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硅与人类文明

来源:未知作者:刘小丹 点击:所属专题: 硅元素
硅在地壳中是除氧之外含量最多的元素。地壳中岩石几乎全部是由硅石和各种硅酸盐组成。硅是在电池发明之后,化学家才分离出来的一种元素,具有其它元素不能比拟的性质,主要表现在晶体硅、硅酸盐和有机硅等方面。 一、晶体硅 单质硅是比较活泼的一种非金属元素,它能和96种稳

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硅在地壳中是除氧之外含量最多的元素。地壳中岩石几乎全部是由硅石和各种硅酸盐组成。硅是在电池发明之后,化学家才分离出来的一种元素,具有其它元素不能比拟的性质,主要表现在晶体硅、硅酸盐和有机硅等方面。

一、晶体硅

单质硅是比较活泼的一种非金属元素,它能和96种稳定元素中的64种元素形成化合物。硅的主要用途是取决于它的半导性。硅材料是当前最重要的半导材料。目前世界年产量约为3×106kg。一个直径75mm的硅片,可集成几万至几十万甚至几百万个元件,形成了微电子学,从而出现了微型计算机、微处理机等。由于当前信息工程的发展,硅主要用于微电子技术。

以硅晶闸管为主的电力半导体器件,元件越做越大,与硅晶体管相比集成电路正相反,在直径为75mm的硅片上,只做一个能承受几kA电流和几kV电压的元件,这种元件渗透到电子、电力、控制3个领域就形成了一门新学科——电力电子学。

为适应大规模集成电路的发展、单晶硅正向大直径、高纯度、高均匀性,无缺陷方向发展。最大硅片直径已达150mm,实验室的高纯硅接近理论极限纯度。

目前常用的太阳能电池是硅电池。如果在1m2面积上铺满硅太阳电池,就可以得到100W电力。单晶硅太阳能电池的性能稳定,转换效率高,体积小,重量轻,很适合作太空航天器上的电源。美国的大型航天器——太空实验室上就安装有4块太阳能电池帆板,它们是由147840块8cm2大小的单晶硅太阳能电池排列组成的,发电功率大约为12KW。

二、二氧化硅和硅酸盐

纯净的二氧化硅是石英,透明的石英晶体称做水晶。二氧化硅早期应用主要是用来制造水泥、玻璃、陶瓷等,它的最新用途是在1964年以后发现的。1964年8月华裔科学家高锟首先提出用玻璃纤维来代替金属导线。这种新技术在世界范围迅速得到研究和发展。因此高锟被称“纤维光学之父”。

纯净的SiO2被用来制光导纤维。光导纤维用在通讯中具有极高的保密性,光导纤维是制造内窥镜的理想材料。

硅钢片被广泛应用在电气工业。

用丁二烯苯乙烯橡胶、玻璃纤维及二氧化硅制成浇铸的无帘子线轮胎,当轮胎被扎穿后不气扁,还可以继续行驶。

硅酸盐工业的三大产品玻璃、水泥、陶瓷,也随着高科技的发展而得到发展。在普通玻璃的熔炼过程中加入一些金属化合物,如少量的Au、Ag、Cu的盐类,这种玻璃就变成了具有特殊功能的微晶玻璃。微晶玻璃具有耐高温性能,能经受住温度的急剧变化,能透过微波。它还具有跟照像用的底片一样的功能,能通过仪器将图形印在上面,在常温下图象看不到,但是一经加热,图象便清楚地显示出来了,广泛应用在军事技术上,航空航天工业。它还具有耐腐性,用在精密仪器的轴承上。

现在全世界每年生产的水泥总数已超过6亿吨,一种新型水泥——双快水泥,具有快凝、快硬的特点,它浇注一天后的硅与人类文明硬度,相当于普通水泥浇注7~28天的硬度。

近年来陶瓷工业的品种不断增多,各种新型陶瓷不断问世,新型陶瓷不但能经受1000℃以上的高温和热冲击力,而且能让红外线顺利通过,它的这种特性已广泛用在军事工业。用新型透明铁电陶瓷制成的眼镜片在看电视时能产生立体效果。铁电陶瓷还具有“压电现象”。金属陶瓷能耐高压,又富有韧性,可以像金属那样轻而易举地切割。

改用C、Si、N、O、B等元素的化合物作为主要原料,经过改进和发展的陶瓷生产技术,从而获得了新型陶瓷材料。新陶瓷有许多独特的优良性能:坚硬、耐磨、耐氧化、抗腐蚀,并且能够经受1200~1400℃的高温。

