Кремний: свойства, способы получения, применение

Как добывают? Кремний широко распространен в природе. Добыча этого полезного ископаемого в России осуществляется в Московской и Владимирской областях. Встречается химический элемент в основном в виде кремнезема, силикатов и алюмосиликатов.

Что учесть? Кремний широко используется для создания полупроводников, получения легких жаропрочных и кислотоустойчивых сплавов, восстановления металлов. Необходим для производства стекла, бетона, кирпича и керамики, а также применяется в качестве абразива для заточки резцов.

История открытия химического элемента кремния

Кремний входит в главную подгруппу IV группы третьего периода периодической таблицы химических элементов. Атомный номер – 14. Для обозначения используются латинские буквы Si (Silicium).

В русском языке наименование этого элемента созвучно таким словам древнеславянского языка, как кремень, кремык, кресмень. Глагол кресать, например, означал удары по кремню железным предметом для добычи огня. 

В начале XIX века этот элемент в отечественных трудах по химии называли кремнеземом (Захаров, 1810 год), силицием (Соловьев, Двигубский, 1824 год), кремнем (Страхов, 1825 год), кремнистостью (Иовский, 1827 год), а также кремнеземием и кремнием (Гесс, 1831 год).

В 1811 году чистый кремний удалось выделить ученым из Франции – Жозефу Луи Гей-Люссаку и Луи Жаку Тенару.

Еще через 14 лет шведским химиком Йенсом Якобом Берцелиусом был получен чистый элементарный кремний (при взаимодействии тетрафторида кремния SiF₄ с металлическим калием). Кремнием (по наименованию камня, происходящему от греческого слова «кремнос» – скала, утес) этот элемент впервые назвал российский ученый Герман Иванович Гесс.

Способы получения кремния

Земная кора на 12 % состоит из кремнезема – соединения, в основе которого лежит диоксид кремния (IV) SiO₂. 

Для получения этого элемента в свободном виде можно прокалить магний с мелким песком, представляющим собой практически чистый оксид кремния. В ходе реакции происходит образование аморфного кремния (бурый порошок плотностью 2 г/см³).

Технически чистый кремний (до 99,9 % с примесями углерода и металлов) производят путем восстановления расплава диоксида кремния (SiO₂) путем нагревания с коксом до температуры +1800 °C в специальных печах дугового типа.

Для его очистки в промышленности применяется непосредственное хлорирование с получением хлоридов (SiCl₄ и SiCl₃H), для очистки которых используют перегонку и диспропрорционирование. Далее выполняется восстановление с помощью чистого водорода при температуре +900…+1100 °C.

Сегодня в разработке находится ряд более дешевых, чистых и производительных технологий, например, очистка фтором, дистилляция оксида кремния, вытравливание примесей, которые концентрируются на границе между кристаллитами.

Среди отечественных производителей кремния лидирует Объединенная компания «Русал» (заводы в Каменске-Уральском Свердловской области и Шелехове Иркутской области РФ).

Физические и электрофизические свойства кремния

Кристаллический кремний представляет собой вещество, которому, помимо темно-серого цвета, свойственен характерный стальной блеск. Подобное строение отличается кубической гранецентрированной решеткой, подобной той, что имеет алмаз, но по твердости (7 единиц по шкале Мооса) значительно уступает последнему.

По параметру a, равному 0,54307 нанометров, кремний также не может сравниться с алмазами. Хрупкость исчезает только при температуре более +800 °С. При дальнейшем нагревании материал приобретает пластичность.

Монокристаллическую форму элементарного кремния нельзя отнести к прямозонным полупроводникам. Запрещенная зона при комнатной температуре имеет ширину 1,12 эВ, а при нуле по Кельвину – 1,21 эВ.

Набор электрофизических характеристик монокристаллической формы этого вещества в значительной мере зависит от содержания примесей. Для того чтобы кристаллы приобрели дырочную проводимость, необходимо ввести в состав кремния некоторое количество атомов бора, алюминия, галлия или индия, относящихся к III группе периодической системы элементов. А электронная проводимость достигается путем добавления в кристаллы на атомарном уровне фосфора, мышьяка или сурьмы (V группа).

Множество современных электронных приборов создается с применением кремния. При этом главным образом используются только несколько десятков микрометров приповерхностного слоя. Это означает, что поверхность кристаллов должна иметь высокое качество. В противном случае возможно снижение ключевых электрофизических характеристик материала, а значит, и эксплуатационных характеристик устройств.

Нередко в процессе производства электроники поверхность подвергается модификации, в частности, путем обработки с применением разного рода химических реагентов.

