° F (1414 ° C)
• Punto de ebullición: 5909 ° F (3265 ° C)
• Dureza de Moh: 7

Historia:

Al químico sueco Jons Jacob Berzerlius se le atribuye haber aislado por primera vez el silicio en 1823. Berzerlius logró esto calentando potasio metálico (que había sido aislado una década antes) en un crisol junto con con fluorosilicato de potasio

El resultado fue silicio amorfo.

Sin embargo, hacer silicio cristalino requería más tiempo. Una muestra electrolítica de silicio cristalino no se fabricará durante otras tres décadas.

El primer uso comercializado de silicio fue en forma de ferrosilicio.

Después de la modernización de la industria siderúrgica de Henry Bessemer a mediados del siglo XIX, hubo un gran interés en la metalurgia del acero y la investigación en técnicas de fabricación de acero.

En el momento de la primera producción industrial de ferrosilicio en la década de 1880, la importancia del silicio en la mejora de la ductilidad en arrabio y acero desoxidante se entendía bastante bien.

La producción temprana de ferrosilicio se realizó en altos hornos mediante la reducción de los minerales que contienen silicio con carbón vegetal, lo que dio como resultado un arrabio plateado, un ferrosilicio con un contenido de silicio de hasta 20 por ciento.

El desarrollo de hornos de arco eléctrico a principios del siglo XX permitió no solo una mayor producción de acero, sino también una mayor producción de ferrosilicio.

En 1903, un grupo especializado en la fabricación de ferroaleaciones (Compagnie Generate d'Electrochimie) comenzó a operar en Alemania, Francia y Austria y, en 1907, se fundó la primera planta comercial de silicio en los Estados Unidos.

La fabricación de acero no fue la única aplicación de compuestos de silicio comercializados antes de finales del siglo XIX.

Para producir diamantes artificiales en 1890, Edward Goodrich Acheson calienta el silicato de aluminio con coque en polvo y, de forma incidental, produce carburo de silicio (SiC).

Tres años más tarde, Acheson patentó su método de producción y fundó Carborundum Company (carborundum es el nombre común del carburo de silicio de la época) con el objetivo de fabricar y vender productos abrasivos.

A principios del siglo XX, las propiedades conductoras del carburo de silicio también se habían materializado, y el compuesto se usó como detector en las primeras radios de los barcos. Una patente para detectores de cristales de silicio fue otorgada a GW Pickard en 1906.

En 1907, el primer diodo emisor de luz (LED) se creó aplicando voltaje a un cristal de carburo de silicio.

Durante la década de 1930, el uso del silicio aumentó con el desarrollo de nuevos productos químicos, incluidos silanos y siliconas.

El crecimiento de la electrónica durante el siglo pasado también se ha relacionado inextricablemente con el silicio y sus propiedades únicas.

Si bien la creación de los primeros transistores -los precursores de los microchips modernos- en la década de 1940 se basó en el germanio, no pasó mucho tiempo antes de que el silicio suplantara a su primo metaloide como un material semiconductor de sustrato más duradero.

Bell Labs y Texas Instruments comenzaron a producir comercialmente transistores basados ​​en silicio en 1954.

Los primeros circuitos integrados de silicio se fabricaron en la década de 1960 y, en la década de 1970, se habían desarrollado procesadores que contenían silicio.

Dado que la tecnología de semiconductores basada en silicio forma la columna vertebral de la electrónica y la informática modernas, no debería sorprender que nos refiramos al centro de actividad de esta industria como Silicon Valley. '

(Para una vista detallada de la historia y el desarrollo de la tecnología de Silicon Valley y microchip, recomiendo el documental de American Experience titulado Silicon Valley).

Poco después de revelar los primeros transistores, el trabajo de Bell Labs con silicio dio lugar a un segundo gran avance en 1954: la primera célula fotovoltaica de silicio (solar).

Antes de esto, la mayoría creía que la idea de aprovechar la energía del sol para crear poder en la tierra era imposible. Pero solo cuatro años más tarde, en 1958, el primer satélite alimentado por células solares de silicio estaba en órbita alrededor de la Tierra.

