krzem jest naprawdę wszechobecny, ale prawie nigdy nie występuje jako wolny pierwiastek w naturze. Zamiast tego występuje głównie jako dwutlenek krzemu, bardziej znany jako piasek lub kwarc, lub w minerałach krzemianowych, na ogół w występujących w formach gliny lub skały. Po raz pierwszy zaproponowano, że piasek krzemionkowy był prawdopodobnie tlenkiem nieznanego wcześniej pierwiastka przez Antoine Lavoisiera w 1787 roku. W 1808 roku Sir Humphry Davy nazwał ten hipotetyczny element „silicium”, łącząc łacińskie silex, czyli kamień, z tradycyjną końcówką-ium, często nadaną elementom metalicznym. Nazwa została zmieniona na krzem w 1817 r., ponieważ końcówka-on sugerowała jego bliższy związek z niemetalicznymi pierwiastkami boru i węgla, ale dopiero w 1823 r.Szwedzki chemik Jons Jacob Berzelius ostatecznie zdołał przygotować czysty amorficzny krzem i jako pierwszy otrzymał kredyt za „odkrycie” pierwiastka.

zdecydowana większość krzemu stosowanego w handlu nigdy nie jest oddzielana od materiałów, w których występuje naturalnie, które często są przetwarzane w minimalnym stopniu przed użyciem. Glinki silikatowe są wykorzystywane do produkcji ceramiki białej, takiej jak porcelana, oraz do wytwarzania cegieł ceramicznych i cementu wykorzystywanych jako materiały budowlane. Skały zawierające krzemiany, takie jak granit, są stosowane bezpośrednio w zastosowaniach konstrukcyjnych i dekoracyjnych, a piasek krzemionkowy zmieszany ze żwirem i cementem wytwarza Beton. Piasek jest również szeroko stosowany jako materiał ścierny i jako wypełniacz w tworzywach sztucznych, gumie i farbach. Ponadto ziemia okrzemkowa, forma skały krzemionkowej składającej się ze skamieniałych szczątków okrzemek, ma wiele bezpośrednich zastosowań komercyjnych, zwłaszcza jako absorbent, medium filtracyjne, łagodny środek ścierny i naturalny pestycyd.

bardziej wyrafinowane produkty krzemowe odpowiadają za znacznie mniejszą część komercyjnego wykorzystania krzemu, ale mimo to są niezwykle ważne ekonomicznie. Wspólny piasek krzemionkowy jest punktem wyjścia do produkcji różnych rafinowanych produktów krzemionkowych, innych związków krzemu, stopów zawierających krzem i pierwiastkowego krzemu na różnych poziomach czystości, z których wszystkie odgrywają znaczącą rolę w przemyśle. Poniższe akapity zawierają przegląd głównych kategorii końcowych zastosowań krzemu, ale nie stanowią wyczerpującego wykazu.

krzem w stopach

krzem jest powszechnie stosowany jako pierwiastek stopowy. Piasek krzemionkowy jest redukowany węglem w obecności żelaza w celu wytworzenia żelazokrzemu, który może być następnie stosowany w stalach zawierających krzem. W stopionym żelazie krzem pomaga w utrzymaniu zawartości węgla w wąskich granicach wymaganych dla danego gatunku stali. Stosowany w większych ilościach, jak w stali elektrycznej, krzem korzystnie wpływa na oporność i właściwości ferromagnetyczne materiału.

do stosowania w stopach nieżelaznych, krzem metalurgiczny jest wytwarzany przez reakcję krzemionki o wysokiej czystości z węglem w elektrycznym piecu łukowym. Najczęstszymi stopami krzemu nieżelaznego są stopy aluminium-krzem. Odpowiednie proporcje aluminium i krzemu wytwarzają materiał, który wykazuje bardzo mały skurcz termiczny podczas krzepnięcia, co czyni go idealnym do zastosowań odlewniczych. Krzem klasy metalurgicznej jest również stosowany jako drobny środek stopowy w wielu innych stopach przeznaczonych do specjalistycznych zastosowań.

Ceramika o wysokiej wytrzymałości

Po raz pierwszy wyprodukowana syntetycznie w XIX wieku, azotek krzemu był znany nauce tak długo, jak węglik krzemu, ale mimo to obrał znacznie wolniejszą drogę do komercyjnej eksploatacji. Potencjał azotku krzemu jako materiału ogniotrwałego został po raz pierwszy rozpoznany w 1950 roku, a w rzeczywistości materiał ten zaczął być stosowany jako spoiwo w ceramice z węglika krzemu, co do pewnego stopnia trwa do dziś. Jednak czysta ceramika azotku krzemu okazała się niezwykle trudna do wytworzenia, a wczesne metody produkcji doprowadziły do materiałów o mniej niż idealnych lub niewiarygodnych właściwościach mechanicznych lub wykorzystały metody produkcji, które poważnie ograniczyły rodzaje części, które mogą być wytwarzane. Obecnie spiekane elementy ceramiczne z azotku krzemu mogą być wytwarzane z doskonałymi właściwościami mechanicznymi, ale wymaga to wyjątkowo czystego nanoproszku azotku krzemu i precyzyjnie kontrolowanych warunków produkcji, które przyczyniają się do wysokich kosztów tego materiału. Materiały te mają doskonałą odporność na wstrząsy i zaczęły być stosowane w małych komponentach silnika. Ponadto azotek krzemu może być stosowany do produkcji łożysk kulkowych, które tolerują środowiska korozyjne, wysokie temperatury robocze i niskie smarowanie, a jednocześnie działają lepiej i ważą mniej niż alternatywy.

