Od kvarca do praha: Kako se proizvodi metalni silicij
Metalni silicijum, koji se naziva i silicijum metalurškog kvaliteta, proizvodi se karbotermičkom redukcijom kvarca visoke čistoće u peći sa potopljenim lukom. Kvarc i ugljični reduktor kao što je naftni koks, drveni ugalj ili ugalj se zajedno pune i reaguju na približno 1800 do 2000 stepeni, a rastopljeni silicijum se ispušta, lijeva i hladi. Dobijeni metal obično sadrži 98,5% do 99,5% silicijuma sa gvožđem, aluminijumom i kalcijumom kao glavnim zaostalim elementima, i on je sirovina za svaki finiji razred silicijuma na tržištu.
Pretvaranje ingota u prah je mehanički proces koji mora izbjeći kontaminaciju. Nakon drobljenja čeljusti slijedi drobljenje valjkom ili konusom, zatim kuglično mljevenje, mljevenje mlaza ili zračna klasifikacija kako bi se postigla ciljana distribucija veličine čestica. Budući da je silicij tvrd i abrazivan, obloge mlinova i sredstva za mljevenje su odabrani tako da prikupljanje željeza ostane unutar specifikacije, a fine frakcije se rukuju pod dušikom ili suhim zrakom kako bi se površinski oksidni film održao tankim i ponovljivim.
Ocjene i tipične specifikacije
| Ocjena | Sadržaj silicija | Raspon veličine čestica | Glavna upotreba |
|---|---|---|---|
| Metalurški prah | 98.5–99.5% | 45–500 µm | Aluminijske legure, deoksidacija, silikoni |
| Prah hemijskog kvaliteta | 99.0–99.5% | 1–100 µm | Silikonski monomeri, silani, keramika |
| Solarni prah | 99.9999% (6N) | 1–200 µm | Sirovina od polisilicijuma, fotonaponske ćelije |
| Elektronski prašak | 99,9999999% (9N i više) | mikrona i ispod{0}}mikrona | Poluprovodnički uređaji, mete za raspršivanje |
Veličina čestica je druga osa specifikacije nakon kemije. Grubo prosijane frakcije od 75 do 500 µm ponašaju se kao slobodno teče granulirana čvrsta supstanca, dok se mikronizirani slojevi ispod 10 µm ponašaju kao kohezivni prah s velikom površinom i odgovarajućom većom reaktivnošću i sadržajem kisika.
Razvojni put: od masivnog metala do proizvedenog praha
Komercijalni razvoj metalnog silicijumskog praha prati opšti trend inženjeringa materijala, krećući se od rasute tonaže do projektovanog dizajna čestica. Rana potrošnja bila je gotovo u potpunosti metalurška, kao deoksidator i kao dodatak za legiranje aluminijuma. Kasnije je potražnja došla iz hemijske industrije, gde se silicijum u prahu dozira u direktan proces sa metil hloridom preko bakarnog katalizatora da bi se napravili metilhlorosilani, građevinski blokovi silikona. Najnoviji rast dolazi od energetike i elektronike, gdje se prah više ne ocjenjuje samo po sadržaju silicija, već i po distribuciji veličine čestica, hemiji površine i nivoima metala u tragovima.
Poluprovodnici i elektronski uređaji
U proizvodnji poluprovodnika, silicijum prah se koristi kao prekursor i kao procesni materijal za taloženje, dopiranje i pripremu mete. Zahtjevi su ekstremni: bor, fosfor i metalne nečistoće moraju biti u rasponu dijelova na milijardu, a prahom se mora rukovati u kontroliranoj atmosferi jer prirodni oksidni film na finim česticama silicija brzo raste i mijenja električno ponašanje gotovog sloja. Ujednačena struktura rešetke i uska distribucija veličine su ovdje bitni, jer određuju ponašanje topljenja i taloženja isto koliko i kemijska čistoća.
