材料領域“多面手”——硅
原創(chuàng)作者：王殿華 發(fā)布日期：2011年3月22日瀏覽次數(shù)：31 來源：《百科知識》 物理編輯
文章摘要：硅，是材料領域名副其實的“多面手”。從硅礦到工業(yè)硅、多晶硅、單晶硅、有機硅及其應用產(chǎn)品，具有很長的產(chǎn)業(yè)鏈，涉及的領域極為廣泛，而且利潤豐厚，正在成為我國新興產(chǎn)業(yè)的熱門領域。
【編者按】硅，是材料領域名副其實的“多面手”。從硅礦到工業(yè)硅、多晶硅、單晶硅、有機硅及其應用產(chǎn)品，具有很長的產(chǎn)業(yè)鏈，涉及的領域極為廣泛，而且利潤豐厚，正在成為我國新興產(chǎn)業(yè)的熱門領域。
硅
硅是地球上僅次于氧的第二多元素。1823年，瑞典人貝齊里烏斯，用氟化硅或氟硅酸鉀與鉀共熱，得到粉狀單質(zhì)硅。貝齊里烏斯將制得的硅在氧氣中燃燒，生成二氧化硅——硅土，由此硅才被確定為一種元素，并被命名為silicium，元素符號是Si.硅的化學性質(zhì)比較活潑，高溫下能與氧等多種元素化合，在自然界中主要以二氧化硅和硅酸鹽的形式存在，其質(zhì)量約占地表巖石的四分之一。建筑用的磚、瓦、砂石、水泥、玻璃，日常生活中使用的瓷碗、水杯，洗臉間的潔具，看上去雖截然不同，但其主要成分都是硅的化合物。
工業(yè)上，通常是在電爐中由碳還原二氧化硅制得單質(zhì)硅。電子工業(yè)中使用的高純硅則是用氫氣還原三氯氫硅或四氯化硅制得。硅有無定型與結(jié)晶兩種同素異型體，其中，結(jié)晶型的硅呈暗黑藍色，很脆，是典型的半導體，化學性質(zhì)非常穩(wěn)定：在常溫下，除氟化氫以外，很難與其他物質(zhì)發(fā)生反應。
用途廣泛的硅材料
硅鋁鐵合金
硅的用途十分廣泛，冶金、電子、軍工、建材、工程機械、醫(yī)藥、橡膠、化妝品、服裝等眾多行業(yè)都會用到它。其中，“硅片”已成為信息產(chǎn)業(yè)的核心材料。硅還是制作金屬陶瓷、太空飛船的重要材料。將陶瓷和金屬混合燒結(jié)制成的金屬陶瓷復合材料，耐高溫，富韌性，可切割，既繼承了金屬和陶瓷各自的優(yōu)點，又彌補了兩者的先天缺陷。人類第一架航天飛機哥倫比亞號能抵擋住高速穿越稠密大氣時因磨擦所產(chǎn)生的高溫，全靠它那31000塊硅瓦拼砌成的外殼。在光導纖維通信中，要用純二氧化硅拉制出高透明度的光導玻璃纖維。光纖通信容量高，一根頭發(fā)絲那么細的玻璃纖維，可以同時傳輸256路電話，它還不受電、磁干擾，不怕竊聽，具有良好的保密性能。光纖通信已使人類生活發(fā)生了革命性巨變。硅還可以制成性能優(yōu)異的有機硅化合物，習慣上稱之為有機硅。像有機硅塑料是極好的防水材料。在地下鐵道四壁噴涂有機硅，可以‘勞永逸地解決滲水問題。在古文物、雕塑的外表，涂一層薄薄的有機硅塑料，可以防止青苔滋生，抵擋風吹雨淋。天安門廣場上的人民英雄紀念碑表面，便經(jīng)過有機硅塑料處理，因此可以永保潔白。
太陽能與多晶硅的崛起
5n多晶硅
多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。熔融的單質(zhì)硅在過冷條件下凝固時，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，那么這些晶粒結(jié)合起來，就結(jié)晶成多晶硅。工業(yè)上，生產(chǎn)多晶硅的工藝是工業(yè)硅與氯氣、氫氣反應后生成三氯氫硅，再在氫氣中還原沉積而成。多晶硅與單晶硅的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)方面。比如，在力學性質(zhì)、光學性質(zhì)和熱學性質(zhì)的各向異性方面，多晶硅遠不如單晶硅明顯;在電學性質(zhì)方面，多晶硅晶體的導電性能也遠不如單晶硅顯著，甚至于幾乎沒有導電性，但多晶硅可作拉制單晶硅的原料，而單晶硅是一種重要的半導體材料，可用于制造大功率晶體管、整流器、液晶顯示屏、太陽能電池等。其中，它在太陽能電池方面的應用最為人所關注，被喻為光伏產(chǎn)業(yè)的“基石”。
太陽能多晶硅電池
太陽能利用分為直接利用太陽輻射中的熱能和太陽能發(fā)電技術(shù)兩部分，兩者中最重要的還是光伏產(chǎn)業(yè)，光伏行業(yè)中又以晶體硅電池為主。多晶硅片在太陽能電池中占成本的70%.太陽能界有得硅者得天下的說法。