Sialony, ceramika wytwarzana z tlenku glinu, azotku krzemu i czasami tlenków ziem rzadkich, zostały po raz pierwszy opracowane w odpowiedzi na trudności w produkcji spiekanych ceramiki azotku krzemu. Istnieje wiele wariacji na temat sialonów, ponieważ różnice w składach wyjściowych, jak również w technikach produkcji, mogą wytwarzać materiały o znacznie różnych właściwościach, które wynikają z różnic w strukturze krystalicznej. Niektóre z tych odmian zachowują wiele pożądanych właściwości azotku krzemu, zapewniając jednocześnie dodatkową korzyść w postaci łatwiejszych procesów produkcyjnych. Inne warianty są formułowane w celu zapewnienia dodatkowych właściwości, takich jak Przewodność elektryczna lub odporność na uszkodzenia w określonych środowiskach chemicznych. Obecnie sialony stosowane są przede wszystkim w narzędziach skrawających i elementach maszyn przemysłowych narażonych na ekstremalne warunki.

właściwości półprzewodnikowe węglika krzemu są znane od początku XX wieku, kiedy materiał znalazł zastosowanie w detektorach radiowych i pierwszych diodach LED. Jednak te i kilka innych zastosowań zostały opracowane w bardzo wczesnych dniach urządzeń półprzewodnikowych i od tego czasu opracowano alternatywne materiały o właściwościach bardziej dostosowanych do tych zastosowań, w dużej mierze wypierając węglik krzemu z jego historycznych funkcji. Badania nad rozwojem węglika krzemu jako półprzewodnika od tego czasu wyraźnie skupiły się na wykorzystaniu jego mocnych stron, które obejmują jego zdolność do pracy w wysokich temperaturach i silnych polach elektrycznych. Te właściwości teoretycznie pozwalają na produkcję znacznie mniejszych, szybszych, bardziej energooszczędnych i bardziej odpornych na ciepło urządzeń elektronicznych niż jest to możliwe w przypadku tradycyjnych technologii opartych na krzemie. Początkowo trudności z wytwarzaniem kryształów węglika krzemu bez wad utrudniały rozwój zaawansowanej elektroniki z węglika krzemu, ale funkcjonalne diody i tranzystory z węglika krzemu są obecnie dostępne na rynku i trwają prace nad tymi technologiami.

amorficzny azotek krzemu, który może być wytwarzany w cienkich warstwach przy użyciu chemicznego osadzania z fazy gazowej, jest ważnym materiałem w produkcji układów scalonych, gdzie jest stosowany jako strukturalnie jako izolator elektryczny lub ochronna warstwa pasywacyjna lub jako maska wytrawiająca w procesie obróbki. Dodatkowo, domieszkowane azotki krzemu są badane pod kątem stosowania jako półprzewodnik w urządzeniach takich jak diody LED, a zarówno azotek krzemu, jak i sialon mogą być domieszkowane w celu wytworzenia luminoforów.

szkła krzemionkowe

w powszechnym użyciu szkło odnosi się do szkła sodowo-wapniowego, szkła na bazie krzemionki wytwarzanego przez topienie piasku kwarcowego wraz z węglanem sodu, wapnem, dolmitem i tlenkiem glinu. Jest to szkło powszechnie stosowane w szybach okiennych i pojemnikach na napoje. Większość innych produktów powszechnie znanych jako szkło jest również na bazie krzemionki, ale mają różne kompozycje przeznaczone do wytwarzania właściwości korzystnych dla konkretnych zastosowań. Na przykład szkła borokrzemianowe, często sprzedawane pod nazwą Pyrex, zawierają tlenek boru, są godne uwagi ze względu na ich doskonałą zdolność do wytrzymania szoku termicznego i są używane do szkła laboratoryjnego, naczyń domowych i elementów optycznych. Szkło glinokrzemianowe, inną powszechną odmianą, stosuje się w materiale kompozytowym z włókna szklanego, a także w szkle odpornym na rozbicie, używanym do szyb przednich pojazdów o dużej prędkości i coraz częściej narażonych powierzchni szklanych na przenośnych urządzeniach elektronicznych, takich jak telefony komórkowe.

alternatywnie szkło może być wytwarzane z czystego dwutlenku krzemu bez dodatku innych związków. Otrzymany materiał jest znany jako topiony kwarc, a w porównaniu do szkła sodowo-wapiennego jest silniejszy, ma lepsze właściwości optyczne i lepiej jest odporny na szok termiczny. Topi się również w znacznie wyższej temperaturze. Ta właściwość, choć często pożądana, sprawia, że produkcja jest znacznie bardziej kosztowna niż inne rodzaje szkła. Dlatego jest stosowany przede wszystkim do zastosowań, które wymagają tych ulepszonych właściwości, które obejmują produkcję precyzyjnych elementów optycznych, takich jak wysokiej jakości soczewki i włókna optyczne, maski fotolitograficzne i materiały ogniotrwałe do stosowania w wysokotemperaturowych procesach laboratoryjnych i przemysłowych.

