Од кварца до праха: Како се производи метални силицијум
Метални силицијум, који се назива и силицијум металуршког квалитета, производи се карботермичком редукцијом кварца високе чистоће у пећи са потопљеним луком. Кварц и редуктор угљеника као што је нафтни кокс, дрвени угаљ или угаљ се заједно пуне и реагују на приближно 1800 до 2000 степени, а растопљени силицијум се испушта, лива и хлади. Добијени метал обично садржи 98,5% до 99,5% силицијума са гвожђем, алуминијумом и калцијумом као главним заосталим елементима, и он је сировина за сваки финији разред силицијума на тржишту.
Претварање ингота у прах је механички процес који мора да избегне контаминацију. Дробљење чељусти је праћено ваљком или конусним дробљењем, затим млевењем куглама, млевењем млаза или ваздушном класификацијом да би се постигла циљна дистрибуција величине честица. Пошто је силицијум тврд и абразиван, облоге млина и медијуми за млевење се бирају тако да прикупљање гвожђа остане унутар спецификације, а фине фракције се рукују под азотом или сувим ваздухом како би се површински оксидни филм одржао танак и поновљив.
Оцене и типичне спецификације
| Оцена | Садржај силикона | Опсег величине честица | Главна употреба |
|---|---|---|---|
| Металуршки прах | 98.5–99.5% | 45–500 µm | Легуре алуминијума, деоксидација, силикони |
| Прах хемијског квалитета | 99.0–99.5% | 1–100 µm | Силиконски мономери, силани, керамика |
| Соларни прах | 99.9999% (6N) | 1–200 µm | Сировина од полисилицијума, фотонапонске ћелије |
| Електронски прах | 99,9999999% (9Н и више) | микрона и испод{0}}микрона | Полупроводнички уређаји, мете за распршивање |
Величина честица је друга оса спецификације после хемије. Грубо просејане фракције од 75 до 500 µм понашају се као гранулирана чврста супстанца која слободно тече, док се микронизовани слојеви испод 10 µм понашају као кохезивни прах са великом површином и одговарајућом већом реактивношћу и садржајем кисеоника.
Развојни пут: од масивног метала до произведеног праха
Комерцијални развој металног силицијумског праха прати општи тренд инжењеринга материјала, крећући се од расуте тонаже до пројектованог дизајна честица. Рана потрошња је била скоро у потпуности металуршка, као деоксидатор и као додатак за легирање алуминијума. Касније потражња је дошла из хемијске индустрије, где се силицијум у праху дозира у директан процес са метил хлоридом преко бакарног катализатора да би се направили метилхлоросилани, грађевински блокови силикона. Најновији раст долази од енергетике и електронике, где се прах више не оцењује само по садржају силицијума, већ и по дистрибуцији величине честица, хемији површине и нивоима метала у траговима.
Полупроводници и електронски уређаји
У производњи полупроводника, силицијум прах се користи као прекурсор и као процесни материјал за таложење, допирање и припрему мете. Захтеви су екстремни: бор, фосфор и металне нечистоће морају да седе у опсегу делова на милијарду, а прахом се мора руковати у контролисаној атмосфери јер природни оксидни филм на финим честицама силицијума брзо расте и мења електрично понашање готовог слоја. Овде су важни униформна структура решетке и уска дистрибуција величине, јер одређују понашање топљења и таложења исто колико и хемијска чистоћа.
Складиштење енергије: силицијум у литијум{0}}јонским анодама
Силицијум нуди највећи практични капацитет складиштења литијума у односу на било који анодни материјал у изобиљу, са теоретском вредношћу близу 3579 мАх/г у поређењу са око 372 мАх/г за конвенционални графит. Потешкоћа је механичка, а не хемијска: честица силицијума се шири за отприлике 300% када је потпуно литирана, што разбија честицу и ломи електроду ако се силицијум користи сам. Комерцијални развој се стога фокусира на микронске и нано величине силицијумског праха, често обложеног угљеником или уграђеном у угљеничну матрицу, да апсорбује напрезање уз очување високог реверзибилног капацитета и прихватљивог животног века.
Соларне ћелије, силикони и металуршка употреба
Фотонапонски уређаји: силицијумски прах високе чистоће храни производњу полисилицијума и директно омогућава концепт танког филма и штампаних ћелија који смањују отпад силицијума.
Силикони и силани: фино подељен силицијум реагује са метил хлоридом да би се произвела породица мономера која се користи у заптивачима, уљима и гумама.
Легуре алуминијума: додаци силицијумског праха и гранула побољшавају флуидност и понашање при ливењу Ал-Си легура.
Ватростални материјали и керамика: силицијум у праху је сировина за системе везивања силицијум нитрида и силицијум карбида.
Металургија: прах и грануле се користе за деоксидацију и за процесе силикотермне редукције.
Руковање, безбедност и контрола квалитета
Фини силицијумски прах има велику површину и пасивизирајући оксидни слој, али је и даље реактиван у присуству влаге, алкалија и јаких оксидатора, а распршена прашина може да носи ризик од сагоревања. Складиштење у затвореним, сувим контејнерима са азотним покривачем за микронске разреде ограничава и оксидацију и еволуцију водоника. Контрола квалитета обично комбинује анализу индуктивно спрегнуте плазме за металне нечистоће, ласерску дифракцију за расподелу величине честица и фузију инертног гаса за садржај кисеоника, јер се два праха са идентичним силицијумским тестовима могу понашати потпуно другачије у електроди батерије ако се њихове дистрибуције величине разликују.
Често постављана питања
П: Која је разлика између металног силицијумског праха и феросилицијума у праху?
Феросилицијум је гвожђе и легура силицијума који се углавном користе за деоксидацију и легирање у производњи челика, док је метални силицијум у праху много чистији материјал који се користи у електроници, соларним и батеријама где се мора избегавати накупљање гвожђа.
П: Које величине честица су доступне?
Стандардне просијане фракције крећу се од око 500 µм до 45 µм, а микронизовани слојеви испод 10 µм се производе млевењем млаза или ваздушном класификацијом када је потребна велика површина.
П: Зашто је садржај кисеоника важан у спецификацији силицијумског праха?
Вредност кисеоника је углавном природни оксидни филм на површини честица, тако да се његовом контролом контролише садржај активног силицијума и понашање праха у таложењу, силиконима и електродама батерије.
П: Зашто је силицијуму потребан угљенични премаз у анодама батерија?
Силицијум се шири за око 300% при пуној литији, а угљенични премаз и композитна архитектура пуферују то напрезање, чувајући електрични контакт између честица и одржавајући капацитет стабилним током поновљених циклуса.
П: Како треба чувати силицијумски прах микронског квалитета?
Препоручују се затворени, суви контејнери под азотом; излагање влажном ваздуху повећава раст оксида, а алкални или оксидирајући контакт може да створи гас, тако да затворено складиште такође штити руковаоца.
П: Да ли је финији прах увек бољи?
Не. Финији прах повећава површину и реактивност, али такође повећава садржај кисеоника, прашина и цену, тако да је оптимална величина постављена процесом, при чему је уска дистрибуција обично важнија од најмање могуће средње величине.