把陶瓷粉与金属未均匀混合,经高温烧结,可以得到金属陶瓷。它兼有金属和陶瓷的优点,韧而不脆、坚而耐热。在高温下,金属陶瓷中的金属成分首先挥发并把热量带走,从而降低了材料的温度。利用金属陶瓷的这种特性,可以保护导弹和航天器安全穿越大气层。美国“哥伦比亚”号航天飞机的外壳,就是铺砌了3.1万块这样的金属陶瓷耐热片。

目前使用的耐高温陶瓷主要是氮化硅陶瓷和硅与人类文明碳化硅陶瓷。它们除了具有耐高温的特性外,还具有各自的特性,氮化硅陶瓷具有一定的韧性和可切削性,在加工过程中不易脆碎。碳化硅陶瓷导热率高,有较好的抗热抗震性,在使用中不易炸裂。

用新型陶瓷材料代替金属材料制造发动机,可以大幅度提高燃气温度,取消冷却系统,降低材料消耗,使发动机的面貌发生根本性改变。1990年我国第一台无水冷陶瓷发动机试车成功。这是继美、日之后,国际上仅有的几次试验之一。

根据新陶瓷性能各异的特点,利用它的坚硬性制作刀具、轴承;利用它的耐热性制作燃气轮机、喷气发动机的涡轮;利用它的电气性能制作热敏电阻、电线的绝缘体、集成电路衬底等;利用它的化学稳定性制作人工齿、骨等;利用它的透光性制作光纤、透明电极等。专家们预言随新陶瓷技术的发展,人类将“重返”石器时代,不过是一个全新的石器时代。

三、有机硅化合物

无机化学中居首位的是硅,有机化学中居首位的是碳。随着科技的发展硅元素进入有机世界后,诞生一个又一个身怀绝技的硅有机化合物。

硅油,从外表看,它和我们熟悉的普通油类,如菜油、机油、润滑油等没有什么区别,但它的组成结构却不大相同。它具有极好的流动性、粘度受温度变化的影响极小,因此,它可以在高温和高寒的环境中使用而且是效果良好的润滑剂。硅油无毒、无味,它在食品工业可以食用。在糕点模子抹一次硅油,可以连续使用1000次,而且效果仍很好。

有机硅塑料用在建筑工程中可以一劳永逸地解决地下建筑漏水透水问题。用有机硅制成的防雨布既防水、又透气。

弹性硅与人类文明硅胶可以用来对先天性胸骨凹陷的护胸治疗。还可用弹性硅胶重建关节、耳朵、鼻子、乳房等。人造弹性硅胶眼窝底可以代替损坏了的支撑眼球的骨头。

我国在近年研制出了医用注射型硅橡胶,它具有化学稳定性和耐硅与人类文明老化等特点。牙科医生可以将这种硅橡胶像吸取液体一样吸到注射器内,再将它注射到病人的口腔内,用来补牙齿。硅橡胶不仅没毒性,而且一旦进入人体的机体后,它不会刺激周围的组织,是一种理想的整空填补剂。

经过科学家的努力,人们研制出了聚丙烯腈硅橡胶,用它制成的薄膜具有像肾脏一样的功能,能将废物排出体外,将有用物质留在体内,用它做的具有高选择性的半渗透膜完全能代替肾的工作。这种橡胶还可以把肝昏迷病人血液里的大量毒素迅速析出,排出体外,使病情缓解。还可以用它来制造人工肺。利用有机硅橡胶可以制造出人体的多种器官。

1964年,美国科学工作者洛普研制成了一种极薄极薄的有机硅聚合物薄膜,厚度只有1/400mm,这种薄膜能将水中的氧分离出来,这种具有鱼鳃功能的特殊材料终于找到了,人类遨游海底的愿望终于有一线曙光。

未来的硅橡胶要求具有多种优良的性能,新近研制的氟硅橡胶就具有耐寒、耐高温、耐溶剂等性能,在宇航工业中是极其重要的弹性材料。

材料科学家们研制出由硅、橡胶和金属组成的复合材料。这种材料具有灵敏的压电效应。只要对它施加压力,它的电阻就会自动降低,那怕是极轻微的压力,它也会反应出来。还有一种新型的光敏变色玻璃,它可以自动地随光线的强弱而改变自己的透明度。

总之,随着硅、二氧化硅、硅酸盐及有机硅优良性能的不断发现,将促进和推动人类社会不断进步和发展。目前陶瓷超导材料的发现,使人们在寻找超导材料徘徊不前的局面出现了转机。

(责任编辑:化学自习室)
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