Vidéo: COMMENT FAIRE UNE FONDERIE 2025
Le métal de silicium est un métal semi-conducteur gris et lustré qui est employé pour fabriquer l'acier, les cellules solaires, et les micropuces.
Le silicium est le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre (derrière l'oxygène) et le huitième élément le plus commun de l'univers. En fait, près de 30% du poids de la croûte terrestre peut être attribué au silicium.
L'élément numéro atomique 14 se trouve naturellement dans les minéraux silicatés, y compris la silice, le feldspath et le mica, qui sont des composants majeurs des roches communes telles que le quartz et le grès.
Un semi-métal (ou métalloïde), le silicium possède certaines propriétés des métaux et des non-métaux.
Comme l'eau - mais contrairement à la plupart des métaux - le silicium se contracte à l'état liquide et se dilate lorsqu'il se solidifie. Il a des points de fusion et d'ébullition relativement élevés et lorsqu'il est cristallisé, il forme une structure cristalline cubique en diamant.
La structure atomique de l'élément, qui comprend quatre électrons de valence permettant au silicium de se lier facilement à d'autres éléments, est essentielle au silicium en tant que semi-conducteur et à son utilisation en électronique.
Propriétés:
- Atomique Symbole: Si
- Numéro atomique: 14
- Element Catégorie: Metalloid
- Densité: 2. 329g / cm3
- Point de fusion: 1477 ° C (2577 ° F)
- Point d'ébullition: 3265 ° C (5909 ° F)
- Dureté de Moh: 7
Le résultat était du silicium amorphe.
La fabrication de silicium cristallin nécessitait toutefois plus de temps. Un échantillon électrolytique de silicium cristallin ne serait pas fabriqué pendant trois décennies supplémentaires.
La première utilisation commerciale du silicium était sous forme de ferrosilicium.
À la suite de la modernisation de l'industrie sidérurgique par Henry Bessemer au milieu du XIXe siècle, la métallurgie de l'acier et la recherche sur les techniques sidérurgiques suscitèrent un vif intérêt.
Au moment de la première production industrielle de ferrosilicium dans les années 1880, l'importance du silicium dans l'amélioration de la ductilité de la fonte brute et de l'acier désoxydant était assez bien comprise.
La production précoce de ferrosilicium a été réalisée dans des hauts fourneaux en réduisant les minerais contenant du silicium avec du charbon, ce qui a donné de la fonte argentée, un ferrosilicium ayant jusqu'à 20% de silicium.
Le développement des fours à arc électrique au début du XXe siècle a permis non seulement une production d'acier plus importante, mais aussi une production accrue de ferrosilicium.
En 1903, un groupe spécialisé dans la fabrication du ferroalliage (Compagnie Generate d'Electrochimie) voit le jour en Allemagne, en France et en Autriche et, en 1907, la première usine de silicium commerciale aux États-Unis est fondée.
La sidérurgie n'était pas la seule application pour les composés de silicium commercialisés avant la fin du XIXe siècle.
Pour produire des diamants artificiels en 1890, Edward Goodrich Acheson a chauffé du silicate d'aluminium avec du coke en poudre et du carbure de silicium produit accidentellement (SiC).
Trois ans plus tard, Acheson avait breveté sa méthode de production et fondé Carborundum Company (carborundum étant le nom commun du carbure de silicium à l'époque) dans le but de fabriquer et de vendre des produits abrasifs.
Au début du 20ème siècle, les propriétés conductrices du carbure de silicium ont également été réalisées et le composé a été utilisé comme détecteur dans les premiers radios embarquées. Un brevet pour les détecteurs de cristal de silicium a été accordé à GW Pickard en 1906.
En 1907, la première diode électroluminescente (LED) a été créée en appliquant une tension à un cristal de carbure de silicium.
Au cours des années 1930, l'utilisation du silicium a augmenté avec le développement de nouveaux produits chimiques, notamment des silanes et des silicones.
La croissance de l'électronique au cours du siècle dernier est aussi indissociable du silicium et de ses propriétés uniques.
Alors que la création des premiers transistors - les précurseurs des micropuces modernes - dans les années 1940 reposait sur le germanium, le silicium ne tarda pas à supplanter son cousin métalloïde comme matériau semi-conducteur plus durable.
Bell Labs et Texas Instruments commencèrent à produire commercialement des transistors à base de silicium en 1954.
Les premiers circuits intégrés en silicium furent fabriqués dans les années 1960 et, dans les années 1970, des processeurs contenant du silicium avaient été développés.
