金属型材：硅金属

硅金属是用于制造钢铁，太阳能电池和微芯片的灰色和有光泽的半导体金属。

硅是地壳中第二大元素（仅次于氧气），也是宇宙中第八大常见元素。事实上，地壳重量的近30％可归因于硅。

原子数为14的元素自然发生在硅酸盐矿物中，包括二氧化硅，长石和云母，它们是常见岩石如石英和砂岩的主要成分。

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半金属（或准金属），硅具有金属和非金属的一些性质。

像水一样 - 但与大多数金属不同，硅在其液态下收缩并且随着固化而膨胀。它具有较高的熔点和沸点，当结晶时形成菱形立方晶体结构。

硅作为半导体及其在电子学中的作用至关重要的是元素的原子结构，其包括四个价电子，其允许硅与其他元素容易地结合。原子符号：Si 原子数：14

元素类别：类金属

• 密度：2.329g / cm3
• 熔点：2577°F（1414℃）
• 沸点：5909°F（3265°C）
• 莫氏硬度：7
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• 历史：
• 瑞典化学家Jons Jacob Berzerlius在1823年被誉为首次隔离硅。Berzerlius通过在坩埚中加热金属钾（十年前才被隔离）与氟硅酸钾。

结果是非晶硅。

然而，制造晶体硅需要更多的时间。结晶硅的电解样品将不再制造三十年。

硅的首次商业化使用是硅铁的形式。

随着Henry Bessemer在19世纪中期炼钢行业的现代化，钢铁冶炼和炼钢技术研究十分关注。

到了二十世纪八十年代硅铁首次工业化生产之时，硅在改善生铁和脱氧钢的延展性方面的重要性也相当了解。

硅铁早期生产通过还原含碳矿石进行高炉冶炼，从而生产出铁质生铁，硅铁含硅含量高达20％。

二十世纪初期，电弧炉的发展不仅使钢铁产量增加，而且还有更多的硅铁生产。

1903年，专门制造铁合金（Compagnie Generate d'Electrochimie）的集团在德国，法国和奥地利开始运营，1907年成立了美国第一家商业硅厂。

炼钢不是在19世纪末之前商业化的硅化合物的唯一应用。

爱德华·古德里奇·艾奇森（Edward Goodrich Acheson）在1890年生产人造钻石，用粉末状焦炭偶然生产碳化硅（SiC）加热硅酸铝。

三年后，Acheson获得了他的生产方法专利，并为研磨产品制造和销售而创立了碳化硼公司（碳化硅当时是碳化硅的通用名称）。

到二十世纪初期，碳化硅的导电性能也得到了实现，该化合物被用作早期无线电的检测器。 1906年授予GW Pickard的硅晶体检测器专利。

1907年，通过向碳化硅晶体施加电压来创建第一个发光二极管（LED）。

到了二十世纪三十年代，随着新型化学产品的发展，硅片的使用也在增长，包括硅烷和硅酮。

电子产品在过去一个世纪的增长也与硅片及其独特的性能密不可分。

虽然在二十世纪四十年代，第一个晶体管 - 现代微芯片的前身 - 依靠锗，但不久之后硅就将其类金刚石表面替代为更耐用的基板半导体材料。

贝尔实验室和德州仪器于1954年开始商业生产硅基晶体管。

第一个硅集成电路是在20世纪60年代制造的，到了20世纪70年代，已经开发了含硅处理器。鉴于硅基半导体技术构成了现代电子和计算的支柱，所以我们将这个行业的活动中心称为“硅谷”并不奇怪。 '

（详细介绍硅谷和微芯片技术的发展史，强烈推荐美国经验纪录片“硅谷”）。

贝尔实验室在推出第一个晶体管不久之后，就在硅晶片方面取得了第二个重大突破：第一个硅光伏（太阳能）电池。

在此之前，大多数人认为利用太阳能量来创造地球上的能量的想法是不可能的。但只是四年后，在1958年，第一颗由硅太阳能电池供电的卫星正在绕地球运行。

到20世纪70年代，太阳能技术的商业应用已经发展到地面应用，例如为海上石油钻井平台和铁路过境点照明。

在过去二十年中，太阳能的使用呈指数增长。今天，硅基光伏技术占全球太阳能市场的90％左右。

生产：

每年大部分硅精炼 - 约80％ - 生产用于铁和炼钢的硅铁。根据冶炼厂的要求，硅铁可以含有15％至90％之间的硅。

使用浸没式电弧炉通过还原冶炼制造铁和硅的合金。富含二氧化硅的矿石和焦炭（冶金煤）等碳源与废铁一起粉碎并装入炉内。

在1900°以上999°C（3450°999°F）的温度下，碳与矿石中存在的氧气反应，形成一氧化碳气体。然后，剩余的铁和硅合并制成熔融硅铁，可以通过点火炉的底部来收集。

