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内容导航:1、“硅”世界:硅、二氧化硅和石英2、硅有哪些用途3、硅有什么特性和用途?4、硅有哪些用途?1、“硅”世界:硅、二氧化硅和石英
提及硅,你会想到什么?
石英?手表?玻璃?光伏?半导体?
“硅”是什么?它与二氧化硅、石英又有何关系?
硅:自然界中分布很广的一种元素
硅,英语Silicon、中国大陆译为硅〔ɡuī〕、台港澳译为矽〔xī〕,是一种化学元素,其化学符号为Si,原子序数为14,原子量为28.085u。
硅是元素周期表上第三周期IVA族的非金
硅是地壳中第二丰富的元素,仅次于氧,其丰度值为27.72%。
地壳中的元素丰度
硅以元素型态分布在地壳是非常罕见的,它常以二氧化硅(Silicon dioxide)或硅酸盐(Silicates)等多样的形式分布于土壤和岩石中。
二氧化硅
SiO2在地壳中所占的质量分数高达60%-65%。SiO2存在形态有结晶形和无定形两大类,统称硅石。
二氧化硅天然矿物通常包括结晶态二氧化硅矿物石英、脉石英、粉石英和无定形矿物硅藻土。
二氧化硅晶体结构是SiO4(硅-氧四面体)的连续框架,其中每个氧在两个四面体之间共享,得到SiO2的总化学式。
二氧化硅晶体结构示意图
此外,二氧化硅不仅包括天然矿物,也包括各种合成产品。合成产品主要是白炭黑(无定形二氧化硅),包括气相白炭黑(气相二氧化硅)、沉淀白炭黑(沉淀二氧化硅)。
硅酸盐
由硅、氧、金属元素等元素组成的化合物的总称。大多数硅酸盐都难溶于水,少数可溶,最常见的可溶的硅酸盐是:Na2SiO3,俗称水玻璃、泡花碱。
硅酸盐组成表示:活泼金属氧化物-较活泼金属氧化物-二氧化硅-水。高岭石Al(Si2O5)(OH)4,镁橄榄石Mg2SiO4,钙沸石Ca(Al2Si3O10)3H2O,云母KAl2(AlSi3O10)(OH)2等都属于硅酸盐。
三大传统硅酸盐工业为:玻璃、陶瓷、水泥。
石英
地壳中二氧化硅主要以石英(Quartz)等矿物的形式存在,石英在地壳中分布是仅次于长石的矿物,占到地壳重量的12.6%。
石英依据形态分为结晶形的显晶质石英和隐晶质石英/微晶质石英以及非晶质石英三类。
石英(SiO2)的不同形态
依自然结晶的晶体结构不同,石英有三种同质多晶变体,石英、鳞石英和方石英。
又根据成矿温度的高低,将这三种同质多晶变体各自分成α和β两组、共七个变体。高温β石英生成温度大于(573–870℃),属六方晶系;低温α石英生成温度低于573℃,属三方晶系。
石英的多晶转变
此外,SiO2还有多个人工合成变体,如柯石英(Coesite)、斯石英(Stishovite)、凯石英(Keqtite)和W-SiO2(亦称纤维二氧化硅)等。而我们常说、也常见的石英就是低温α石英。
α石英(左)和β石英(右)的晶体结构图
目前能够作为工业应用的石英矿物资源主要有7种矿床工业类型: 天然水晶、石英砂岩、石英岩、脉石英、粉石英、天然石英砂和花岗岩石英。
硅-石英的应用
从自然界的沙子到生活中的石英表,从晶莹剔透的水晶玛瑙到古朴典雅的陶瓷,从工业到科技,从原子到航天宇宙……这些都是以硅为中心的物质。可以说硅是自然界最全能的材料。
石英硅产业是硅时代最重要的产业之一,石英是硅时代最重要的矿物资源之一。
石英矿物原料工业应用的一个显著特点是同时存在三种形式:利用矿物晶体固有的物理和化学性质,如3D打印砂、结晶硅微粉等;提供有用化学成分,是硅酸盐材料的最基本原料;冶炼提取有用元素Si,目前是金属硅及其提纯加工产物多晶硅和单晶硅的唯一原料。
石英工业应用的三种形态
工业上利用石英一般是把它们磨成各种规格的“石英砂”。石英砂按品质可分为:普通石英砂、精制石英砂、高纯石英砂、熔融石英砂及硅微粉等。
由硅矿石和碳质还原剂在矿热炉内冶炼成的产品工业硅是硅产业的基础材料,是光伏、有机硅、合金等下游产业的核心原料。
含硅材料产业链流程图
除了传统玻璃、建材、铸造、研磨、橡胶、油漆、电子、陶瓷等领域的应用,国内重点区域安徽、新疆等均在大力发展硅基新材料产业,如半导体材料、新型显示材料、新能源材料等。
来源:安徽省“十四五”新材料产业发展
可以说,基于硅资源深加工的硅材料产业是全球性的朝阳产业和战略性产业,发展势头迅猛。
2、硅有哪些用途
1、硅是电子工业超纯硅的原料,超纯半导体单晶硅做的电子器件具有体积小、重量轻、可靠性好和寿命长等优点。掺有特定微量杂质的硅单晶制成的大功率晶体管、整流器及太阳能电池,比用锗单晶制成的好。
2、非晶硅太阳能电池研究进展很快,转换率达到了8%以上。硅钼棒电热元件最高使用温度可达1700℃,具有电阻不易老化和良好的抗氧化性能。
3、用硅生产的三氯氢硅,可配制几百种硅树脂润滑剂和防水化合物等。此外,碳化硅可作磨料,高纯氧化硅制作的石英管是高纯金属冶炼及照明灯具的重要材料。
4、硅构筑植物的重要元素。硅是植物重要的营养元素,大部分植物体内含有硅。表明,硅在植物干物质中占的比例为0.1-20%。
