Il silicio metallico è un metallo semiconduttore grigio e lucido che viene utilizzato per produrre acciaio, celle solari e microchip. Il silicio è il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre (dietro solo all'ossigeno) e l'ottavo più comune nell'universo. Quasi il 30 per cento del peso della crosta terrestre può essere attribuito al silicio.
Questo elemento con numero atomico 14 si trova naturalmente nei minerali silicati come silice, feldspato e mica, che sono i componenti principali delle rocce comuni come il quarzo e l'arenaria. Il silicio, un semimetallo (o metalloide), ha alcune proprietà sia dei metalli che dei non metalli.
Come l'acqua, ma a differenza della maggior parte dei metalli, il silicio si contrae allo stato liquido e si espande quando solidifica. Ha punti di fusione e di ebollizione relativamente alti e quando cristallizzato forma una struttura cristallina cubica di diamante. La struttura atomica del silicio, che include quattro elettroni di valenza che consentono al silicio di legarsi facilmente con altri elementi, è fondamentale per la sua funzione di semiconduttore e per il suo utilizzo in elettronica.
Proprietà
Simbolo Atomico: Sì
Numero atomico: 14
Categoria elemento: Metalloide
Densità: 2.329 g/cm3
Punto di fusione: 2577 gradi F (1414 gradi)
Punto di ebollizione: 5909 gradi F (3265 gradi)
Durezza di Moh: 7
Produzione
La maggior parte del silicio che viene raffinato ogni anno, circa l'80%, viene prodotto come ferrosilicio per l'uso nella produzione di ferro e acciaio. Il ferrosilicio può contenere tra il 15 e il 90% di silicio, a seconda delle esigenze della fonderia.
La lega ferro-silicio viene prodotta in un forno elettrico ad arco sommerso mediante fusione a riduzione. Il minerale ricco di silice e una fonte di carbonio come il carbone da coke (carbone metallurgico) vengono frantumati e caricati nella fornace insieme ai rottami.
A temperature superiori a 1900 gradi (3450 gradi F), il carbonio reagisce con l'ossigeno presente nel minerale, formando monossido di carbonio. Il ferro e il silicio rimanenti, nel frattempo, si combinano per formare ferrosilicio fuso, che può essere raccolto picchiettando sul fondo del forno. Una volta raffreddato e indurito, il ferrosilicio può essere spedito e utilizzato direttamente nella lavorazione del ferro e dell'acciaio.
Lo stesso metodo, escluso il ferro, viene utilizzato per produrre silicio di grado metallurgico con purezza superiore al 99%. Il silicio metallurgico viene utilizzato anche nella fusione dell'acciaio, nonché nella produzione di leghe di alluminio pressofuso e prodotti chimici a base di silano.
Il silicio metallurgico è classificato in base ai livelli di impurità di ferro, alluminio e calcio presenti nella lega. Ad esempio, il silicio metallico 553 contiene meno del 0,5 percento di ciascuno dei metalli, ferro e alluminio, e meno del 0,3 percento di calcio.
Ogni anno nel mondo vengono prodotte circa 8 milioni di tonnellate di ferrosilicio, con la Cina che rappresenta circa il 70% di questo totale. I principali produttori includono Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials ed Elkem.
Ogni anno vengono prodotti altri 2,6 milioni di tonnellate di silicio metallurgico, ovvero circa il 20% del silicio metallico raffinato totale. La Cina, ancora una volta, rappresenta circa l'80% di questa produzione. Una sorpresa per molti è che i gradi di silicio solare ed elettronico rappresentano solo una piccola quantità (meno del due percento) di tutta la produzione di silicio raffinato. Per passare al silicio metallico di grado solare (polisilicio), la purezza deve aumentare a oltre il 99,9999% di silicio puro (6N). Questo viene fatto con uno dei tre metodi, il più comune è il processo Siemens.
Il processo Siemens prevede la deposizione chimica da vapore di un gas volatile noto come triclorosilano. Il triclorosilano viene soffiato a 1150 gradi (2102 gradi F) su un seme di silicio ad alta purezza montato all'estremità di un'asta. Al suo passaggio, il silicio ad alta purezza nel gas si deposita sul seme.