一旦冷却和硬化，硅铁可以直接运输并直接用于钢铁制造。

同样的方法，不含铁，用于生产大于99％纯度的冶金级硅。冶金硅也用于钢铁冶炼，以及铝铸造合金和硅烷化学品的制造。

冶金硅由合金中存在的铁，铝和钙的杂质含量分类。例如，553个硅金属含有少于铁和铝的0.5％，以及低于0.3％的钙。

全球共生产约800万吨硅铁，中国约占70％。大型生产商包括鄂尔多斯冶金集团，宁夏荣盛铁合金，OM材料和Elk​​em。 每年还生产260万公吨冶金硅 - 约20％的精炼硅金属。中国再次占其产量的80％左右。 许多人的惊喜是，太阳能和电子级硅在所有精炼硅生产中只占少量（少于百分之二）。 要升级到太阳能级硅金属（多晶硅），纯度必须增加到99. 9999％（6N）纯硅上。这通过三种方法之一完成，最常见的是西门子流程。 西门子工艺涉及称为三氯硅烷的挥发性气体的化学气相沉积。在1150℃下，在安装在棒末端的高纯硅种子上吹入三氯硅烷。当它通过时，来自气体的高纯度硅沉积到种子上。

流化床反应器（FBR）和升级冶金级（UMG）硅技术也用于增强适用于光伏行业的金属到多晶硅。

2013年生产了230,000吨多晶硅。主要生产商包括保利协鑫，瓦克化学和OCI。最后，为了使电子级硅适用于半导体工业和某些光伏技术，多晶硅必须通过切克劳斯基（Czochralski）工艺转化为超纯单晶硅。为了做到这一点，多晶硅在惰性气氛中在1425℃，999℃（2597℃，999℃）下在坩埚中熔化。然后将棒式晶种浸入熔融金属中并缓慢旋转和除去，给硅在种子材料上生长的时间。

所得产品是单晶硅金属的棒（或者原子），可以高达99.999999999（11N）纯度的纯度。根据需要，该棒可以根据需要掺杂硼或磷，以根据需要调整量子力学性能。

单晶棒可以原样运送到客户端，或者切片成晶圆，并针对特定用户进行抛光或纹理化。

应用：

每年大约有一千万吨硅铁和硅金属被精炼，大多数商业用硅实际上是硅矿物的形式，用于制造水泥，砂浆和陶瓷，玻璃和聚合物。

如上所述，硅铁是最常用的金属硅形式。自从150多年前首次使用以来，硅铁一直是生产碳和不锈钢的重要脱氧剂。今天，钢铁冶炼依然是硅铁最大的消费国。

虽然，硅铁具有炼钢以外的一些用途。它是镁硅铁的生产中的预合金，用于生产球墨铸铁的结节剂，以及用于精炼高纯度镁的Pidgeon工艺。 硅铁还可用于制造耐热和耐腐蚀的亚铁合金以及用于制造电动机和变压器铁芯的硅钢。 冶金硅可用于炼钢以及铝铸造中的合金化剂。铝硅（Al-Si）汽车零件重量轻，比纯铝铸件更强。诸如发动机缸体和轮胎轮辋之类的汽车部件是一些最常见的铸铝硅部件。化学工业使用了近一半的冶金硅来制造热解二氧化硅（增稠剂和干燥剂），硅烷（偶联剂）和硅氧烷（密封剂，粘合剂和润滑剂）。 光伏级多晶硅主要用于制造多晶硅太阳能电池。需要大约5吨的多晶硅来制造一兆瓦的太阳能电池组件。 目前，多晶硅太阳能技术占全球太阳能产量的一半以上，而单体硅技术贡献约35％。总共90％的人类使用的太阳能是以硅为基础的技术收集的。

单晶硅也是现代电子学中关键的半导体材料。作为用于制造场效应晶体管（FET），LED和集成电路的基板材料，可以在几乎所有计算机，手机，平板电脑，电视机，无线电和其他现代通信设备中找到硅。

据估计，超过三分之一的电子设备都含有硅基半导体技术。

最后，硬质合金碳化硅用于各种电子和非电子应用，包括合成饰品，高温半导体，硬质陶瓷，切割工具，制动盘，磨料，防弹背心和加热元件。

资料来源： 钢铁合金和铁合金生产的简史。 URL：http：// www。 URM-公司。 COM /图片/文档/钢合金化历史。 pdf Holappa，Lauri和Seppo Louhenkilpi。关于铁合金在炼钢中的作用。 2013年6月9 - 13日。第十三届国际铁合金大会。网址：http：// www。火法冶炼。合。 ZA / InfaconXIII / 1083-Holappa。 pdf

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