siliciu este cu adevărat omniprezent, dar este aproape niciodată găsit ca element liber în natură. În schimb, apare mai ales ca dioxid de siliciu, mai cunoscut sub numele de nisip sau cuarț, sau în minerale silicate, în general, în formele de argilă sau rocă. S-a propus pentru prima dată că nisipul de silice a fost probabil oxidul unui element necunoscut anterior de Antoine Lavoisier în 1787. În 1808, Sir Humphry Davy a numit acest element ipotetic „siliciu”, combinând silexul Latin, adică piatră, cu sfârșitul tradițional-ium dat adesea elementelor metalice. Numele a fost schimbat în siliciu în 1817, deoarece sfârșitul a sugerat relația sa mai strânsă cu elementele nemetalice bor și carbon, dar abia în 1823 chimistul suedez Jons Jacob Berzelius a reușit în cele din urmă să pregătească siliciu amorf pur și ca primul care a făcut acest lucru a primit credit pentru „descoperirea” elementului. marea majoritate a siliciului utilizat comercial nu este niciodată separat de materialele în care apare în mod natural, care sunt adesea procesate destul de minim înainte de utilizare. Argilele Silicate sunt utilizate pentru a produce ceramică albă, cum ar fi porțelanul și la fabricarea cărămizilor ceramice și a cimentului utilizat ca materiale de construcție. Roca care conține silicat, cum ar fi granitul, este utilizată direct în aplicații structurale și decorative, iar nisipul de silice amestecat cu pietriș și ciment produce beton. Nisipul este, de asemenea, utilizat pe scară largă ca abraziv și ca umplutură în materiale plastice, cauciuc și vopsele. În plus, pământul de diatomee, o formă de rocă de silice constând din resturi fosilizate de diatome, are multe aplicații comerciale directe, în special ca absorbant, mediu de filtrare, abraziv ușor și pesticid natural.

produsele din siliciu mai rafinate reprezintă o parte mult mai mică din utilizarea comercială a siliciului, dar totuși sunt extrem de importante din punct de vedere economic. Nisipul comun de silice este punctul de plecare pentru producerea unei varietăți de produse de silice rafinate, alți compuși de siliciu, aliaje care conțin siliciu și siliciu elementar la diferite niveluri de puritate, toate jucând roluri semnificative în industrie. Următoarele paragrafe oferă o imagine de ansamblu asupra principalelor categorii de utilizări finale ale siliciului, dar nu constituie o listă exhaustivă.

siliciu în aliaje

siliciul este utilizat în mod obișnuit ca element de aliere. Nisipul de silice este redus cu carbon în prezența fierului pentru a produce Ferosiliciu, care poate fi apoi utilizat în oțeluri care conțin siliciu. În fierul topit, siliciul ajută la menținerea conținutului de carbon în limite înguste necesare pentru un anumit grad de oțel. Utilizat în cantități mai mari, ca și în oțelul electric, siliciul influențează favorabil rezistivitatea și proprietățile feromagnetice ale materialului.

pentru utilizarea în aliaje neferoase, siliciu grad metalurgic este produs prin reacția de siliciu de înaltă puritate cu carbon într-un cuptor cu arc electric. Cele mai frecvente aliaje de siliciu neferoase sunt aliajele de aluminiu-siliciu. Proporțiile adecvate de aluminiu și siliciu produc un material care prezintă o contracție termică foarte mică în timpul solidificării, făcându-l ideal pentru aplicații de turnare. Siliciul de calitate metalurgică este, de asemenea, utilizat ca agent de aliere minor într-o serie de alte aliaje concepute pentru aplicații specializate.

Ceramică De înaltă rezistență

produsă pentru prima dată sintetic în secolul al XIX-lea, nitrura de siliciu a fost cunoscută științei de aproximativ atâta timp cât carbura de siliciu, dar totuși a luat o cale mult mai lentă spre exploatarea comercială. Potențialul nitrurii de siliciu ca material refractar a fost recunoscut pentru prima dată în anii 1950 și, de fapt, materialul a ajuns să fie folosit ca liant în ceramica din carbură de siliciu, o utilizare care continuă într-o oarecare măsură și astăzi. Cu toate acestea, ceramica cu nitrură de siliciu pur s-a dovedit extrem de dificil de fabricat, iar metodele de producție timpurii fie au dus la materiale cu proprietăți mecanice mai puțin decât ideale sau nesigure, fie au folosit metode de producție care au limitat sever tipurile de piese care ar putea fi produse. Astăzi, componentele ceramice de nitrură de siliciu sinterizate pot fi produse cu proprietăți mecanice excelente, dar acest lucru necesită nanopulbere de nitrură de siliciu extrem de pură și condiții de fabricație controlate cu precizie, ambele contribuind la costul ridicat al acestui material. Aceste materiale au o rezistență excelentă la șocuri și au ajuns să fie utilizate în componente mici ale motorului. În plus, nitrura de siliciu poate fi utilizată pentru a produce rulmenți cu bile care pot tolera medii corozive, temperaturi ridicate de funcționare și lubrifiere scăzută, toate în timp ce funcționează mai bine și cântăresc mai puțin decât alternativele.