kwarc syntetyczny

kwarc jest naturalnym materiałem piezoelektrycznym, który znajduje zastosowanie w oscylatorach kwarcowych używanych do oznaczania czasu w zegarach i urządzeniach cyfrowych oraz do standaryzacji częstotliwości w urządzeniach o częstotliwości radiowej. Kwarc do tego zastosowania jest na ogół wytwarzany syntetycznie z piasku krzemionkowego, ponieważ pozwala to na precyzyjną inżynierię właściwości kryształów.

Silikony

silikony są mieszanymi polimerami organiczno-nieorganicznymi na ogół składającymi się z szkieletu krzemowo-tlenowego połączonego z grupami bocznymi węglowodorów. Różne obecne grupy węglowodorowe, długości łańcuchów krzemowo-tlenowych i stopień usieciowania mogą wytwarzać szeroką gamę materiałów, od smarów silikonowych po twarde żywice silikonowe, ale wszystkie mają tendencję do wykazywania niskiej przewodności cieplnej, reaktywności chemicznej i toksyczności. Szeroki zakres możliwych konsystencji i łatwość wytwarzania, a także ich struktura polimerowa, skłania do porównania z tworzywami na bazie węglowodorów, a w urządzeniach domowych materiały te są czasami używane zamiennie. Jednak niska toksyczność i wysoka stabilność cieplna produktów silikonowych pozwalają na szerszy zakres zastosowań w naczyniach kuchennych i urządzeniach medycznych. Silikony są dodatkowo stosowane do izolacji elektrycznej i termicznej, klejów, uszczelniaczy, smarów przemysłowych, rozpuszczalników do czyszczenia na sucho i produktów do higieny osobistej.

krzem o Ultra wysokiej czystości w elektronice i fotowoltaice

pomimo faktu, że krzem waflowy stosowany w urządzeniach półprzewodnikowych stanowi tylko niewielki ułamek komercyjnego zastosowania tego pierwiastka, ta pojedyncza aplikacja jest najbardziej ściśle związana z publicznymi koncepcjami krzemu, ponieważ jego wpływ na współczesne życie jest głęboki. Chociaż ani pierwsze Układy scalone (German), ani pierwsze ogniwa słoneczne (selen) nie zawierały krzemu, przez większość historii obu branż krzem o wysokiej czystości był niewątpliwie dominującym materiałem półprzewodnikowym.

w przypadku układów scalonych nawet drobne defekty kryształów zakłócają małe ścieżki obwodów, co wymaga zastosowania krzemu monokrystalicznego. Materiał ten jest wytwarzany przy użyciu procesu wzrostu kryształów Czochralskiego, który wymaga powolnego wzrostu pojedynczego ogromnego kryształu ze stopionego krzemu o wysokiej czystości w starannie kontrolowanym środowisku. Układy scalone są zbudowane z cienkich płytek wyciętych z tych kryształów, podobnie jak najwyższej wydajności krzemowe ogniwa fotowoltaiczne. Inne urządzenia półprzewodnikowe na ogół nie wymagają krzemu monokrystalicznego, ale nadal wymagają wysokiej czystości do kontrolowania właściwości elektrycznych materiału. Wysokiej czystości amorficzny lub polikrystaliczny krzem znajduje się w większości krzemowych ogniw fotowoltaicznych i niektórych innych dużych urządzeń półprzewodnikowych.

syntetyczne produkty krzemionkowe

istnieje wiele form syntetycznego tlenku krzemu, w tym wytrącona krzemionka, Krzemionka koloidalna, żel krzemionkowy, Krzemionka koloidalna i opary krzemionki. Chociaż każdy produkt jest głównie dwutlenkiem krzemu, każdy jest produkowany w wyniku innego procesu przemysłowego i różnią się wielkością cząstek. Powszechnie produkty te są stosowane jako łagodne środki ścierne, środki przeciwzbrylające lub zagęszczające w żywności, absorbanty lub jako materiał wypełniający w tworzywach sztucznych, gumach, silikonach lub cemencie, choć precyzyjne zastosowania końcowe różnią się w zależności od formy.

Żel krzemionkowy jest formą syntetycznej krzemionki najbardziej znaną konsumentom. Te mikroporowate koraliki krzemionkowe są powszechnie spotykane w małych opakowaniach papierowych, które wchodzą w skład opakowań różnych produktów w celu wchłonięcia nadmiaru wilgoci. Te same właściwości absorpcyjne są wykorzystywane do stosowania w ściółce dla kotów. Żel krzemionkowy jest również stosowany w laboratoriach chemicznych jako faza stacjonarna do chromatografii lub, po modyfikacji kowalencyjnie związanymi grupami funkcyjnymi, jako czynnik redukujący lub chelatujący.