Skladištenje energije: silicijum u litijum{0}}jonskim anodama
Silicijum nudi najveći praktični kapacitet skladištenja litijuma od bilo kojeg bogatog anodnog materijala, sa teoretskom vrednošću blizu 3579 mAh/g u poređenju sa oko 372 mAh/g za konvencionalni grafit. Poteškoća je mehanička, a ne hemijska: čestica silicijuma se širi za otprilike 300% kada je potpuno litirana, što razbija česticu i lomi elektrodu ako se silicijum koristi sam. Komercijalni razvoj se stoga fokusira na mikronske i nano veličine silikonskog praha, često obloženog ugljikom ili ugrađenog u karbonsku matricu, kako bi apsorbirao naprezanje uz očuvanje visokog reverzibilnog kapaciteta i prihvatljivog vijeka trajanja.
Solarne ćelije, silikoni i metalurška upotreba
Fotonapon: silicijum u prahu visoke čistoće hrani proizvodnju polisilicijuma i direktno omogućava koncept tankog filma i štampanih ćelija koji smanjuju otpad silicijuma.
Silikoni i silani: fino usitnjeni silicijum reaguje sa metil hloridom kako bi se proizvela porodica monomera koja se koristi u zaptivačima, uljima i gumama.
Legure aluminijuma: dodaci silikonskog praha i granula poboljšavaju fluidnost i ponašanje pri livenju Al-Si legura.
Vatrostalni materijali i keramika: silicijum u prahu je sirovina za sisteme vezivanja silicijum nitrida i silicijum karbida.
Metalurgija: prah i granule se koriste za deoksidaciju i za procese silikotermne redukcije.
Rukovanje, sigurnost i kontrola kvaliteta
Fini silicijumski prah ima veliku površinu i pasivizirajući oksidni sloj, ali je i dalje reaktivan u prisustvu vlage, lužina i jakih oksidatora, a raspršena prašina može predstavljati rizik od izgaranja. Skladištenje u zatvorenim, suvim kontejnerima sa azotnim pokrivačem za mikronske razrede ograničava i oksidaciju i evoluciju vodonika. Kontrola kvaliteta obično kombinuje analizu induktivno spregnute plazme za metalne nečistoće, lasersku difrakciju za raspodelu veličine čestica i fuziju inertnog gasa za sadržaj kiseonika, jer se dva praha sa identičnim silicijumskim testovima mogu ponašati potpuno drugačije u elektrodi baterije ako se njihove distribucije veličine razlikuju.
Često postavljana pitanja
P: Koja je razlika između metalnog silicijumskog praha i ferosilicijuma u prahu?
Ferosilicij je gvožđe i legura silicijuma koji se uglavnom koriste za deoksidaciju i legiranje u proizvodnji čelika, dok je metalni silicijum u prahu mnogo čišći materijal koji se koristi u elektronici, solarnim aplikacijama i baterijama gdje se mora izbjegavati nakupljanje željeza.
P: Koje veličine čestica su dostupne?
Standardne prosijane frakcije kreću se od oko 500 µm do 45 µm, a mikronizirani slojevi ispod 10 µm se proizvode mljevenjem mlaza ili zračnom klasifikacijom kada je potrebna velika površina.
P: Zašto je sadržaj kiseonika bitan u specifikaciji silikonskog praha?
Vrijednost kisika je uglavnom prirodni oksidni film na površini čestica, tako da se njome kontrolira sadržaj aktivnog silicija i ponašanje praha u taloženju, silikonima i elektrodama baterije.
P: Zašto je silicijumu potreban karbonski premaz u anodama baterija?
Silicijum se širi za oko 300% pri punoj litiji, a karbonski premaz plus kompozitna arhitektura odstranjuje to naprezanje, čuvajući električni kontakt između čestica i održavajući kapacitet stabilnim tokom ponovljenih ciklusa.
P: Kako treba čuvati silicijum u prahu mikronskog kvaliteta?
Preporučuju se zatvorene, suhe posude pod dušikom; izlaganje vlažnom vazduhu povećava rast oksida, a alkalni ili oksidirajući kontakt može stvoriti gas, tako da zatvoreno skladište takođe štiti rukovaoca.
P: Da li je finiji puder uvijek bolji?
Ne. Finiji prah povećava površinu i reaktivnost, ali također povećava sadržaj kisika, prašina i cijenu, tako da je optimalna veličina postavljena procesom, pri čemu je uska distribucija obično važnija od najmanje moguće srednje veličine.
