Кремний

Силицированный графит

Силицированный графит, графит, насыщенный кремнием. Производится обработкой пористого графита в кремниевой засыпке при 1800—2200 °С (при этом пары кремния осаждаются в порах). Состоит из графитовой основы, карбида кремния и свободного кремния. Сочетает свойственную графиту высокую термостойкость и прочность при повышенных температурах с плотностью, газонепроницаемостью, высокой стойкостью к окислению при температурах до 1750°С и эрозионной стойкостью. Применяется для футеровки высокотемпературных печей, в устройствах для разливки металла, в нагревательных элементах, для изготовления деталей авиационной и космической техники, работающих в условиях высоких температур и эрозии

Силал

Силал (от лат. Silicium — кремний и англ. alloy — сплав), жаростойкий чугун с повышенным содержанием кремния (5—6%). В СССР выпускаются 2 разновидности С. — с пластинчатым и шаровидным графитом. Из С. изготовляют относительно дешёвые литые детали, работающие в условиях высоких температур (800—900 °С), например дверки мартеновских печей, колосники, детали паровых котлов.

Силумин

Силумин (от лат. Silicium — кремний и Aluminium — алюминий), общее название группы литейных сплавов на основе алюминия, содержащих кремний (4—13%, в некоторых марках до 23%). В зависимости от желательного сочетания технологических и эксплуатационных свойств С. легируют Cu, Mn, Mg, иногда Zn, Ti, Be и другими металлами. С. обладают высокими литейными и достаточно высокими механическими свойствами, уступая, однако, по механическим свойствам литейным сплавам на основе системы Al — Cu. К достоинствам С. относится их повышенная коррозионная стойкость во влажной и морской атмосферах. С. применяются при изготовлении деталей сложной конфигурации, главным образом в авто- и авиастроении. В СССР выпускается С. марок АЛ2, АЛ4, АЛ9 и др.

Силикомарганец

Силикомарганец ферросплав основные компоненты которого — кремний имарганец; выплавляется в рудно-термических печах углевосстановительным процессом. С. с 10—26% Si (остальное Mn, Fe и примеси), получаемый из марганцевой руды, марганцевого шлака и кварцита, используется при выплавке стали как раскислитель и легирующая присадка, а также для выплавки ферромарганца с пониженным содержанием углерода силикотермическим процессом. С. с 28—30% Si (сырьём для которого служит специально получаемый высокомарганцевый низкофосфористый шлак) применяется в производстве металлического марганца.

Силикохром

Силикохром, ферросиликохром, ферросплав, основные компоненты которого — кремний и хром; выплавляется в рудно-термической печи углевосстановительным процессом из кварцита и гранулированного передельного феррохрома или хромовой руды. С. с 10—46% Si (остальное Cr, Fe и примеси) используется при выплавке низколегированной стали, а также для получения феррохрома с пониженным содержанием углерода силикотермическим процессом. С. с 43—55% Si применяется в производстве безуглеродистого феррохрома и при выплавке нержавеющей стали.

Сильхром (от лат. Silicium — кремний и Chromium — хром), общее название группы жаростойких и жаропрочных сталей, легированных Cr (5—14%) и Si (1—3%). В зависимости от требуемого уровня эксплуатационных свойств С. дополнительно легируют Mo (до 0,9%) или Al (до 1,8%). С. устойчивы против окисления на воздухе и в содержащих серу средах до 850—950 °С; применяются главным образом для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания, а также деталей котельных установок, колосников и др. При повышенных механических нагрузках детали из С. надёжно работают в течение длительного срока при температурах до 600—800 °С. В СССР выпускается С. марок 4Х9С2, 4X10C2M и др.

Кремния галогениды

Кремния галогениды, соединения кремния с галогенами. Известны К. г. следующих типов (Х-галоген): SiX4 , SiHn X4-n (галогенсиланы), Sin X2n+2 и смешанные галогениды, например SiClBr3 . При обычных условиях SiF4 — газ, SiCl4 и SiBr4 — жидкости (tпл — 68,8 и 5°С), SiI4 — твёрдое тело (tnл 124°С). Соединения SiX4 легко подвергаются гидролизу: SiX4 +2H2 O=SiO2 +4HX; на воздухе дымят вследствие образования очень мелких частиц SiO2 ; тетрафторид кремния реагирует иначе: 3SiF4 +2H2 O=SiO2 +2H2 SiF6 . Хлорсиланы (SiHn X4-n ), например SiHCl3 (получается действием газообразного HCl на Si), при действии воды образуют полимерные соединения с прочной силоксановой цепью Si—O—Si. Отличаясь большой реакционной способностью, хлорсиланы служат исходными веществами для получения кремнийорганических соединений. Соединения типа Sin X2n+2 , содержащие цепи атомов Si, при Х — хлор, дают ряд, включая Si6 Cl14 (tnл 320°С); остальные галогены образуют только Si2 X6 . Получены соединения типов (SiX2 ) n и (SiX) n . Молекулы SiX2 и SiX существуют при высокой температуре в виде газа и при резком охлаждении (жидким азотом) образуют твёрдые полимерные вещества, нерастворимые в обычных органических растворителях.

