O silício metálico é um metal semicondutor cinza e brilhante que é usado para fazer aço, células solares e microchips. O silício é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre (atrás apenas do oxigênio) e o oitavo mais comum no universo. Quase 30 por cento do peso da crosta terrestre pode ser atribuído ao silício.
Esse elemento de número atômico 14 ocorre naturalmente em minerais silicatados como sílica, feldspato e mica, que são os principais componentes de rochas comuns como quartzo e arenito. O silício, um semimetal (ou metalóide), possui algumas propriedades de metais e não metais.
Como a água, mas ao contrário da maioria dos metais, o silício se contrai em estado líquido e se expande quando solidifica. Possui pontos de fusão e ebulição relativamente altos e, quando cristalizado, forma uma estrutura cristalina cúbica de diamante. A estrutura atômica do silício, que inclui quatro elétrons de valência que permitem que o silício se ligue facilmente a outros elementos, é fundamental para sua função como semicondutor e seu uso em eletrônica.
Propriedades
Símbolo Atômico: Sim
Número atômico: 14
Categoria do elemento: Metalóide
Densidade: 2.329g/cm3
Ponto de fusão: 2577 graus F (1414 graus)
Ponto de ebulição: 5909 graus F (3265 graus)
Dureza de Moh: 7
Produção
A maior parte do silício refinado a cada ano, cerca de 80%, é produzido como ferrossilício para uso na fabricação de ferro e aço. O ferrosilício pode conter entre 15 e 90 por cento de silício, dependendo das necessidades da fundição.
A liga ferro-silício é produzida em um forno elétrico a arco submerso usando fundição por redução. Minério rico em sílica e uma fonte de carbono, como carvão de coque (carvão metalúrgico) são triturados e carregados no forno junto com a sucata.
Em temperaturas acima de 1900 graus (3450 graus F), o carbono reage com o oxigênio presente no mineral, formando o gás monóxido de carbono. Enquanto isso, o ferro e o silício restantes se combinam para formar ferro-silício fundido, que pode ser coletado batendo no fundo do forno. Uma vez resfriado e endurecido, o ferrosilício pode ser embarcado e utilizado diretamente na fabricação de ferro e aço.
O mesmo método, sem incluir o ferro, é usado para produzir silício de grau metalúrgico com pureza superior a 99%. O silício metalúrgico também é usado na fundição de aço, bem como na fabricação de ligas de alumínio fundido e produtos químicos de silano.
O silício metalúrgico é classificado pelos níveis de impureza de ferro, alumínio e cálcio presentes na liga. Por exemplo, o silício metálico 553 contém menos de 0,5 por cento de cada um dos metais, ferro e alumínio, e menos de 0,3 por cento de cálcio.
Cerca de 8 milhões de toneladas de ferro-silício são produzidas em todo o mundo a cada ano, com a China respondendo por cerca de 70% desse total. Os principais produtores incluem Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials e Elkem.
Outros 2,6 milhões de toneladas de silício metalúrgico são produzidos anualmente, ou seja, cerca de 20% do total de silício metálico refinado. A China, novamente, responde por cerca de 80% dessa produção. Uma surpresa para muitos é que os graus de silício solar e eletrônico representam apenas uma pequena quantidade (menos de dois por cento) de toda a produção de silício refinado. Para mudar para silício metálico de grau solar (polissilício), a pureza deve aumentar para mais de 99,9999 por cento (6N) de silício puro. Isso é feito por um dos três métodos, sendo o mais comum o processo da Siemens.
O processo da Siemens envolve a deposição de vapor químico de um gás volátil conhecido como triclorossilano. O triclorossilano é soprado a 1150 graus (2102 graus F) em uma semente de silício de alta pureza montada na extremidade de uma haste. À medida que passa sobre ele, o silício de alta pureza no gás é depositado na semente.