5、硅是品质元素。有改善农产品品质的作用,并有利于贮存和运输。硅能调节作物的光合作用和蒸腾作用,提高光合效率,增强作物的抗旱、抗干热风和抗低温能力。
硅肥可增强作物对病虫害的抵抗力,减少病虫危害。作物吸收硅后,在体内形成硅化细胞,使茎叶表层细胞壁加厚,角质层增加,从而提高防虫抗病能力。硅肥可提高作物抗倒伏。由于作物的茎秆直,使抗倒伏能力提高80%左右。
硅肥可使作物体内通气性增强。作物体内含硅量增加,使作物导管刚性加强,促使通气性,不但可促进作物根系生长,还可预防根系的腐烂和早衰。
6、微孔硅钙保温材料微孔硅钙保温材料是一种优良的保温材料。它具有热容量小、机械强度高、导热系数低、不燃烧、无毒无味、可切割、运输方便等特点,可广泛用于冶金、电力、化工、船舶等各种热力设备及管道上。
扩展资料
1、常见硅酸盐产品
陶瓷、玻璃、水泥是使用量最大的传统无机非金属材料。
玻璃原料:纯碱、石灰石和石英。
水泥:是一种非常重要的建筑材料。原料:黏土、石灰石。
陶瓷:人类应用最早的硅酸盐材料。原料:黏土。
陶瓷具有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等许多优点,因此,陶瓷制品一直为人们所喜爱。
2、新型无机非金属材料
高温结构陶瓷:氮化硅Si3N4、碳化硅SiC,俗名金刚砂。
生物陶瓷:Al2O3、ZrO2。
压电陶瓷:钛酸钡BaTiO3、钛酸铅PbTiO3。
特征:耐高温、强度高;具有电学性质;具有光学性质;具有生物功能。
参考资料来源:百度百科-硅
3、硅有什么特性和用途?
晶体硅为钢灰色,无定形硅为黑色,密度2.4克/立方厘米,熔点1420℃,沸点2355℃,晶体硅属于原子晶体,硬而有光泽,有半导体性质。硅的化学性质比较活泼,在高温下能与氧气等多种元素化合,不溶于水、硝酸和盐酸,溶于氢氟酸和碱液,用于造制合金如硅铁、硅钢等,单晶硅是一种重要的半导体材料,用于制造大功率晶体管、整流器、太阳能电池等。硅在自然界分布极广,地壳中约含27.6%,
结晶型的硅是暗黑蓝色的,很脆,是典型的半导体。化学性质非常稳定。在常温下,除氟化氢以外,很难与其他物质发生反应。
硅的用途:
①高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素,形成p型硅半导体;掺入微量的第VA族元素,形成n型和p型半导体结合在一起,就可做成太阳能电池,将辐射能转变为电能。在开发能源方面是一种很有前途的材料。另外广泛应用的二极管、三极管、晶闸管和各种集成电路(包括我们计算机内的芯片和CPU)都是用硅做的原材料。
②金属陶瓷、宇宙航行的重要材料。将陶瓷和金属混合烧结,制成金属陶瓷复合材料,它耐高温,富韧性,可以切割,既继承了金属和陶瓷的各自的优点,又弥补了两者的先天缺陷。可应用于军事武器的制造第一架航天飞机“哥伦比亚号”能抵挡住高速穿行稠密大气时摩擦产生的高温,全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。
③光导纤维通信,最新的现代通信手段。用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维,激光在玻璃纤维的通路里,无数次的全反射向前传输,代替了笨重的电缆。光纤通信容量高,一根头发丝那么细的玻璃纤维,可以同时传输256路电话,它还不受电、磁干扰,不怕窃听,具有高度的保密性。光纤通信将会使21世纪人类的生活发生革命性巨变。
④性能优异的硅有机化合物。例如有机硅塑料是极好的防水涂布材料。在地下铁道四壁喷涂有机硅,可以一劳永逸地解决渗水问题。在古文物、雕塑的外表,涂一层薄薄的有机硅塑料,可以防止青苔滋生,抵挡风吹雨淋和风化。天安门广场上的人民英雄纪念碑,便是经过有机硅塑料处理表面的,因此永远洁白、清新。
有机硅化合物,是指含有Si-O键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物,习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物也当作有机硅化合物。其中,以硅氧键(-Si-0-Si-)为骨架组成的聚硅氧烷,是有机硅化合物中为数最多,研究最深、应用最广的一类,约占总用量的90%以上。
4、硅有哪些用途?
硅的应用简介
硅的原子结构决定了硅原子具有一定的导电性,但由于硅晶体中没有明显的自由电子,因此导电率不及金属,且随温度升高而增加,因而具有半导体性质。国际上通常把商品硅分成金属硅和半导体硅,金属硅主要用来制作多晶硅、单晶硅、硅铝合金及硅钢合金的化合物。半导体硅用于制作半导体器件。总体来讲,硅主要用来制作高纯半导体、耐高温材料、光导纤维通信材料、有机硅化合物、合金等,被广泛应用于航空航天、电子电气、建筑、运输、能源、化工、纺织、食品、轻工、医疗、农业等行业。
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