硅元素,原子序数14,原子量28.0855, 硅有晶态和无定形两种形式。晶态硅具有金刚石晶格,硬而脆,熔点1410°C,沸点2355°C,密度2.32~2.34克/厘米3,硬度为7。无定形硅是一种灰黑色粉末,实际是微晶体。晶态硅的电导率不及金属,且随温度升高而增加,具有明显的半导体性质。
中文名称 | 硅 | 外文名称 | silicon |
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类别 | 非金属单质 | 化学式 | Si |
颜色 | 灰黑色 | 光泽 | 有明显的金属光泽 |
透明度 | 不透明 | 硬度 | 7 |
晶体惯态 | 晶体 无定型 | 矿物密度 | 2.33g/cm3 |
比重 | 2.33(18℃) | 溶解度 | 低 |
应用 | 半导体材料,配制合金 | 分布 | 主要以二氧化硅和硅酸盐的形式出现在地壳中 |
原子量 | 28.0855 | 熔点 | 1410°C |
沸点 | 2355°C | 电阻率 | 2140Ω.m |
特殊 | 亲氧元素 | 液体密度 | 2.42g/cm3 |
1) Si原子上充足的甲基将高能量的聚硅氧烷主链屏蔽起来;
(2) C-H无极性,使分子间相互作用力十分微弱;
(3) Si-O键长较长,Si-O-Si键键角大。
(4) Si-O键是具有50%离子键特征的共价键(共价键具有方向性,离子键无方向性)。
由于有机硅独特的结构,兼备了无机材料与有机材料的性能,具有表面张力低、粘温系数小、压缩性高、气体渗透性高等基本性质,并具有耐高低温、电气绝缘、耐氧化稳定性、耐候性、难燃、憎水、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等优异特性,广泛应用于航空航天、电子电气、建筑、运输、化工、纺织、食品、轻工、医疗等行业,其中有机硅主要应用于密封、粘合、润滑、涂层、表面活性、脱模、消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等。随着有机硅数量和品种的持续增长,应用领域不断拓宽,形成化工新材料界独树一帜的重要产品体系,许多品种是其他化学品无法替代而又必不可少的。
有机硅材料按其形态的不同,可分为:硅烷偶联剂(有机硅化学试剂)、硅油(硅脂、硅乳液、硅表面活性剂)、高温硫化硅橡胶、液体硅橡胶、硅树脂、复合物等。
定义:金属硅又称结晶硅或工业硅,其主要用途是作为非铁基合金的添加剂。 硅是非金属元素,呈灰色,有金属色泽,性硬且脆。硅的含量约占地壳质量的26%;原子量为28.80;密度为2.33g/m3;熔点为1410C;沸点为2355C;电阻率为2140Ω.m。
金属硅的牌号:按照金属硅中铁、铝、钙的含量,可把金属硅分为553、441、411、421、3303、3305、2202、2502、1501、1101等不同的牌号。
金属硅的附加产品:包括硅微粉,边皮硅,黑皮硅,金属硅渣等。其中硅微粉也称硅粉、微硅粉或硅灰,它广泛应用于耐火材料和混凝土行业。
金属硅的用途:金属硅(Si)是工业提纯的单质硅,主要用于生产有机硅、制取高纯度的半导体材料以及配制有特殊用途的合金等。
(1)生产硅橡胶、硅树脂、硅油等有机硅。
硅橡胶弹性好,耐高温,用于制作医疗用品、耐高温垫圈等。
硅树脂用于生产绝缘漆、高温涂料等。
硅油是一种油状物,其粘度受温度的影响很小,用于生产高级润滑剂、上光剂、流体弹簧、介电液体等,还可加工成无色透明的液体,作为高级防水剂喷涂在建筑物表面。
(2)制造高纯半导体
现代化大型集成电路几乎都是用高纯度金属硅制成的,而且高纯度金属硅还是生产光纤的主要原料,可以说金属硅已成为信息时代的基础支柱产业。
(3)配制合金
硅铝合金是用量最大的硅合金。硅铝合金是一种强复合脱氧剂,在炼钢过程中代替纯铝可提高脱氧剂利用率,并可净化钢液,提高钢材质量。硅铝合金密度小,热膨胀系数低,铸造性能和抗磨性能好,用其铸造的合金铸件具有很高的抗击冲击能力和很好的高压致密性,可大大提高使用寿命,常用其生产航天飞行器和汽车零部件。
硅铜合金具有良好的焊接性能,且在受到冲击时不易产生火花,具有防爆功能,可用于制作储罐。
钢中加入硅制成硅钢片,能大大改善钢的导磁性,降低磁滞和涡流损失,可用其制造变压器和电机的铁芯,提高变压器和电机的性能。
随着科学技术的发展,金属硅的应用领域还将进一步扩大。