En la década de 1970, las aplicaciones comerciales para las tecnologías solares habían crecido hasta convertirse en aplicaciones terrestres, como la iluminación de las plataformas petrolíferas marinas y los cruces de ferrocarril.

En las últimas dos décadas, el uso de la energía solar ha crecido exponencialmente. En la actualidad, las tecnologías fotovoltaicas basadas en silicio representan aproximadamente el 90 por ciento del mercado mundial de energía solar.

Producción:

La mayoría del silicio refinado cada año, alrededor del 80 por ciento, se produce como ferrosilicio para su uso en la fabricación de hierro y acero. El ferrosilicio puede contener entre 15 y 90 por ciento de silicio, dependiendo de los requisitos de la fundición.

La aleación de hierro y silicio se produce utilizando un horno de arco eléctrico sumergido a través de una fundición de reducción. El mineral rico en sílice y una fuente de carbono como el carbón coquizable (carbón metalúrgico) se trituran y se cargan en el horno junto con chatarra de hierro.

A temperaturas superiores a 1900 ° C (3450 ° F), el carbono reacciona con el oxígeno presente en el mineral, formando gas de monóxido de carbono. El hierro y el silicio restantes, mientras tanto, se combinan para hacer ferrosilicio fundido, que se puede recoger tocando la base del horno.

Una vez enfriado y endurecido, el ferrosilicio se puede enviar y usar directamente en la fabricación de hierro y acero.

El mismo método, sin la inclusión de hierro, se usa para producir silicio de grado metalúrgico que es más de 99 por ciento puro. El silicio metalúrgico también se utiliza en la fundición de acero, así como en la fabricación de aleaciones de aluminio fundido y productos químicos de silano.

El silicio metalúrgico se clasifica por los niveles de impurezas de hierro, aluminio y calcio presentes en la aleación. Por ejemplo, el 553 metal de silicio contiene menos de 0. 5 por ciento de cada hierro y aluminio, y menos de 0. 3 por ciento de calcio.

Alrededor de 8 millones de toneladas métricas de ferrosilicio se producen cada año en todo el mundo, y China representa alrededor del 70 por ciento de este total. Los grandes productores incluyen Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials y Elkem.

Cada año se producen 2.6 millones de toneladas métricas adicionales de silicio metalúrgico, o alrededor del 20 por ciento del metal de silicio refinado total. China, nuevamente, representa alrededor del 80 por ciento de esta producción.

Una sorpresa para muchos es que los grados solares y electrónicos de silicio representan solo una pequeña cantidad (menos del dos por ciento) de toda la producción refinada de silicio.

Para actualizar a silicio metálico de grado solar (polisilicio), la pureza debe aumentar a más de 99,9999% (6N) de silicio puro. Esto se hace a través de uno de tres métodos, el más común es el proceso de Siemens.

El Proceso de Siemens implica la deposición de vapor químico de un gas volátil conocido como triclorosilano. A 1150 ° C (2102 ° F) se extruye triclorosilano sobre una semilla de silicio de alta pureza montada en el extremo de una varilla. A medida que pasa, el silicio de alta pureza del gas se deposita en la semilla.

El reactor de lecho fluidizado (FBR) y la tecnología mejorada de silicio de grado metalúrgico (UMG) también se utilizan para mejorar el metal al polisilicio adecuado para la industria fotovoltaica.

230,000 toneladas métricas de polisilicio se produjeron en 2013. Los principales productores incluyen GCL Poly, Wacker-Chemie y OCI.

Finalmente, para hacer que el silicio de grado electrónico sea adecuado para la industria de semiconductores y ciertas tecnologías fotovoltaicas, el polisilicio debe convertirse en un silicio monocristalino ultrapuro a través del proceso Czochralski.

Para hacer esto, el polisilicio se derrite en un crisol a 1425 ° C (2597 ° F) en una atmósfera inerte. A continuación, se sumerge un cristal de siembra montado en una barra en el metal fundido y se gira y se retira lentamente, dando tiempo para que el silicio crezca en el material de siembra.

