硅及其化合物对人类文明的贡献

制造晶体硅的第一人是法国化学家亨利·德威尔,他首先制造了纯铝。1854年,德威尔用强力电池组电解石英砂和冰晶石的熔体,在阴极上得到了一种灰脆的颗粒状金属(硅铝合金)。当金属颗粒冷却时,析出具有金属光泽的片状晶体。通过实验,我们知道这种片状晶体的化学性质与硅粉的化学性质完全相同,所以我们确定这种片状晶体就是结晶硅。

硅是一种比锗更能经受住当今器件技术发展考验的半导体材料。1966年已生产40000公斤半导体级硅(单晶超纯硅,杂质含量小于1/109),从而制造40亿个元器件。到了1966,这个领域使用的硅量已经超过了锗量。

硅晶体管等元件组成的集成电路集成度越来越高,规模越来越大,而元件越来越小。一片直径75 mm的硅片可以集成几万到几十万甚至上百万个元件,形成微电子,从而出现了微型计算机和微处理器。

在铝衬底上生长一层10-25微米厚的多晶硅薄膜,是一种廉价、轻质的太阳能电池材料,适合在太空和地面使用。

硅是同位素电池换能器的主要材料。换能器是将同位素热源的热能转换成电能的装置。硅锗合金制成的换能器工作温度为1000oC,具有良好的机械性能和抗氧化性能,在高温下不易蒸发和中毒,可在真空和空气中工作。

航天飞机使用的耐热轻质硅瓦可以在航天飞机返回大气层时保护机身免受超过1000oC的高温。

天然橡胶和合成橡胶的使用温度一般在150oC以下,否则会老化变质。硅橡胶,发展于20世纪40年代,是一种以硅-氧-硅为主链的半无机高分子弹性体。它具有无机材料和有机材料的一些特性,应用温度范围广。硅橡胶具有优异的耐臭氧性、耐碱性、生理惰性(对人体无不良影响,可用作某些器官的修复材料,如人工关节)和电气性能。一些特殊结构的硅橡胶具有优异的耐油、耐溶剂、耐辐射等特性,因此硅橡胶被广泛应用于航空、航天技术、电气和电子行业。

用110-2甲基乙烯基硅橡胶作生胶,乙炔黑作填料,可制成导电橡胶,是电子表中连接集成电路和液晶屏的理想导电材料。

硅酸在水中可以形成凝胶,所以可以制备吸附剂——硅胶。硅胶是一种极性吸附剂,对H2O等极性物质有很强的吸附能力,工业上常用作干燥剂和吸附剂。

硅酸钠的水溶液称为硅酸钠,工业上称为硅酸钠。用硅酸钠浸泡过的木材和织物可以防腐,不易着火。

硅溶胶是以二氧化硅为基本单元的水分散体。在羊毛纺织过程中,可作为轻纺的上浆剂,降低羊毛纤维的断头率。涂层中含有硅溶胶,可以提高无机纤维材料的表面耐热性。

在搪瓷器皿制造业中,硅溶胶的加入可以降低膨胀系数,提高对四氟乙烯的附着力,在玻璃和玻璃陶瓷中也有同样的效果。如果在玻璃中加入25-30%的硅溶胶,可以制成高质量的硼硅酸盐玻璃。

有些钠硼硅酸盐玻璃(包括氧化钠、氧化硼和氧化硅)经过热处理和原子复合后,分离成两个不相溶的部分。一部分主要含有氧化硅,另一部分主要含有氧化钠和氧化硼。如果再次用酸处理,二氧化硅将不受酸的影响,而氧化钠和氧化硼将溶解在酸中,留下许多孔-微孔,从而制成广泛使用的微孔玻璃。

干燥并烧结微孔玻璃,得到高二氧化硅含量的透明玻璃。具有耐高温、热稳定性好、紫外线透过性强的优点。它在许多方面可以替代应时玻璃,适用于高温观察窗,如航天器上的观察窗。强迫它观察物体不会变形,因为它的光学均匀性也很好。

如果在普通钠铝硼硅酸盐玻璃中加入少量卤化银作为敏化剂,加入少量铜作为敏化剂,用常规玻璃工艺熔融,退火,适当处理,就可以制成卤化银光致变色玻璃。它会因光强不同而变色,在强光防护、显示器件、光学信息存储、车辆挡风玻璃等方面有重要用途。

纯硅晶体被称为应时。应时在1600℃熔化成粘稠液体,内部变得不规则。当它再次冷却时,由于它的高粘度,很难再结晶,它变成了应时玻璃。它有许多特殊的性质,如允许可见光和紫外光通过,可用于制作紫外灯和光学仪器;它的膨胀系数小,能承受温度的剧烈变化,耐酸性好(氢氟酸除外),所以常用来制造高级化学器皿。

医用激光配备的光能传输系统采用石英光纤制成,不仅精巧、轻便、灵活,还能把激光能量传入人体内脏进行治疗。

双快水泥是一种新型水泥,具有快凝快硬的特点。其浇注一天后的强度相当于普通水泥浇注7-28天的强度。可用于滑模施工、预应力混凝土构件和砌块的快速成型和脱模,也可作为自硬砂用于矿山巷道喷射混凝土或机械铸件的成型。

废轮胎等制成的海绵状弹性体。与强力胶乳液和水泥混合搅拌成为橡胶水泥。它克服了原混凝土的缺点,能防止开裂、起皮和吸水,可用于铺路和建筑。

SiC又叫碳化硅,也叫金刚砂。它具有类金刚石结构、高硬度和高分解温度,因此在工业中广泛用作磨料。

氮化硅陶瓷具有较高的强度和硬度,良好的抗热震性和耐化学腐蚀性,低摩擦系数和自润滑性,是优良的耐磨材料。氮化硅陶瓷制成的机械密封环经过数百到数千小时的运行,磨损更少,使用寿命比原材料提高几倍到十倍。

基于碳化硅陶瓷的碳化硅远红外辐射板加热到一定温度后,可辐射2-15微米以上的长波红外线,对远红外线有强吸收峰的有机物、高分子物质、含水物质的干燥效率高。目前这种碳化硅远红外辐射板已经应用在自行车、缝纫机、家具上;木材、皮革、纺织品、食品和谷物的干燥。