Металлический кремниевый порошок: марки, свойства и промышленное применение

Что такое кремниевый металлический порошок

Порошок металлического кремния получают путем дробления, измельчения и классификации металлического кремния, восстановленного из кварца в печи с погруженной дугой. В результате получается серый кристаллический порошок, содержание кремния в котором обычно составляет от 98% до 99,9%. Поскольку металлический кремний хрупок, его можно измельчить до узких размеров частиц, поэтому большинство промышленных покупателей указывают диапазон ячеек вместо одной широкой фракции.

Три характеристики определяют его ценность. Мелкие частицы создают большую удельную поверхность, поэтому порошок равномерно диспергируется в расплавах, полимерах и суспензиях. Элементарный кремний химически активен при повышенной температуре, что делает его полезным как в качестве восстановителя, так и в качестве сырья для синтеза. Кремний также образует стабильные соединения с алюминием, кислородом и углеродом, поэтому он служит легирующим элементом, а также технологическим реагентом.

Металлургическое применение: сплавы Al-Si и раскисление стали.

Металлургия является крупнейшим сектором потребления. Кремний является основной легирующей добавкой в ​​алюминиево-кремниевых отливках, таких как A356.0, марка, на которую распространяются спецификации литья, включая ASTM B26 и ASTM B108. Добавки кремния в диапазоне от 7% до 12% улучшают текучесть, уменьшают усадочную пористость и повышают износостойкость, поэтому сплавы Al-Si выбираются для блоков двигателей, головок цилиндров, корпусов трансмиссий и отливок в аэрокосмической отрасли. Порошковая форма быстро растворяется в расплаве и позволяет точно контролировать конечный уровень кремния.

В сталеплавильном производстве порошок металлического кремния используется для раскисления и легирования. Кремний имеет сильное сродство к кислороду, поэтому он ограничивает чрезмерное поглощение кислорода во время выпуска и литья. Он также является основой кремний-содержащих добавок, используемых в электротехнических и пружинных сталях, где контролируемое содержание кремния повышает удельное электрическое сопротивление и упругий отклик.

Применение в энергетике и химии: силиконы, солнечные элементы и батареи

Кремний химического качества является исходным материалом для метилхлорсиланов, которые затем перерабатываются в силиконы, герметики, клеи, антиадгезивы и эластомеры. По этому пути мелкодисперсный порошок кремния реагирует с метилхлоридом на медном катализаторе, и как распределение частиц по размерам, так и чистота поверхности порошка влияют на скорость и селективность реакции.

Кремний солнечного качества для фотоэлектрических пластин очищается от металлического кремния посредством этапов очистки, которые уменьшают содержание бора, фосфора и металлических примесей до очень низкого уровня, прежде чем материал кристаллизуется в слитки и разрезается на пластины. При хранении энергии порошок кремния используется в качестве активной фазы кремний-углеродных композитных анодов для литий-ионных элементов. Кремний хранит гораздо больше лития на единицу массы, чем графит, и он смешивается с углеродом, чтобы смягчить изменение объема, которое происходит во время зарядки и разрядки.

Порошковая металлургия, аддитивное производство и огнеупоры

Порошковая металлургия и металломатричные композиты:Порошок кремния смешивают с порошками алюминия или меди и спекают, что повышает твердость и теплопроводность готовой детали.

Аддитивное производство:измельченное или распыленное сырье,-содержащее кремний, используется для печати легких конструкционных деталей и компонентов терморегуляции.

Огнеупоры и расходные материалы для литейного производства:порошок добавляется в трамбовочные смеси, торкрет-материалы и покрытия для форм, где он действует как антиоксидант и повышает жаропрочность.

Электронные компоненты и датчики:Фракции с более низкой чистотой используются при производстве компонентов на основе кремния-и подложек датчиков, для которых не требуется материал полупроводникового качества.

Марки и типичные характеристики

Марки промышленного кремния обычно обозначаются четырехзначным-кодом, в котором указывается максимальное содержание железа, алюминия и кальция, в соответствии с системой обозначения GB/T 2881. В таблице ниже приведены распространенные металлургические марки.

Оценка	Fe, не более %	Al, не более %	Са, не более %	Типичное использование
Си-2202	0.20	0.20	0.02	Силиконы химической чистоты высокой чистоты.
Си-3303	0.30	0.30	0.03	Химический сорт, сырье для солнечной энергии
Си-441	0.40	0.40	0.10	Алюминиевые сплавы, общая металлургия
Си-553	0.50	0.50	0.30	Раскисление, огнеупоры, литейное производство

Размер частиц заказывается отдельно от химии. Обычные коммерческие фракции включают гранулы размером 0–1 мм, 1–3 мм и 3–10 мм, а также измельченные порошки размером -200 меш (около 74 микрон) и -325 меш (около 45 микрон). Химический синтез и применение аккумуляторов обычно требуют более мелких и лучше классифицированных фракций, в то время как легирование и огнеупорные работы могут использовать более крупный материал.

Отбор и проверка качества

Отбор начинается с последующего процесса. Производителю силикона необходимо низкое содержание железа и алюминия и строго контролируемый размер частиц; алюминиевый литейный завод больше всего заботится о характеристиках растворения и стабильном химическом составе; производитель огнеупоров обменивает чистоту на себестоимость. Покупатели также должны подтвердить содержание влаги и упаковку, поскольку запечатанные мешки по 25 кг или биг-бэги по 1000 кг предотвращают окисление и загрязнение во время морской перевозки. Сертификат партии, показывающий содержание Fe, Al и Ca, является обычным способом проверки поставленной партии.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Для чего используется металлический порошок кремния?
Основными сферами применения являются алюминиево-кремниевые-сплавы, раскисление и легирование стали, производство силикона и силана, сырье для солнечной энергетики, кремниевые-углеродные аноды для аккумуляторов, порошковая металлургия и огнеупорные смеси.

Вопрос: В чем разница между металлическим кремнием 553 и металлическим кремнием 441?
Цифры обозначают максимальное содержание железа, алюминия и кальция. Si-553 допускает содержание до 0,5% Fe, 0,5% Al и 0,3% Ca, тогда как Si-441 ограничивает их содержание до 0,4%, 0,4% и 0,1%, поэтому Si-441 является более чистым и дорогим сортом.

Вопрос: Какой размер частиц доступен?
Гранулы поставляются полосами размером 0–1 мм, 1–3 мм и 3–10 мм, а измельченный порошок поставляется с размерами -200 меш или -325 меш, с возможностью индивидуальной нарезки для конкретных процессов.

Вопрос: Является ли металлический порошок кремния таким же, как порошок ферросилиция?
Нет. Порошок металлического кремния близок к элементарному кремнию, тогда как ферросилиций представляет собой сплав железа-кремния, который содержит значительное количество железа и обычно используется для раскисления и легирования стали.

Вопрос: Можно ли использовать металлический порошок кремния в батареях?
Да. В кремний-углеродных композитных анодах в качестве активной фазы высокой емкости используется кремниевый порошок, смешанный с углеродом для контроля расширения во время циклирования.

Вопрос: Как следует хранить порошок?
Держите его сухим и запечатанным. Влага и длительное воздействие воздуха могут окислить поверхность мелких частиц и изменить поведение порошка в химических и металлургических процессах.