Тетрахлорид кремния SiCl4 используется при производстве смазочных масел, электроизоляций, теплоносителей, гидрофобизирующих жидкостей и т. д.

Карбид кремния.

Кремния карбид, карборунд, SiC, соединение кремния с углеродом; один из важнейших карбидов, применяемых в технике. В чистом виде К. к. — бесцветный кристалл с алмазным блеском; технический продукт зелёного или сине-чёрного цвета. К. к. существует в двух основных кристаллических модификациях — гексагональной (a-SiC) и кубической (b-SiC), причём гексагональная является «гигантской молекулой», построенной по принципу своеобразной структурно-направленной полимеризации простых молекул. Слои из атомов углерода и кремния в a-SiC размещены относительно друг друга по-разному, образуя много структурных типов. Переход b-SiC в a-SiC происходит при температуре 2100—2300°С (обратный переход обычно не наблюдается). К. к. тугоплавок (плавится с разложением при 2830°С), имеет исключительно высокую твёрдость (микротвёрдость 33400 Мн/м2 или 3,34 тс/мм2 ), уступая только алмазу и бора карбиду B4 C; хрупок; плотность 3,2 г/см3 . К. к. устойчив в различных химических средах, в том числе при высоких температурах.

К. к. получают в электропечах при 2000—2200°С из смеси кварцевого песка (51—55%), кокса (35—40%) с добавкой NaCI (I—5%) и древесных опилок (5—10%). Благодаря высокой твёрдости, химической устойчивости и износостойкости К. к. широко применяется как абразивный материал (при шлифовании), для резания твёрдых материалов, точки инструментов, а также для изготовления различных деталей химической и металлургической аппаратуры, работающей в сложных условиях высоких температур. К. к., легированный различными примесями, используется в технике полупроводников, особенно при повышенных температурах. Интересно использование К. к. в электротехнике — для изготовления нагревателей высокотемпературных электропечей сопротивления (силитовые стержни), грозоразрядников для линий передачи электрического тока, нелинейных сопротивлений, в составе электроизолирующих устройств и т. д.

Кремния Диоксид

КРЕМНИЯ ДИОКСИД (кремнезем), SiO2 , кристаллы. Наиболее распространенный минерал — кварц; обычный песок — также кремния диоксид. Используют в производстве стекла, фарфора, фаянса, бетона, кирпича, керамики, как наполнитель резины, адсорбент в хроматографии, в электронике, акустооптике и др. Кремнезёма минералы, ряд минеральных видов, представляющих собой полиморфные модификации двуокиси кремния; устойчивы при определённых интервалах температуры в зависимости от давления.

Название минерала Система Давление, ам* Темпера-

тура, °С Плотность, кг/м»

b-кристобалит кубическая 1 1728—1470 2190

b-тридимит Гексагональная 1 1470-870 2220

a-кварц гексагональная 1 870—573 2530

b-кварц тригональная 1 ниже 573 2650

b1 -тридимит гексагональная 1 163-117 ок. 2260

a-тридимит метастабильный ромбическая 1 ниже 117 ок. 2260

a-кристобалит Тетрагональная 1 ниже 200 2320

Коэсит Метастабильные при низких темпе-

ратурах и давлениях моноклинная 35 тыс. 1700—500 2930

Стишовит тетрагональная 100—180 тыс 1400—600 4350

Китит тетрагональная 350—1260 585-380 2500

* 1 am = 1 кгс/см2 @ 0,1 Мн/м2 .

Основу кристаллической структуры К. м. составляет трёхмерный каркас, построенный из соединяющихся через общие кислороды тетраэдров (5104). Однако симметрия их расположения, плотность упаковки и взаимная ориентировка различны, что отражается на симметрии кристаллов отдельных минералов и их физических свойствах. Исключение представляет стишовит, основу структуры которого составляют октаэдры (SiO6 ), образующие структуру, подобную рутилу. Все К. м. (за исключением некоторых разновидностей кварца) обычно бесцветны. Твердость по минералогической шкале различна: от 5,5 (a-тридимит) до 8—8,5 (стишовит).