Étant donné que la technologie des semi-conducteurs à base de silicium constitue l'épine dorsale de l'électronique et de l'informatique modernes, il n'est pas surprenant que nous appelions «Silicon Valley» le centre d'activité de cette industrie.
(Pour un aperçu détaillé de l'histoire et du développement de la technologie de la Silicon Valley et des micropuces, je recommande fortement le documentaire American Experience intitulé Silicon Valley).
Peu de temps après le dévoilement des premiers transistors, le travail de Bell Labs sur le silicium a conduit à une deuxième percée majeure en 1954: la première cellule photovoltaïque (solaire) en silicium.
Avant cela, l'idée d'exploiter l'énergie du soleil pour créer de la puissance sur terre était considérée comme impossible par la plupart des gens. Mais quatre ans plus tard, en 1958, le premier satellite alimenté par des cellules solaires au silicium tournait autour de la Terre.
Dans les années 1970, les applications commerciales des technologies solaires étaient devenues des applications terrestres telles que l'éclairage des plates-formes pétrolières et des passages à niveau.
Au cours des deux dernières décennies, l'utilisation de l'énergie solaire a connu une croissance exponentielle. Aujourd'hui, les technologies photovoltaïques à base de silicium représentent environ 90% du marché mondial de l'énergie solaire.
Production:
La majeure partie du silicium raffiné chaque année - environ 80% - est produite sous forme de ferrosilicium destiné à la sidérurgie. Le ferrosilicium peut contenir entre 15 et 90% de silicium selon les besoins de la fonderie.
L'alliage de fer et de silicium est produit à l'aide d'un four électrique à arc submergé par fusion à réduction. Le minerai riche en silice et une source de carbone telle que le charbon à coke (charbon métallurgique) sont broyés et chargés dans le four avec de la ferraille.
À des températures supérieures à 1900
°
C (3450 ° F), le carbone réagit avec l'oxygène présent dans le minerai, formant du monoxyde de carbone gazeux. Le fer et le silicium restants, quant à eux, se combinent ensuite pour fabriquer du ferrosilicium fondu, qui peut être collecté en tapotant la base du four. Une fois refroidi et durci, le ferrosilicium peut ensuite être expédié et utilisé directement dans la fabrication du fer et de l'acier. La même méthode, sans inclusion de fer, est utilisée pour produire du silicium de qualité métallurgique pur à plus de 99%. Le silicium métallurgique est également utilisé dans la fusion de l'acier, ainsi que dans la fabrication d'alliages de fonte d'aluminium et de produits chimiques à base de silane.
Le silicium métallurgique est classé selon les niveaux d'impuretés du fer, de l'aluminium et du calcium présents dans l'alliage. Par exemple, 553 silicium-métal contient moins de 0,5% de chaque fer et aluminium et moins de 0,3% de calcium.
Environ 8 millions de tonnes métriques de ferrosilicium sont produites chaque année dans le monde, la Chine représentant environ 70% de ce total. Les grands producteurs comprennent Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Groupe OM Materials et Elkem.
Une quantité supplémentaire de 2,6 millions de tonnes de silicium métallurgique - soit environ 20% du silicium métal raffiné total - est produite chaque année. La Chine, encore une fois, représente environ 80% de cette production.
Une surprise pour beaucoup est que les nuances solaires et électroniques du silicium représentent seulement une petite quantité (moins de deux pour cent) de toute la production de silicium raffiné.
Pour passer au silicium-métal de qualité solaire (polysilicium), la pureté doit atteindre 99,9999% (6N) de silicium pur. Cela se fait par l'une des trois méthodes, la plus courante étant le procédé Siemens.
Le procédé Siemens implique le dépôt chimique en phase vapeur d'un gaz volatil appelé trichlorosilane. A 1150
°
C (2102 ° F), le trichlorosilane est soufflé sur une graine de silicium de haute pureté montée à l'extrémité d'une tige. Au passage, du silicium de haute pureté provenant du gaz est déposé sur la graine. Le réacteur à lit fluidisé (FBR) et la technologie améliorée de silicium métallurgique (UMG) sont également utilisés pour améliorer le métal au polysilicium adapté à l'industrie photovoltaïque. 230 000 tonnes métriques de polysilicium ont été produites en 2013. Les principaux producteurs comprennent GCL Poly, Wacker-Chemie et OCI.
Enfin, pour fabriquer du silicium de qualité électronique adapté à l'industrie des semi-conducteurs et à certaines technologies photovoltaïques, le polysilicium doit être transformé en un silicium monocristallin ultra-pur via le procédé Czochralski.
