Silicium – Propriétés – Prix – Applications – Production

À propos du Silicium

Le silicium est un solide cristallin dur et cassant avec un éclat métallique bleu-gris, c’est un métalloïde tétravalent et un semi-conducteur.

Résumé

Élément	Silicium
Numéro atomique	14
Catégorie d’élément	Métalloïdes
Phase à STP	Solide
Densité	2,33 g/cm3
Résistance à la traction ultime	170 MPa
Limite d’élasticité	165 MPa
Module de Young	150 GPa
Échelle de Mohs	7
Dureté Brinell	2300 MPa
Dureté Vickers	N / A
Point de fusion	1410°C
Point d’ébullition	3265°C
Conductivité thermique	148W/mK
Coefficient de dilatation thermique	2,6 µm/mK
Chaleur spécifique	0,71 J/g·K
Température de fusion	50,55 kJ/mol
Chaleur de vaporisation	384,22 kJ/mol
Résistivité électrique [nanoohmmètre]	2,3E12
Susceptibilité magnétique	.93.9e-6 cm^3/mol

Applications du Silicium

La plupart du silicium est utilisé industriellement sans être purifié, et en effet, souvent avec relativement peu de traitement à partir de sa forme naturelle. Le silicium est un ingrédient essentiel de l’aluminium, de l’acier et des alliages de fer. Il est ajouté comme fondant pour les alliages de cuivre. Sous forme d’argile et de sable, il est utilisé pour fabriquer des briques et du béton ; c’est un matériau réfractaire précieux pour les travaux à haute température, par exemple, les sables de moulage pour les pièces moulées dans les applications de fonderie. La silice est utilisée pour fabriquer des briques réfractaires, un type de céramique. Les minéraux silicatés sont également présents dans la céramique blanche, une classe importante de produits contenant généralement divers types de minéraux argileux cuits (phyllosilicates d’aluminium naturels). Un exemple est la porcelaine, qui est basée sur la kaolinite minérale de silicate. Le verre traditionnel (verre sodocalcique à base de silice) fonctionne également de la même manière, et est également utilisé pour les fenêtres et les conteneurs. Le silicium métal hyperpur et le silicium hyperpur dopé (dopage au bore, au phosphore, au gallium ou à l’arsenic) sont utilisés dans les cellules solaires, les transistors et les semi-conducteurs.

 

 

Production et prix du Silicium

Les prix des matières premières changent quotidiennement. Ils dépendent principalement de l’offre, de la demande et des prix de l’énergie. En 2019, les prix du Silicium pur se situaient autour de 500 $/kg.

Juste après l’oxygène, le silicium est l’élément le plus abondant de la croûte terrestre. On le trouve dans les roches, le sable, les argiles et les sols, combiné soit avec de l’oxygène sous forme de dioxyde de silicium, soit avec de l’oxygène et d’autres éléments sous forme de silicates. Les composés du silicium se retrouvent également dans l’eau, dans l’atmosphère, dans de nombreuses plantes et même chez certains animaux. Le silicium d’une pureté de 96 à 99% est fabriqué en réduisant le quartzite ou le sable avec du coke très pur. La réduction est effectuée dans un four à arc électrique.

Source : www.luciteria.com

Propriétés mécaniques du Silicium

Force du Silicium

In mechanics of materials, the strength of a material is its ability to withstand an applied load without failure or plastic deformation. Strength of materials basically considers the relationship between the external loads applied to a material and the resulting deformation or change in material dimensions. In designing structures and machines, it is important to consider these factors, in order that the material selected will have adequate strength to resist applied loads or forces and retain its original shape. Strength of a material is its ability to withstand this applied load without failure or plastic deformation.

Pour la contrainte de traction, la capacité d’un matériau ou d’une structure à supporter des charges tendant à s’allonger est appelée résistance ultime à la traction (UTS). La limite d’élasticité ou la limite d’élasticité est la propriété du matériau définie comme la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, tandis que la limite d’élasticité est le point où la déformation non linéaire (élastique + plastique) commence.

Voir aussi: Résistance des matériaux

Résistance à la traction ultime du Silicium

La résistance à la traction ultime du silicium est de 170 MPa.

Limite d’élasticité du Silicium

La limite d’élasticité du silicium  est de 165 MPa.

Module de Young du Silicium

Le module de Young du Silicium est de 150 GPa.

Dureté du Silicium

En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et  aux rayures. Le test de dureté Brinell est l’un des tests de dureté par indentation, qui a été développé pour les tests de dureté. Dans les tests Brinell, un pénétrateur sphérique dur  est forcé sous une charge spécifique dans la surface du métal à tester.

La dureté Brinell du silicium est d’environ 2300 MPa.

La méthode d’essai de dureté Vickers a été développée par Robert L. Smith et George E. Sandland chez Vickers Ltd comme alternative à la méthode Brinell pour mesurer la dureté des matériaux. La méthode d’essai de dureté Vickers peut également être utilisée comme méthode d’essai de microdureté, qui est principalement utilisée pour les petites pièces, les sections minces ou les travaux en profondeur.