К. м. обычно встречаются в виде очень мелких зёрен, скрытокристаллических волокнистых (a-кристобалит, т. н. люссатит) и иногда сфероидальных образований. Реже — в виде кристалликов таблитчатого или пластинчатого облика (тридимит), октаэдрического, дипирамидального (a- и b-кристобалит), тонкоигольчатого (коэсит, стишовит). Большинство К. м. (кроме кварца) очень редки и в условиях поверхностных зон земной коры неустойчивы. Высокотемпературные модификации SiO2 — b-тридимит, b-кристобалит — образуются в мелких пустотах молодых эффузивных пород (дациты, базальты, липариты и др.). Низкотемпературный a-кристобалит, наряду с a-тридимитом, является одной из составных частей агатов, халцедонов, опалов; отлагается из горячих водных растворов, иногда из коллоидного SiO2 . Стишовит и коэсит встречены в песчаниках метеорного кратера Каньон Дьявола в Аризоне (США), где они образовались за счёт кварца при мгновенном сверхвысоком давлении и при повышении температуры во время падения метеорита. В природе также встречаются: кварцевое стекло (т. н. лешательерит), образующееся в результате плавления кварцевого песка от удара молний, и меланофлогит — в виде мелких кубических кристалликов и корочек (псевдоморфозы, состоящие из опаловидного и халцедоновидного кварца), наросших на самородную серу в месторождениях Сицилии (Италия). Китит в природе не встречен.

Кварц (нем. Quarz), минерал; под названием К. известны две кристаллической модификации двуокиси кремния SiO2 : гексагональный К. (или a-К.), устойчивый при давлении в 1 атм (или 100 кн/м2 ) в интервале температур 870—573 °С, и тригональный (b-К.), устойчивый при температуре ниже 573 °С. b-К. наиболее широко встречается в природе. Он кристаллизуется в классе тригонального трапецоэдра тригональной системы. Кристаллическая структура каркасного типа построена из кремне-кислородных тетраэдров, расположенных винтообразно (с правым или левым ходом винта) по отношению к главной оси кристалла. В зависимости от этого различают правые и левые структурно-морфологические формы кристаллов, различающиеся внешне по симметрии расположения некоторых граней (например, трапецоэдра и др.). Отсутствие плоскостей и центра симметрии у кристаллов К. обусловливает наличие пьезоэлектрических и пироэлектрических свойств.

Наиболее часто кристаллы К. имеют удлиненно-призматический облик с преимущественным развитием граней гексагональной призмы и двух ромбоэдров (головка кристалла). Реже кристаллы принимают облик псевдогексагональной дипирамиды. Внешне правильные кристаллы К. обычно сложно сдвойникованы, образуя наиболее часто двойниковые участки по т. н. бразильскому или дофинейскому законам. Последние возникают не только при росте кристаллов, но и в результате внутренней структурной перестройки при термических a — b переходах, сопровождаемых сжатием, а также при механических деформациях. Цвет кристаллов, зёрен, агрегатов К. самый разнообразный: наиболее обычны бесцветные, молочно-белые или серые К. Прозрачные или полупрозрачные красивоокрашенные кристаллы, называются особо: бесцветные, прозрачные — горный хрусталь; фиолетовые — аметист; дымчатые — раухтопаз; чёрные —морион; золотисто-жёлтые — цитрин. Различные окраски обычно обусловлены структурными дефектами при замене Si4+ на Fe3+ или Al3+ с одновременным вхождением в решётку Na1+ , Li1+ или (ОН)1- . Встречаются также сложно окрашенные К. за счёт микровключений посторонних минералов: зелёный празем — включения микрокристалликов актинолита или хлорита; золотистый мерцающий авантюрин— включения слюды или гематита, и др. Скрытокристаллические разновидности К.— агат и халцедон — состоят из тончайших волокнистых образований. К. оптически одноосный, положительный. Показатели преломления (для дневного света l = 589,3): ne = 1,553; no = = 1,544. Прозрачен для ультрафиолетовых и частично инфракрасных лучей. При пропускании светового плоскополяризованного луча по направлению оптической оси левые кристаллы К. вращают плоскость поляризации влево, а правые — вправо. В видимой части спектра значение угла вращения (на толщину пластинки К. в 1 мм) меняется от 32,7 (для l 486 нм) до 13,9° (728 нм). Значение диэлектрической проницаемости (eij ), пьезоэлектрического модуля (djj ) и упругих коэффицентов (Sij ) следующие (при комнатной температуре): e11 = 4,58; e33 = 4,70; d11 = —6,76*10-8 ; d14 = 2,56*10-8 ; S11 = 1,279; S12 = — 0,159; S13 = —0,110; S14 = —0,446; S33 = 0,956; S44 = 1,978. Коэффиценты линейного расширения составляют: перпендикулярно оси 3-го порядка 13,4*10-6 и параллельно оси 8*10-6 . Теплота превращения b — a К. равна 2,5 ккал/моль (10,45 кдж/моль). Твёрдость по минералогической шкале 7; плотность 2650 кг/м3 . Плавится при температуре 1710 °С и застывает при охлаждении в т. н. кварцевое стекло. Плавленный К.— хороший изолятор; сопротивление кубика с ребром в 1 см при 18 °С равно 5*1018 ом/см, коэффицент линейного расширения 0,57*10-6 см/ °С. Разработана экономически выгодная технология выращивания монокристаллов синтетический К., который получают из водных растворов SiO2 при повышенных давлениях и температурах (гидротермальный синтез). Кристаллы синтетического К. обладают стабильными пьезоэлектрическими свойствами, радиационной устойчивостью, высокой оптической однородностью и др. ценными техническими свойствами.