Il reattore a letto fluido (FBR) e la tecnologia del silicio di grado metallurgico avanzato (UMG) vengono utilizzati anche per aggiornare il metallo in polisilicio adatto all'industria fotovoltaica. Nel 2013 sono state prodotte 230.{2}} tonnellate di polisilicio. I principali produttori sono GCL Poly, Wacker-Chemie e OCI.
Infine, affinché il silicio di grado elettronico sia adatto all'uso nell'industria dei semiconduttori e in alcune tecnologie fotovoltaiche, il polisilicio deve essere convertito in silicio monocristallino ultrapuro utilizzando il processo Czochralski. Per fare ciò, il polisilicio viene fuso in un crogiolo a 1425 gradi (2597 gradi F) in un'atmosfera inerte. Un seme di cristallo montato su un'asta viene quindi immerso nel metallo fuso e lentamente ruotato e rimosso, consentendo al silicio di crescere nel materiale del seme.
Il prodotto risultante è una bacchetta (o boule) di silicio metallico monocristallino che può raggiungere una purezza percento del 99,999999999 (11N). Questa bacchetta può essere drogata con boro o fosforo, secondo necessità, per modificare le proprietà quantomeccaniche. L'asta monocristallina può essere spedita ai clienti così com'è o tagliata in wafer e lucidata o strutturata per utenti specifici.
Applicazioni
Sebbene ogni anno vengano raffinati circa dieci milioni di tonnellate di ferrosilicio e silicio metallico, la maggior parte del silicio utilizzato commercialmente è sotto forma di minerali di silicio, che vengono utilizzati nella produzione di qualsiasi cosa, dal cemento, malta e ceramica, al vetro e ai polimeri.
Il ferrosilicio, come notato, è la forma più utilizzata di silicio metallico. Da quando è stato utilizzato per la prima volta circa 150 anni fa, il ferrosilicio è rimasto un importante agente disossidante nella produzione di acciaio al carbonio e inossidabile. Oggi, la fusione dell'acciaio rimane il maggior consumatore di ferrosilicio.
Tuttavia, il ferrosilicio ha altri usi oltre alla produzione di acciaio. È una prelega nella produzione di ferrosilicio di magnesio, un pellettizzatore utilizzato per produrre ferro duttile, nonché durante il processo Pidgeon per raffinare il magnesio di elevata purezza. Il ferrosilicio può essere utilizzato anche per produrre leghe di silicio ferroso resistenti al calore e alla corrosione, nonché acciaio al silicio, utilizzato nella produzione di motori elettrici e nuclei di trasformatori.
Il silicio metallurgico può essere utilizzato nell'industria siderurgica e come legante nelle fonderie di alluminio. I ricambi auto in alluminio-silicio (Al-Si) sono più leggeri e resistenti dei getti in alluminio puro. I ricambi per auto come blocchi motore e cerchioni sono alcuni dei componenti in alluminio-silicio più diffusi.
Quasi la metà del silicio metallurgico viene utilizzato nell'industria chimica per produrre silice affumicata (un agente addensante e essiccante), silani (un agente di accoppiamento) e silicone (sigillanti, adesivi e lubrificanti). Il polisilicio di grado fotovoltaico viene utilizzato principalmente nella produzione di celle solari in polisilicio. Sono necessarie circa cinque tonnellate di polisilicio per produrre un megawatt di moduli solari.
Attualmente, la tecnologia solare al polisilicio rappresenta più della metà dell'energia solare prodotta nel mondo, mentre la tecnologia al monosilicio contribuisce per circa il 35%. In totale, il 90 percento dell'energia solare utilizzata dagli esseri umani viene raccolta dalla tecnologia a base di silicio.
Il silicio monocristallino è anche un materiale semiconduttore fondamentale nell'elettronica moderna. Come materiale di substrato utilizzato nella produzione di transistor ad effetto di campo (FET), LED e circuiti integrati, il silicio si trova praticamente in tutti i moderni computer, telefoni cellulari, tablet, televisori, radio e altri dispositivi di comunicazione. Si stima che più di un terzo di tutti i dispositivi elettronici contenga la tecnologia dei semiconduttori a base di silicio.
Infine, il carburo di silicio in lega dura viene utilizzato in un'ampia varietà di applicazioni elettroniche e non elettroniche, come gioielli sintetici, semiconduttori per alte temperature, ceramica dura, utensili da taglio, dischi freno, abrasivi, ecc. giubbotti antiproiettile ed elementi riscaldanti.
