硅及其化合物的贡献

硅及其化合物对人类文明的贡献

高一九班刘佳琦

说起硅，其实我们并不陌生。小到我们脚下踩的每一粒沙，大到绵延万里的长城，近到水晶玛瑙首饰，远到光导纤维，生活中处处离不开硅及其化合物做出的贡献。

一、硅单质

硅，原子序数14，原子量28.0855，硅有晶态和无定形两种形式。晶态硅具有金刚石晶格，硬而脆，熔点1410°C，沸点2355°C，密度2.32～2.34克/厘米3,硬度为7。无定形硅是一种灰黑色粉末，实际是微晶体。晶态硅的电导率不及金属，且随温度升高而增加，具有明显的半导体性质。

硅在常温下不活泼，与空气、水和酸等没有明显作用；在加热下，能与卤素反应生成四卤化硅；650°C，时硅开始与氧完全反应；硅单质在高温下还能与碳、氮、硫等非金属单质反应；硅可间接生成一系列硅的氢化物；硅还能与钙、镁、铁等化合，生成金属硅化物。

超纯的单晶硅可作半导体材料。粗的单晶硅及其金属互化物组成的合金，常被用来增强铝、镁、铜等金属的强度。

二、有机硅化合物

有机硅化合物，是指含有Si-O键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物，习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物也当作有机硅化

合物。其中，以硅氧键（-Si-0-Si-）为骨架组成的聚硅氧烷，是有机硅化合物中为数最多，研究最深、应用最广的一类，约占总用量的90%以上。

有机硅材料具有独特的结构：

（1） Si原子充足的甲基将高能量的聚硅氧烷主链屏蔽起来（2） C-H无极性，使分子间相互作用力十分微弱；

（3） Si-O键长较长，Si-O-Si键键角大。

（4） Si-O键是具有50％离子键特征的共价键

有机硅材料按其形态的不同，可分为：硅烷偶联剂（有机硅化学试剂）、硅油（硅脂、硅乳液、硅表面活性剂）、高温硫化硅橡胶、液体硅橡胶、硅树脂、复合物等。

三、硅及其化合物对人类文明的贡献

1.硅的用途：

①高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素，形成p型硅半导体；掺入微量的第VA 族元素，形成n型和p型半导体结合在一起，就可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能。在开发能源方面是一种很有前途的材料。另外广泛应用的二极管、三极管、晶闸管和各种集成电路（包括我们计算机内的芯片和CPU)都是用硅做的原材料。

②金属陶瓷、宇宙航行的重要材料。将陶瓷和金属混合烧结，制成金属陶瓷复合材料，它耐高温，富韧性，可以切

割，既继承了金属和陶瓷的各自的优点，又弥补了两者的先天缺陷。可应用于军事武器的制造第一架航天飞机“哥伦比亚号”能抵挡住高速穿行稠密大气时摩擦产生的高温，全靠它那三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。

③光导纤维通信，最新的现代通信手段。用纯二氧化硅拉制出高透明度的玻璃纤维，激光在玻璃纤维的通路里，无数次的全反射向前传输，代替了笨重的电缆。光纤通信容量高，一根头发丝那么细的玻璃纤维，可以同时传输256路电话，它还不受电、磁干扰，不怕窃听，具有高度的保密性。光纤通信将会使 21世纪人类的生活发生革命性巨变。

④性能优异的硅有机化合物。例如有机硅塑料是极好的防水涂布材料。在地下铁道四壁喷涂有机硅，可以一劳永逸地解决渗水问题。在古文物、雕塑的外表，涂一层薄薄的有机硅塑料，可以防止青苔滋生，抵挡风吹雨淋和风化。天安门广场上的人民英雄纪念碑，便是经过有机硅塑料处理表面的，因此永远洁白、清新。

2.由于有机硅独特的结构，兼备了无机材料与有机材料的性能，具有表面张力低、粘温系数小、压缩性高、气体渗透性高等基本性质，并具有耐高低温、电气绝缘、耐氧化稳定性、耐候性、难燃、憎水、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等优异特性，广泛应用于航空航天、电子电气、建筑、运输、化工、纺织、食品、轻工、医疗等行业，其中有机硅主要应

用于密封、粘合、润滑、涂层、表面活性、脱模、消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等。随着有机硅数量和品种的持续增长，应用领域不断拓宽，形成化工新材料界独树一帜的重要产品体系，许多品种是其他化学品无法替代而又必不可少的。

3.有机硅用作光导纤维的涂覆保护材料

作为光纤涂层的涂料应具有以下性质：折光系数比石英芯低，光导系数比较高，对石英有较高得粘接力，性质不受环境条件（如温度、相对湿度等）变化的影响，容易涂在石英芯上。可作为光纤保护涂料的有聚酯、聚酰胺、脲醛树脂、糠醛树脂、丙烯酸、环氧树脂以及硅橡胶、硅树脂等。有机硅光纤用补强涂料是以低温硫化硅橡胶为基胶，配合使用交联剂、抑制剂及催化剂等配制而成的。该涂料透明度高，流动性好，硫化时不释放小分子，具有良好的机械强度并且耐热、耐寒、耐候、防潮、防震、无毒无腐蚀，是用作光纤涂层的理想涂料。硅橡胶光纤保护涂料还有一个优点是易从光纤表面剥离做成光缆接线端，简化了在野外制备接头和终端的工艺，节省了安装费。

4.氮化硅陶瓷

氮化硅陶瓷是一种烧结时不收缩的无机材料。它是用硅粉作原料，先用通常成型的方法做成所需的形状，在氮气中及１２００℃的高温下进行初步氮化，使其中一部分硅粉与氮反应生成氮化硅，这时整个坯体已经具有一定的强度。然

后在１３５０℃～１４５０℃的高温炉中进行第二次氮化，反应成氮化硅。用热压烧结法可制得达到理论密度９９％的氮化硅。氮化硅的强度很高，尤其是热压氮化硅，是世界上最坚硬的物质之一。它极耐高温，强度一直可以维持到１２００℃的高温而不下降，受热后不会熔成融体，一直到１９００℃才会分解，并有惊人的耐化学腐蚀性能，能耐几乎所有的无机酸和３０％以下的烧碱溶液，也能耐很多有机酸的腐蚀；同时又是一种高性能电绝缘材料。

氮化硅陶瓷可做燃气轮机的燃烧室、机械密封环、输送铝液的电磁泵的管道及阀门、永久性模具、钢水分离环等。氮化硅摩擦系数小的特点特别适合制作为高温轴承使用，其工作温度可达１２００℃，比普通合金轴承的工作温度提高２.５倍，而工作速度是普通轴承的１０倍。利用氮化硅陶瓷很好的电绝缘性和耐急冷急热性可以用来做电热塞，用它进行汽车点火可使发动机起动时间大大缩短，并能在寒冷天气迅速启动汽车。氮化硅陶瓷还有良好的透微波性能、介电性以及高温强度，作为导弹和飞机的雷达天线罩，可在６个马赫甚至７个马赫的飞行速度下使用。

生活中处处离不开硅及其化合物做出的贡献。我们需要用我们的智慧探索硅的奥妙。