Sialonii, ceramica produsă cu oxid de aluminiu, nitrură de siliciu și uneori oxizi de pământuri rare, au fost dezvoltate pentru prima dată ca răspuns la dificultățile de producere a ceramicii de nitrură de siliciu sinterizat. Există multe variații ale sialonilor, deoarece variațiile compozițiilor inițiale, precum și ale tehnicilor de producție pot produce materiale cu proprietăți foarte diferite, care rezultă din diferențele de structură cristalină. Unele dintre aceste variații păstrează multe dintre proprietățile dorite ale nitrurii de siliciu, oferind în același timp avantajul suplimentar al proceselor de producție mai ușoare. Alte variații sunt formulate pentru a oferi proprietăți suplimentare, cum ar fi conductivitatea electrică sau rezistența la deteriorare în medii chimice specifice. În prezent, sialonii sunt utilizați în principal în uneltele de tăiere și componentele mașinilor industriale supuse unor condiții extreme.proprietățile semiconductoare ale carburii de siliciu au fost cunoscute încă de la începutul secolului al XX-lea, când materialul a fost utilizat în detectoarele radio și în primele LED-uri. Cu toate acestea, aceste și alte câteva utilizări au fost dezvoltate în primele zile ale dispozitivelor semiconductoare, iar de atunci au fost dezvoltate materiale alternative cu proprietăți mai potrivite acestor aplicații, deplasând în mare măsură carbura de siliciu din funcțiile sale istorice. Cercetările care dezvoltă carbura de siliciu ca semiconductor s-au concentrat în mod explicit pe exploatarea punctelor sale forte, care includ capacitatea sa de a funcționa la temperaturi ridicate și în câmpuri electrice puternice. Aceste proprietăți permit teoretic producerea de dispozitive electronice mult mai mici, mai rapide, mai eficiente din punct de vedere energetic și mai tolerante la căldură decât sunt posibile cu tehnologiile tradiționale pe bază de siliciu. Inițial, dificultățile de producere a cristalelor de carbură de siliciu fără defecte au împiedicat dezvoltarea electronicelor sofisticate din carbură de siliciu, dar diodele și tranzistoarele funcționale din carbură de siliciu sunt acum disponibile în comerț, iar dezvoltarea acestor tehnologii este în curs de desfășurare.

nitrura de siliciu amorf, care poate fi produsă în straturi subțiri folosind depunerea chimică a vaporilor, este un material important în fabricarea circuitelor integrate, unde este utilizat structural ca izolator electric sau strat de pasivare de protecție sau ca o mască de etch în procesul de prelucrare. În plus, nitrurile de siliciu dopate sunt investigate pentru a fi utilizate ca semiconductor în dispozitive precum LED-uri, și atât nitrura de siliciu, cât și sialonul pot fi dopate pentru a produce fosfor.

pahare de silice

în utilizarea obișnuită, sticla se referă la sticla de sodă-var, o sticlă pe bază de silice produsă prin topirea nisipului de cuarț împreună cu carbonat de sodiu, var, dolmită și oxid de aluminiu. Aceasta este sticla utilizată în mod obișnuit în geamurile ferestrelor și recipientele pentru băuturi. Cele mai multe alte produse cunoscute sub numele de sticlă sunt, de asemenea, pe bază de silice, dar au compoziții diferite destinate să producă proprietăți favorabile pentru utilizări specifice. De exemplu, paharele borosilicate, adesea vândute sub numele de Pyrex, conțin oxid de bor, se remarcă prin capacitatea lor superioară de a rezista șocului termic și sunt utilizate pentru sticlărie de laborator, vase de uz casnic și componente optice. Sticla aluminosilicată, o altă varietate comună, este utilizată în materialul compozit fibră de sticlă, și în sticlă rezistentă la spargere utilizat pentru parbrize de vehicule de mare viteză și, din ce în ce mai mult, suprafețe de sticlă expuse pe dispozitive electronice portabile, cum ar fi telefoanele mobile.