Природный К.— очень широко распространённый минерал, является существенной составной частью многих горных пород, а также месторождений полезных ископаемых самого разнообразного генезиса. Наиболее важные для промышленности кварцевые материалы— кварцевые пески, кварциты и кристаллический монокристальный К. Последний встречается редко и очень высоко ценится. В СССР главнейшие месторождения кристаллов К.— на Урале, в УССР (Волынь), на Памире, в бассейне р. Алдан; за рубежом — месторождения в Бразилии и Малагасийской Республике. Кварцевые пески — важное сырьё для керамической и стекольной промышленности. Монокристаллы К. находят применение в радиотехнике (пьезоэлектрические стабилизаторы частоты, фильтры, резонаторы, пьезопластинки в ультразвуковых установках и т.д.); в оптическом приборостроении (призмы для спектрографов, монохроматоров, линзы для ультрафиолетовой оптики и т.д.). Плавленый К. применяют для изготовления специальной химической посуды. К. также используется для получения химически чистого кремния. Прозрачные, красивоокрашенные разновидности К. являются полудрагоценными камнями и широко применяются в ювелирном деле.

Кварцевое стекло, однокомпонентное силикатное стекло, получаемое плавлением природных разновидностей кремнезёма — горного хрусталя, жильного кварца и кварцевого песка, а также синтетической двуокиси кремния. Различают два вида промышленного К. с.: прозрачное (оптическое и техническое) и непрозрачное. Непрозрачность К. с. Придает большое количество распределенных в нем мелких газовых пузырьков (диаметром от 0,03 до 0,3 мкм), рассеивающих свет. Оптическое прозрачное К. с., получаемое плавлением горного хрусталя, совершенно однородно, не содержит видимых газовых пузырьков; обладает наименьшим среди силикатных стекол показателем преломления (nD = 1,4584) и наибольшим свето-пропусканием, особенно для ультрафиолетовых лучей. Для К. с. характерна высокая термическая и химическая стойкость; температура размягчения К. с. 1400 °С. К. с. хороший диэлектрик, удельная электрическая проводимость при 20 °С—10-14 — 10-16 ом-1 м-1 , тангенс угла диэлектрических потерь при температуре 20 °С и частоте 106 гц — 0,0025—0,0006. К. с. применяют для изготовления лабораторной посуды, тиглей, оптических приборов, изоляторов (особенно для высоких температур), изделий, стойких к температурным колебаниям.

Силаны

Силаны (от лат. Silicium — кремний), соединения кремния с водородом общей формулы Sin H2n+2 . Получены силаны вплоть до октасилана Si8 H18 . При комнатной температуре первые два К. — моносилан SiH4 и дисилан Si2 H6 — газообразны, остальные — летучие жидкости. Все К. имеют неприятный запах, ядовиты. К. гораздо менее устойчивы, чем алканы, на воздухе самовоспламеняются, например 2Si2 H6 +7O2 =4SiO2 +6H2 O. Водой разлагаются: Si3 H8 +6H2 O=3SiO2 +10H2 . В природе К. не встречаются. В лаборатории действием разбавленных кислот на силицид магния получают смесь различных К., её сильно охлаждают и разделяют (путём дробной перегонки при полном отсутствии воздуха).