O reator de leito fluidizado (FBR) e a tecnologia de silício de grau metalúrgico aprimorado (UMG) também são usados para transformar metal em polissilício adequado para a indústria fotovoltaica. Em 2013, foram produzidas 230.000 toneladas de polissilício. Os principais produtores são GCL Poly, Wacker-Chemie e OCI.
Finalmente, para que o silício de grau eletrônico seja adequado para uso na indústria de semicondutores e certas tecnologias fotovoltaicas, o polissilício deve ser convertido em silício monocristalino ultrapuro usando o processo de Czochralski. Para fazer isso, o polissilício é derretido em um cadinho a 1425 graus (2597 graus F) em uma atmosfera inerte. Um cristal de semente montado em uma haste é então imerso no metal fundido e lentamente girado e removido, dando tempo para o silício crescer no material da semente.
O produto resultante é uma haste (ou boule) de silício metálico de cristal único que pode atingir 99,999999999 (11N) por cento de pureza. Esta haste pode ser dopada com boro ou fósforo, conforme necessário, para modificar as propriedades da mecânica quântica. A haste monocristalina pode ser enviada aos clientes como está ou cortada em wafers e polida ou texturizada para usuários específicos.
Formulários
Embora cerca de dez milhões de toneladas métricas de ferrosilício e silício metálico sejam refinados a cada ano, a maior parte do silício usado comercialmente está na forma de minérios de silício, que são usados na fabricação de tudo, desde cimento, argamassa e cerâmica, até vidro e polímeros.
Ferrossilício, como observado, é a forma mais amplamente utilizada de silício metálico. Desde que foi usado pela primeira vez há cerca de 150 anos, o ferrosilício continua sendo um importante agente desoxidante na produção de aço carbono e aço inoxidável. Hoje, a fundição de aço continua sendo o maior consumidor de ferrossilício.
No entanto, o ferrosilício tem outros usos além da fabricação de aço. É uma pré-liga na produção de ferrossilício de magnésio, um peletizador usado para produzir ferro dúctil, bem como durante o processo Pidgeon para refinar magnésio de alta pureza. O ferrosilício também pode ser usado para fazer ligas de silício ferroso resistentes ao calor e à corrosão, bem como o aço silício, que é usado na fabricação de motores elétricos e núcleos de transformadores.
O silício metalúrgico pode ser usado na indústria siderúrgica e como agente de liga na fundição de alumínio. As autopeças de alumínio-silício (Al-Si) são mais leves e mais fortes do que as peças fundidas de alumínio puro. Autopeças como blocos de motor e aros são algumas das peças de alumínio-silício mais amplamente fundidas.
Quase metade do silício metalúrgico é usado na indústria química para fazer sílica pirogenada (um agente espessante e de secagem), silanos (um agente de acoplamento) e silicone (selantes, adesivos e lubrificantes). O polissilício fotovoltaico é usado principalmente na fabricação de células solares de polissilício. Cerca de cinco toneladas de polissilício são necessárias para fazer um megawatt de módulos solares.
Atualmente, a tecnologia solar de polissilício responde por mais da metade da energia solar produzida no mundo, enquanto a tecnologia de monossilício contribui com cerca de 35%. No total, 90% da energia solar usada pelos humanos é coletada por tecnologia baseada em silício.
O silício monocristalino também é um material semicondutor fundamental na eletrônica moderna. Como um material de substrato usado na produção de transistores de efeito de campo (FETs), LEDs e circuitos integrados, o silício é encontrado em praticamente todos os computadores modernos, telefones celulares, tablets, televisores, rádios e outros dispositivos de comunicação. Estima-se que mais de um terço de todos os dispositivos eletrônicos contenham tecnologia de semicondutores à base de silício.
Finalmente, o carboneto de silício de liga dura é usado em uma ampla variedade de aplicações eletrônicas e não eletrônicas, como jóias sintéticas, semicondutores de alta temperatura, cerâmica dura, ferramentas de corte, discos de freio, abrasivos, etc. coletes à prova de bala e elementos de aquecimento.