太陽能因取之不盡、用之不竭，且無污染，被公認為人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要清潔能源，而儲存太陽光能，并將其轉(zhuǎn)化為電能的整個過程，都離不開高純度的多晶硅原材料。然而，每千克120美元的進口價格使得太陽能電池價格昂貴，讓不少人對這個高端太陽能產(chǎn)品“望而卻步”。
隨著集成電路制造與太陽能電池等產(chǎn)品對多晶硅需求的增長，我國多晶硅的自主供貨一直存在著嚴重的缺口。由于多晶硅的生產(chǎn)工藝比較復雜，純度要求高，目前國內(nèi)僅有四家企業(yè)能夠生產(chǎn)。而國內(nèi)多晶硅產(chǎn)量僅占世界總產(chǎn)量的0.4%，我國每年約有93%以上的多晶硅需要進口。近年來多晶硅市場售價的暴漲，已經(jīng)危及到我國多晶硅下游產(chǎn)業(yè)的正常運營，并成為制約我國信息產(chǎn)業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。
9n多晶硅
需求就是動力。在能源短缺，各國都十分注重對太陽能利用的大背景下，多晶硅產(chǎn)業(yè)具有廣闊的市場前景。制造太陽能電池須采用純度99.9999%以上的多晶硅材料，通常以“N”表示小數(shù)點之后的“9”.N越大，純度越高。我國科研人員經(jīng)過多年攻關，已經(jīng)試生產(chǎn)出99.999999%(6N)高純度的多晶硅。在不久的將來，這些價廉物美的“小太陽”，有望給千家萬戶的屋頂帶來新動力。在上海，有一個太陽能試點小區(qū)，那里已統(tǒng)一安裝了新型太陽能熱水器，用上了太陽能路燈、草坪燈和門牌照明等太陽能光電技術(shù)。
急速升溫的資源——硅礦
硅產(chǎn)業(yè)最上游原材料為硅礦，是以二氧化硅為主要成分的礦物資源，其主要類型有：脈石英、石英砂、石英砂巖、石英巖、石英質(zhì)礫石及硅藻土等。硅礦資源主要分布在寧夏石嘴山、湖北宜昌、廣西大化、四川峨眉等地。我國硅礦資源十分豐富，勘探表明，僅寧夏石嘴山市的遠景資源儲量就達42.8億千克，現(xiàn)年產(chǎn)硅石260萬千克。廣西大化瑤族自治縣境內(nèi)的地下硅礦儲量有2億千克以上。在這些硅礦中，二氧化硅含量達99.5%以上，最高可達到99.8%.大多數(shù)礦體類型簡單，礦脈大，容易開發(fā)，價值高。
目前市場上二氧化硅含量高于99.98%的高純石英砂價格為4600元/千克，二氧化硅含量高于99.99%的高純石英砂價格為8000元/千克；二氧化硅含量高于99.998%的高純硅微粉價格為12000元/千克，二氧化硅含量大于99.9995%的高純硅微粉價格高達18000元/千克。
高純石英砂、高純硅微粉價格雖然較高，但其最佳原材料水晶礦價格也非常昂貴，而且原料比較少。因此，利用質(zhì)量較好的硅礦開發(fā)高純石英砂、高純硅微粉，將成為我國多晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路。
作為高科技產(chǎn)業(yè)，利用硅礦開發(fā)多晶硅，產(chǎn)業(yè)耗能大，電力需求高，生產(chǎn)中電價成本占生產(chǎn)總成本的40%.在國家限制高耗能產(chǎn)業(yè)的大背景下，電價已成為我國大多數(shù)硅礦企業(yè)亟待突破的瓶頸之一。因此，偏遠地區(qū)更適合投產(chǎn)這類項目。
多晶硅產(chǎn)業(yè)盡管耗能大，但由于其產(chǎn)出能耗比也較高，每千瓦時產(chǎn)值可達到4元人民幣。如果政府制定了相應的電價優(yōu)惠政策，必然將推動多晶硅產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。
責任編輯：小歡
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本文標簽： 二氧化硅 元素符號 四氯化硅 多晶硅 材料多面手
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