La dureté Vickers du silicium est d’environ N/A.

La dureté à la rayure est la mesure de la résistance d’un échantillon à la déformation plastique permanente due au frottement d’un objet pointu. L’échelle la plus courante pour ce test qualitatif est l’échelle de Mohs, qui est utilisée en minéralogie. L’ échelle de Mohs de dureté minérale est basée sur la capacité d’un échantillon naturel de minéral à rayer visiblement un autre minéral.

Le silicium a une dureté d’environ 7.

Voir aussi: Dureté des matériaux

Silicium – Structure Cristalline

Une structure cristalline possible du silicium est la structure cubique en diamant à faces centrées.

Dans les métaux et dans de nombreux autres solides, les atomes sont disposés en réseaux réguliers appelés cristaux. Un réseau cristallin est un motif répétitif de points mathématiques qui s’étend dans tout l’espace. Les forces de la liaison chimique provoquent cette répétition. C’est ce motif répété qui contrôle les propriétés telles que la résistance, la ductilité, la densité, la conductivité (propriété de conduire ou de transmettre la chaleur, l’électricité, etc.) et la forme. Il existe 14 types généraux de ces modèles connus sous le nom de réseaux de Bravais.

Voir aussi: Structure cristalline des matériaux

Structure cristalline du Silicium

Propriétés thermiques du Silicium

Silicium – Point de fusion et point d’ébullition

Le point de fusion du silicium est de 1410°C.

Le point d’ébullition du silicium est de 3265°C.

Notez que ces points sont associés à la pression atmosphérique standard.

Silicium – Conductivité thermique

La conductivité thermique du silicium est de 148 W/(m·K).

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la conductivité thermique, k (ou λ), mesurée en W/mK . C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par conduction. Notez que la loi de Fourier s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gazeux), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

Coefficient de dilatation thermique du Silicium

Le coefficient de dilatation thermique linéaire du silicium est de 2,6 µm/(m·K)

La dilatation thermique est généralement la tendance de la matière à changer ses dimensions en réponse à un changement de température. Il est généralement exprimé sous la forme d’un changement fractionnaire de longueur ou de volume par unité de changement de température.

Silicium – Chaleur spécifique, chaleur latente de fusion, chaleur latente de vaporisation

La chaleur spécifique du silicium est de 0,71 J/g K.

La capacité calorifique est une propriété extensive de la matière, c’est-à-dire qu’elle est proportionnelle à la taille du système. La capacité thermique C a l’unité d’énergie par degré ou d’énergie par kelvin. Lors de l’expression du même phénomène en tant que propriété intensive, la capacité thermique est divisée par la quantité de substance, de masse ou de volume, ainsi la quantité est indépendante de la taille ou de l’étendue de l’échantillon.

La chaleur latente de fusion du silicium est de 50,55 kJ/mol.

La chaleur latente de vaporisation du silicium est de 384,22 kJ/mol.

La chaleur latente est la quantité de chaleur ajoutée ou retirée d’une substance pour produire un changement de phase. Cette énergie décompose les forces attractives intermoléculaires, et doit également fournir l’énergie nécessaire pour dilater le gaz (le pΔV travail). Lorsque la chaleur latente est ajoutée, aucun changement de température ne se produit. L’enthalpie de vaporisation est fonction de la pression à laquelle cette transformation a lieu.

Silicium – Résistivité électrique – Susceptibilité magnétique

La propriété électrique fait référence à la réponse d’un matériau à un champ électrique appliqué. L’une des principales caractéristiques des matériaux est leur capacité (ou leur incapacité) à conduire le courant électrique. En effet, les matériaux sont classés selon cette propriété, c’est-à-dire qu’ils sont divisés en conducteurs, semi-conducteurs et non-conducteurs.

Voir aussi: Propriétés électriques

La propriété magnétique fait référence à la réponse d’un matériau à un champ magnétique appliqué. Les propriétés magnétiques macroscopiques d’un matériau sont une conséquence des interactions entre un champ magnétique extérieur et les moments dipolaires magnétiques des atomes qui le constituent. Différents matériaux réagissent différemment à l’application du champ magnétique.

Voir aussi: Propriétés magnétiques

Résistivité électrique du Silicium

La résistivité électrique du silicium est de 2,3E12 nΩ⋅m.

La conductivité électrique et son inverse, la résistivité électrique, est une propriété fondamentale d’un matériau qui quantifie la façon dont le silicium conduit le flux de courant électrique. La conductivité électrique ou conductance spécifique est l’inverse de la résistivité électrique.

Susceptibilité magnétique du Silicium

La susceptibilité magnétique du silicium est de −3,9e-6 cm^3/mol.

En électromagnétisme, la susceptibilité magnétique est la mesure de l’aimantation d’une substance. La susceptibilité magnétique est un facteur de proportionnalité sans dimension qui indique le degré d’aimantation du silicium en réponse à un champ magnétique appliqué.