Применение кремния в промышленности

Не будет преувеличением отнести этот элемент к числу материалов, которые наиболее востребованы в современной промышленности. Его используют для создания крайне ценных легких сплавов, кремнийорганических соединений, силицидов, абразивов, стойких огнеупоров, стали. Без кремниевых кристаллов не может существовать и развиваться радиоэлектроника и солнечная энергетика. Во всех этих сферах широко применяется технически чистый или чистейший кремний.

Существует два основных канала применения кремния в промышленном производстве – кремнистые ферросплавы и чистый кремний (с разными степенями чистоты).

Сегодня мировая промышленность производит порядка 950 000 тонн кремния в год. В этой области задействованы около 42 компаний в 44 странах.

Кремниевые ферросплавы участвуют в таких металлургических процессах, как раскисление и выплавка легированных стальных сплавов, а также производство чугуна разных модификаций.

Введение кремния в состав стали разных марок в качестве одной из легирующих добавок позволяет достигать значительного повышения твердости, прочности и упругости в сочетании с понижением вязкости. Кроме того, улучшаются магнитные свойства материалов. Этим элементом также легируют электротехнические стальные сплавы.

Часто в промышленном производстве востребован чистый кремний высокой степени очистки.

Масштабы производства материала относительно скромные, особенно если сравнивать их с выработкой ферросилиция. Тем не менее специалисты относят его к числу наиболее важных. Характеристики этого вещества крайне важны для производства ценнейших легких сплавов, которые необходимы для космической, авиационной и оборонной промышленности, а также для машиностроения.

В современной промышленности кремний получил широкое применение. Из его соединений производят:

• Легкие сплавы, например, силумин, состоящий из кремния и алюминия (включает в свой состав небольшие количества других металлов).
• Кремнийорганические соединения, производство которых специалисты относят к перспективным направлениям. Например, кремний входит в состав силиконовых каучуков и резины, способных выдерживать эксплуатацию при нагреве более +300 °С, смазочных масел для форсированных ДВС, рабочая температура которых составляет +400…+450 °С, стойких силиконовых красок, применяемых в строительстве, судостроении и т. п.
• Новейшее непрерывное производство связано с такими технологическими параметрами, как температура, давление, концентрация агрессивных химических веществ и т. п. По этой причине изменились требования к качеству конструкционных материалов в первую очередь в плане их жаропрочности, устойчивости к перепадам температуры, износостойкости и способности работать, не разрушаясь при контакте с агрессивными средами.

По этим показателям лидируют силицированный графит и самосвязанный карбид кремния. Из первого изготавливают защитную арматуру погружных термопар, тигли, стопорно-разливочные припасы, разнообразные насадки, уплотнительные кольца, корпуса подшипников радиального типа и прочие детали для металлургии и химического машиностроения.

Второй представляет собой формованную и прокаленную при высокой температуре смесь, которая включает в себя карбид кремния, порошкообразный кремний и сажу. Готовые изделия имеют практически нулевую пористость и могут эксплуатироваться при температуре до +2000 °С. Речь идет о чехлах термопар, трубах, тиглях, стаканах, дисках сцепления, особо стойких элементах печей, огнеупорах и т. д.

Возможности перечисленных материалов поистине неисчерпаемы.

Особо чистый полупроводниковый кремний – перспективный материал, производство которого к концу прошлого века исчислялось десятками тысяч тонн. Из него выпускают в широком ассортименте компоненты микропроцессорной техники.

Детали из полупроводникового кремния используются в запоминающих устройствах, логических интегральных схемах, персональных компьютерах, бытовой электронике, чипах, тонких кремниевых лентах, эпитаксиальных покрытиях для компонентов оборудования в солнечной энергетике и т. д.

Также необходимо отметить чистый карбид кремния, из которого изготавливают компоненты радиоэлектронных устройств с уникальными полупроводниковыми свойствами, сохраняя их при рабочей температуре до +1000 °С, что позволяет выпускать силовые диоды повышенной отдаваемой мощности, детекторы УФ-излучения. Подобная аппаратура обнаруживает фотоны и ядерные частицы при радиационном облучении, высоких механических нагрузках, вибрациях и в агрессивных химических средах.

Быстро развивающиеся радиоэлектроника и солнечная энергетика, использующая альтернативные источники энергии, с каждым годом нуждаются во все большем количестве кремния высокой степени очистки. Также данный элемент востребован в виде карбида, из которого изготавливают тугоплавкие огнеупоры и абразивы.

Обожженная и спрессованная смесь карбида кремния с глинистой или пековой связкой служит материалом для изготовления карбидокремниевых огнеупоров для эксплуатации при температуре, достигающей +2000 °С.

Наиболее массово на промышленных производствах РФ применяются абразивные материалы на основе карбида кремния и специальных связок. С их помощью выполняются обработка, обточка, шлифовка и полировка металлических и неметаллических деталей.

В разных странах мира доля таких материалов в потреблении различна.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.