金属硅的主要产区:金属硅主要分布在西南地区的云南,四川,贵州,广西,华中的湖南,湖北,华东的福建地区,东北地区主要是黑龙江的黑河,临江地带,吉林和辽宁,内蒙古,其中陕西青海等地也有厂家生产。
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(包括计算机内的芯片基板和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。
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以山柚柑(Acronychia pedunculata)作为研究树种,采用高温炉灰化法,将山柚柑木材样品灰化,利用X射线电子能谱仪(XPS)对灰化样品进行扫描,根据特征峰判定木材样品的矿质元素为硅。根据样品的硅、碳面积比,做半定量分析,分析样品硅元素的分布情况。结果表明:山柚柑样品中的硅元素轴向分布由下至上随高度呈减少趋势;径向分布从边材向心材呈增加趋势。
本文采用混料回归设计调整配方,探讨了钛酸型不锈钢焊条冶金过程中硅元素的过渡规律及影响因素。结果表明,焊条药皮中含量较多的硅铝酸盐是熔敷金属增硅的主要原因。一定量的合金粉对焊缝成分有一定的稀释降硅作用。稀土镁合金对硅的还原反应有较强的抑制能力。赤铁矿和氟化稀土分别在其最佳加入量时,熔敷金属中的硅含量最低。
在全民大热的人工智能环境下,很多人提出如今的碳基生命(地球生物)会被未来的硅基生命所替代,这样的论调被大部分人嗤之以鼻,但是仔细想想,未来硅基生命的存在形态还未知,又怎能断定它们不会存在?
不相信硅基生命存在的人他们的想法是:硅虽然是地球上仅次于氧元素在地壳中含量第二高的元素,但是它的存在形式以及氧化物的存在形式都是固态的,这样的元素如果成为生命个体的主要基础,恐怕连呼吸作用都无法实现,所以形成硅基生命的观点非常可笑。
相信硅基生命存在的人他们的想法也是值得人们去深思的。他们认为:硅基生命既然无法完成呼吸作用,那么有没有可能硅基生命根本就不需要呼吸?人们被固定的思维捆绑着,只想着硅基生命或许会以地球生物一样的形态存在于世界上,却忽略了形成生命的基础元素不同,生命形态和生存方式也会不同。
如果按照后者的思维去想象,现在人工智能已经在硅基基础上进行发展,那么在未来硅基生命会不会就是人工智能变成“生命”的一种媒介?
很多科幻电影中的智能生物要么来自其他星球,要么来自人类创造,他们可以不用呼吸不用吃饭、不用睡觉就能像地球生物一样存活,因为它们或者用电,或者用其他能力支撑它们的生命力。
所以,大家应该相信硅基生命是一定会存在的,它或许现在就已经出现在你的身边,但是你不自知,但是未来的某一天,它们一定会大量出现,并且成为这个世界上不可或缺的生命之源
在地壳的元素含量中除了氧元素约占48.6%,硅元素是地壳元素含量第二高的元素,这也意味着人们可以大量开发和使用硅元素。
众所周知,地球上的生命最重要的组成元素是碳,而碳与硅在元素周期表中同处第四主族,两种元素之间存在着一些相似的地方。硅与碳的相似让不少科学家相信,硅元素或许有成为构成生命体的可能,因为硅元素可以形成生命基础所需的长链分子。比如:DNA和蛋白质。
难道硅基生命的形成真的这么容易吗?或许还有一个重要的关卡需要突破,那就是碳元素在地球生物呼吸作用的时候会被氧化成二氧化碳气体,它可以轻松的从生命体体内排出。对于硅元素来说,当硅形成氧化物时却是固体物质,这对于生命体的排出造成了一种困难,当硅基生命存在的时候,它的生存方式或许将与碳基生命有着极大的差异。
当然,从一开始人们的思维就被地球生命形态给固定住,如果真的存在硅基生命,或许它们的存活条件根本不是氧气,而是另外一种元素或另外一种状态。
在全球都在发展人工智能的时代背景下,众多智能技术代码写进了硅基芯片当中,硅作为芯片最主要的一种媒介,它的处理工艺经过几十年的发展已经越发成熟,以硅为基础载体的“硅基生命”也有了它的初步发展形态。
随着硅基在智能技术方向上的广泛应用,“硅基生命”的形态已经不再是人们传统意义上想象的与地球生物相似的一种存在,而且它的发展速度也比地球生物的进化速度快了很多。硅基生命在这样强大的生命力下终会形成一种硅基文明,而这种文明的发展将无可阻挡。
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地壳中含量达25.8%的硅元素,为单晶硅的生产提供了取之不尽的源泉。由于硅元素是地壳中储量最丰富的元素之一,对太阳能电池这样注定要进入大规模市场(mass market)的产品而言,储量的优势也是硅成为光伏主要材料的原因之一。