alternativ, sticla poate fi produsă din dioxid de siliciu pur fără alți compuși adăugați. Materialul rezultat este cunoscut sub numele de cuarț topit, iar în comparație cu sticla de var de sodă este mai puternică, are proprietăți optice mai bune și rezistă mai bine șocului termic. De asemenea, se topește la o temperatură mult mai ridicată. Această proprietate, deși de multe ori de dorit, face considerabil mai costisitoare pentru a produce decât alte tipuri de sticlă. Prin urmare, este utilizat în principal pentru aplicații care necesită aceste proprietăți îmbunătățite, care includ producția de componente optice de precizie, cum ar fi lentile și fibre optice de înaltă calitate, măști de fotolitografie și materiale refractare pentru utilizare în laborator la temperaturi ridicate și procese industriale.

cuarț sintetic

cuarțul este un material piezoelectric natural care se folosește în oscilatoarele de cristal utilizate pentru a marca timpul în ceasuri și dispozitive digitale și pentru a standardiza frecvența în dispozitivele de frecvență radio. Cuarțul pentru această utilizare este în general produs sintetic din nisip de silice, deoarece acest lucru permite ingineria de precizie a proprietăților cristalului.

siliconi

siliconii sunt polimeri organici-anorganici amestecați, în general, constând dintr-o coloană vertebrală siliciu-oxigen conectată la grupări laterale de hidrocarburi. Variația grupărilor de hidrocarburi prezente, lungimile lanțului siliciu-oxigen și gradul de reticulare pot produce o gamă largă de materiale, de la lubrifianți cu ulei siliconic la rășini siliconice dure, dar toate tind să prezinte o conductivitate termică scăzută, reactivitate chimică și toxicitate. Gama largă de consistențe posibile și ușurința de fabricație, precum și structura lor polimerică, determină compararea cu materialele plastice pe bază de hidrocarburi, iar în dispozitivele de uz casnic materialele sunt uneori utilizate în mod interschimbabil. Cu toate acestea, toxicitatea scăzută și stabilitatea ridicată la căldură a produselor din silicon permit o gamă mai largă de utilizări în vase și dispozitive medicale. Siliconii sunt utilizați suplimentar pentru izolarea electrică și termică, adeziv, etanșant, lubrifianți industriali, solvent de curățare uscată și produse de îngrijire personală.

siliciu de înaltă puritate în electronică și fotovoltaică

În ciuda faptului că siliciul de napolitane utilizat în dispozitivele semiconductoare reprezintă doar o mică parte din utilizarea comercială a elementului, această aplicație unică este cea mai intim legată de concepțiile publice despre siliciu, deoarece influența sa asupra vieții moderne a fost profundă. Deși nici primele circuite integrate (germaniu), nici primele celule solare (seleniu) nu conțineau siliciu, pentru cea mai mare parte a istoriei ambelor industrii, siliciul de înaltă puritate a fost materialul semiconductor dominant, fără îndoială.

pentru aplicații cu circuite integrate, chiar și defectele mici de cristal interferează cu căile de circuit mici, necesitând utilizarea siliciului monocristalin. Acest material este produs folosind procesul de creștere a cristalelor Czochralski, care necesită o creștere lentă a unui singur cristal enorm din siliciu topit de înaltă puritate într-un mediu controlat cu atenție. Circuitele integrate sunt construite folosind plachete subțiri tăiate din aceste cristale, la fel ca și celulele fotovoltaice de siliciu cu cea mai mare eficiență. Alte dispozitive semiconductoare, în general, nu necesită siliciu monocristalin, dar necesită totuși o puritate ridicată pentru a controla proprietățile electrice ale materialului. Siliciul amorf sau policristalin de înaltă puritate se găsește în majoritatea celulelor fotovoltaice din siliciu și în alte dispozitive semiconductoare cu suprafață mare.

produse de silice sintetice

există multe forme de oxid de siliciu sintetic, inclusiv silice precipitată, silice coloidală, silicagel, silice fumată și fum de silice. Deși fiecare produs este în primul rând dioxid de siliciu, fiecare este produs ca urmare a unui proces industrial diferit și variază în funcție de dimensiunea particulelor. În mod obișnuit, aceste produse sunt utilizate ca agenți abrazivi ușori, agenți anti-aglomerare sau îngroșare în alimente, absorbanți sau ca material de umplutură în materiale plastice, cauciucuri, siliconi sau ciment, deși utilizările finale precise variază în funcție de formă.

silicagelul este forma de silice sintetică cea mai familiară consumatorilor. Aceste margele de silice microporoase se găsesc în mod obișnuit în pachete mici de hârtie care sunt incluse în ambalajul unei varietăți de produse pentru a absorbi excesul de umiditate. Aceleași proprietăți de absorbție sunt exploatate pentru utilizare în așternutul de pisici. Silicagelul este, de asemenea, utilizat în laboratoarele de chimie ca fază staționară pentru cromatografie sau, atunci când este modificat cu grupuri funcționale legate covalent, ca agent reducător sau chelator.