El producto resultante es una varilla (o bola) de metal de silicio monocristalino que puede alcanzar 99,99999999 (11N) por ciento de pureza. Esta varilla puede doparse con boro o fósforo según sea necesario para modificar las propiedades mecánicas cuánticas según sea necesario.

La varilla de monocristal se puede enviar a los clientes tal cual, o en rodajas en obleas y pulida o texturizada para usuarios específicos.

Aplicaciones:

Mientras que aproximadamente diez millones de toneladas métricas de ferrosilicio y silicio metal se refinan cada año, la mayoría del silicio utilizado comercialmente es en realidad en forma de minerales de silicio, que se utilizan en la fabricación de todo, desde cemento, morteros y cerámicas, a vidrio y polímeros.

El ferrosilicio, como se señaló, es la forma más comúnmente utilizada de silicio metálico. Desde su primer uso, hace alrededor de 150 años, el ferrosilicio ha seguido siendo un importante agente desoxidante en la producción de carbono y acero inoxidable. En la actualidad, la fundición de acero sigue siendo el mayor consumidor de ferrosilicio.

Ferrosilicon tiene una serie de usos más allá de la fabricación de acero, sin embargo. Es una aleación previa en la producción de ferrosilicio de magnesio, un nodulizador utilizado para producir hierro dúctil, así como durante el proceso de Pidgeon para el refinado de magnesio de alta pureza.

El ferrosilicio también se puede usar para fabricar aleaciones de silicio ferroso resistentes al calor y la corrosión, así como al acero al silicio, que se utiliza en la fabricación de electromotores y núcleos de transformadores.

El silicio metalúrgico se puede usar en la fabricación de acero, así como en un agente de aleación en la fundición de aluminio. Las piezas de automóvil de aluminio-silicio (Al-Si) son livianas y más resistentes que los componentes fundidos de aluminio puro. Las partes automotrices, como los bloques del motor y las llantas de los neumáticos, son algunas de las piezas de silicio de aluminio fundido más comunes.

Casi la mitad de todo el silicio metalúrgico es utilizado por la industria química para producir sílice pirógena (un agente espesante y desecante), silanos (un agente de acoplamiento) y silicona (sellantes, adhesivos y lubricantes).

El polisilicio de grado fotovoltaico se utiliza principalmente en la fabricación de células solares de polisilicio. Se necesitan unas cinco toneladas de polisilicio para hacer un megavatio de módulos solares.

Actualmente, la tecnología solar de polisilicio representa más de la mitad de la energía solar producida en todo el mundo, mientras que la tecnología de monosilicio representa aproximadamente el 35 por ciento. En total, el 90 por ciento de la energía solar utilizada por los humanos se obtiene mediante tecnología basada en silicio.

El silicio monocristalino también es un material semiconductor crítico que se encuentra en la electrónica moderna. Como material de sustrato utilizado en la producción de transistores de efecto de campo (FET), LED y circuitos integrados, el silicio se puede encontrar en prácticamente todas las computadoras, teléfonos móviles, tabletas, televisores, radios y otros dispositivos de comunicación modernos.

Se estima que más de un tercio de todos los dispositivos electrónicos contienen tecnología de semiconductores basada en silicio.

Finalmente, el carburo de silicio de aleación dura se utiliza en una variedad de aplicaciones electrónicas y no electrónicas, que incluyen joyería sintética, semiconductores de alta temperatura, cerámica dura, herramientas de corte, discos de freno, abrasivos, chalecos antibalas y elementos de calefacción.

Fuentes:

Una breve historia de la aleación de acero y la producción de ferroaleaciones.
URL: // www. urm-compañía. com / images / docs / steel-alloying-history. pdf
Holappa, Lauri y Seppo Louhenkilpi.

Sobre el papel de las aleaciones ferrosas en la fabricación de acero. 9-13 de junio de 2013. El decimotercer Congreso Internacional de Ferroaleaciones. URL: // www. pirometalurgia. co. za / InfaconXIII / 1083-Holappa. pdf

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