Pour ce faire, le polysilicium est fondu dans un creuset à 1425
°
C (2597 ° F) dans une atmosphère inerte. Un cristal germe monté sur tige est ensuite trempé dans le métal fondu et lentement tourné et retiré, donnant le temps pour le silicium de se développer sur le matériau de la graine. Le produit résultant est une tige (ou boule) de silicium monocristallin pouvant atteindre 99,999999999 (11N) pur. Cette tige peut être dopée avec du bore ou du phosphore au besoin pour modifier les propriétés mécaniques quantiques selon les besoins. La tige monocristal peut être expédiée aux clients telle quelle, ou coupée en tranches et polie ou texturée pour des utilisateurs spécifiques.
Applications:
Alors qu'environ dix millions de tonnes métriques de ferrosilicium et de silicium-métal sont raffinées chaque année, la majeure partie du silicium utilisé commercialement se présente sous la forme de minéraux de silicium, utilisés dans la fabrication de tout, mortiers et céramiques, au verre et aux polymères.
Comme indiqué, le ferrosilicium est la forme de silicium métallique la plus couramment utilisée. Depuis sa première utilisation il y a environ 150 ans, le ferrosilicium est resté un important agent de désoxydation dans la production de carbone et d'acier inoxydable. Aujourd'hui, la fusion de l'acier reste le plus gros consommateur de ferrosilicium.
Cependant, le ferrosilicium a plusieurs usages qui vont au-delà de la sidérurgie. C'est un pré-alliage dans la production de ferrosilicium de magnésium, un nodulisateur utilisé pour produire du fer ductile, ainsi que pendant le processus de Pidgeon pour affiner le magnésium de haute pureté.
Le ferrosilicium peut également être utilisé pour fabriquer des alliages de silicium ferreux résistant à la chaleur et à la corrosion, ainsi que de l'acier au silicium, utilisé dans la fabrication d'électro-moteurs et de noyaux de transformateurs.
Le silicium métallurgique peut être utilisé dans la sidérurgie ainsi que comme agent d'alliage dans la coulée d'aluminium. Les pièces de voiture en aluminium-silicium (Al-Si) sont légères et plus solides que les composants moulés à partir d'aluminium pur. Les pièces automobiles telles que les blocs-cylindres et les jantes de pneus sont parmi les pièces en aluminium moulé les plus courantes.
Près de la moitié de tout le silicium métallurgique est utilisé par l'industrie chimique pour fabriquer de la silice fumée (agent épaississant et dessicant), des silanes (un agent de couplage) et du silicone (produits d'étanchéité, adhésifs et lubrifiants).
Le polysilicium de qualité photovoltaïque est principalement utilisé dans la fabrication de cellules solaires en polysilicium. Environ cinq tonnes de polysilicium sont nécessaires pour fabriquer un mégawatt de modules solaires.
Actuellement, la technologie solaire au polysilicium représente plus de la moitié de l'énergie solaire produite dans le monde, tandis que la technologie du monosilicium contribue à hauteur de 35% environ. Au total, 90% de l'énergie solaire utilisée par les humains est collectée par la technologie à base de silicium.
Le silicium monocristallin est également un matériau semi-conducteur essentiel dans l'électronique moderne. En tant que matériau de substrat utilisé dans la production de transistors à effet de champ (FET), de LED et de circuits intégrés, le silicium peut être trouvé dans pratiquement tous les ordinateurs, téléphones mobiles, tablettes, téléviseurs, radios et autres appareils de communication modernes.
On estime que plus d'un tiers de tous les appareils électroniques contiennent des semi-conducteurs à base de silicium.
Enfin, le carbure de silicium en alliage dur est utilisé dans diverses applications électroniques et non électroniques, notamment les bijoux synthétiques, les semi-conducteurs haute température, les céramiques dures, les outils de coupe, les disques de frein, les abrasifs, les gilets pare-balles et les éléments chauffants.
Sources:
Bref historique de la production d'alliages d'acier et de ferro-alliages.
URL: // www. urm-compagnie. com / images / docs / acier-alliage-histoire. pdf
Holappa, Lauri et Seppo Louhenkilpi.
Sur le rôle des alliages ferreux dans la sidérurgie.
Du 9 au 13 juin 2013. Treizième Congrès international des Ferroalloys. URL: // www. pyrométallurgie. co. za / InfaconXIII / 1083-Holappa. pdf
Suivez Terence sur Google+