硅是重要的石化替代材料、能源材料和電子材料。硅的地殼豐度為27%,僅次于氧(46%),大約是碳的1000倍,資源極其豐富,開發潛力巨大。大規模、低成本利用硅資源以生產人類社會需要的能源及材料,并以此應對化石原料危機帶來的威脅,減少碳排放及溫室效應,是人類社會通向未來的一條必經之路。長期以來,硅材料的開發利用都是工業界和全社會關注的焦點。硅是如何從最初的形態轉化成不同類型的下游產品,以下一張圖來進行說明。
金屬硅
金屬硅又稱工業硅或結晶硅,通常是在電爐中由碳還原二氧化硅而制得。其主要用途是作為非鐵基合金的添加劑和生產半導體硅、有機硅的起始原料。2013年中國金屬硅產量同比增加26.1%至148.8萬噸,國內平均開工率為39.2%。國內主要的金屬硅企業如合盛硅業、湖北三新硅業、四子王旗佳輝硅業、云南永昌硅業、天富硅業、晶鑫硅業等。由于金屬硅生產需要消耗大量的能源,能源成本占總成本的50%以上。因此,中國金屬硅企業在水電資源豐富的西南地區,或低價電力資源的西北和東北地區分布較為集中。
高純石英
石英玻璃為單一氧化物二氧化硅構成的玻璃,二氧化硅中Si-O鍵堅固、共價鍵和離子鍵大約各占一半,是一種典型的網絡形成氧化物。石英玻璃具有優越的物理、化學性能:純度高、機械強度高、化學穩定性好、光譜透過寬、抗熱沖擊、耐高溫變形、耐射線輻照和電絕緣等。我國石英玻璃行業集中度較低,有一定規模的主要分布在華北(北京、廊坊)、華東(上海、江蘇、浙江)、東北(遼寧)、華中(湖北)等地,并以民營企業為主。主要企業有中國建筑材料科學研究總院、北京金格蘭石英玻璃有限公司,久智光電材料科技有限公司、北京凱德石英塑料制品有限公司、上海強華石英有限公司、湖北菲利華石英玻璃股份有限公司等。
多(單)晶硅
多晶硅是單質硅的一種形態,在電子工業中用于制造半導體收音機、錄音機、彩電、錄像機、電子計算機等的基礎材料。在新能源行業,多晶硅是生產太陽能電池的重要原料,一般的純度在6-9N。中國是全球最大的多晶硅生產國,2013總產能達21.365萬噸/年,產量8.22萬噸。主要的企業有江蘇中能硅業發展有限公司、江西賽維LDK、特變電工新疆新能源股份有限公司、洛陽中硅高科技有限公司等等。
單晶硅是指硅的單晶體,是高純度的多晶硅在單晶爐內拉制而成。具有基本完整的點陣結構的晶體。不同的方向具有不同的性質,是一種良好的半導材料。一般純度要求在9-12N。用于制造半導體器件、太陽能電池等。
硅微粉
硅微粉是二氧化硅的一種無定型(非結晶)多晶形物。一般來講,每生產1噸金屬硅可副產0.3-0.5噸硅微粉。硅微粉有時會與氣相白炭黑混淆。硅微粉平均粒徑150納米,比水泥顆粒小100倍,比表面積為15~30平方米/克,而氣相白炭黑的原生顆粒粒徑只有約5~7納米,比表面積則高達150~300平方米/克。硅微粉主要應用領域是作為高性能混凝土的增強填料,特別是提高其綜合強度、粘結強度和耐磨性。添加硅微粉后還能降低氯離子對混凝土的滲透性,防止混凝土中的鋼筋被腐蝕。此外,硅微粉也大量的應用于陶瓷和耐火材料等領域。
硅溶膠
硅溶膠為納米級的二氧化硅顆粒在水中或溶劑中的分散液。由于硅溶膠中的SiO2含有大量的水及羥基,故硅溶膠也可以表述為SiO2.nH2O??捎米鞲鞣N耐火材料粘結劑,涂料工業,能薄殼精密鑄造、催化劑制造及催化劑載體、玻璃紙防粘劑、照相用紙前處理劑、水泥袋防滑劑、顯像管分散劑、地板蠟抗滑等等。
單硅烷
單硅烷是一種無色氣體,別名四氫化硅、甲硅烷,該氣體與空氣接觸可發生自燃并釋放很濃的白色無定型的二氧化硅煙霧。單硅烷按純度可分為工業級和電子級,電子級主要應用于集成電路、平面電視、太陽能電池等行業;工業級的主要用途是作為氯單硅烷類及烷基氯單硅烷類的骨架結構、成為多晶硅、氧化硅、氮化硅等的原料。2013年硅烷行業整體開工情況很差,多數企業處于間歇式開工狀態,平均開工率在13.8%,單硅烷產量約950噸。主要企業有保定天威英利新能源有限公司(六九硅業有限公司)、浙江中寧硅業有限公司、天津泰亨集團、浙江中福硅能有限公司等。
硅樹脂
硅樹脂是具有高度交聯網狀結構的聚有機硅氧烷,兼具有機樹脂及無機材料的雙重特性,具有獨特的物理化學性能。有機硅樹脂主要作為絕緣漆(包括清漆、瓷漆、色漆、浸漬漆等)浸漬H級電機及變壓器線圈, 以及用來浸漬玻璃布、玻布絲及石棉布后制成電機套管、電器絕緣繞組等。此外,硅樹脂還可用作耐熱、耐候的防腐涂料,金屬保護涂料,建筑工程防水防潮涂料,脫模劑,粘合劑以及二次加工成有機硅塑料,用于電子、電氣和國防工業上,作為半導體封裝材料和電子、電硅樹脂按其主要用途和交聯方式大致可分為有機硅絕緣漆、有機硅涂料、有機硅塑料和有機硅粘合劑等幾大類。硅樹脂加工添加劑具有獨特的靈活性及兼容性,已成為紙漿、生活用紙生產的關鍵成分。
硅橡膠
硅橡膠是一種由氧和硅交聯成的聚合物制成的獨特的合成彈性體。它完美地平衡了機械性質和化學性質,因而能滿足今天許多苛刻的應用場合要求。硅橡膠是有機硅產品中產量最大、應用最為廣泛的一大類產品。根據硫化機理,硅橡膠可分成高溫硫化硅橡膠(HTV);室溫硫化硅橡膠(RTV)和加成型液體硅橡膠(LSR)。
高溫硅橡膠,別名混煉硅橡膠、固體硅橡膠。是硅橡膠中發展最為成熟的產品之一,因其具有良好的耐高低溫、耐候、憎水、抗電弧、電氣絕緣性、生理惰性等特點,在國防工業、醫療衛生、工農業生產及人們的日常生活中得到廣泛應用。
中國高溫硅橡膠的發展已經較為成熟,2013年產能已達到54.9萬噸/年,產量達32.9萬噸。而液體硅橡膠即加成型雙組份液體硅橡膠(LSR)剛剛起步,2013年產能達3.67萬噸/年,同比增加56.2%;產量約1.77萬噸,同比增長17.2%。該產品發展速度要高于高溫膠,某些場合還出現了替代高溫膠應用的現象。目前國內主要的高溫硅橡膠企業有新安化工、東爵、宏達、藍星、合盛等。而液體硅橡膠企業有深圳森日、廣東聚合、新安化工、東莞新東方等。
室溫硫化硅橡膠一般分子量較低(3萬~6萬)。室溫硫化硅橡膠在分子鏈的兩端(有時中間也有)各帶有一個或兩個官能團,在一定條件下(空氣中的水分或適當的催化劑),這些官能團可發生反應,從而形成高分子量的交聯結構。主要生產企業有廣東白云、成都硅寶、廣州新展、杭州之江、鄭州中原等。
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