Le silicium est l'élément d'alliage majoritaire de la quasi totalité des alliages d'aluminium de fonderie aussi bien en moulage gravité sable et coquille (Al Si7Mg0.3, Al Si12, Al Si7Cu3, ...) qu'en fonderie sous pression (Al Si9Cu3Fe, Al Si17Cu3). Le silicium est également utilisé dans les alliages ferreux où il est ajouté sous forme de ferrosilicium. Il existe industriellement essentiellement trois qualités de silicium qui se distinguent par leur niveau d'impureté. Le silicium pour la métallurgie présente un faible niveau de pureté alors que les applications électroniques et solaires photo-voltaïque nécessitent un niveau de pureté beaucoup plus important.

minerai_silicium
Différentes formes de silicium

Différents types de silicium
On distingue trois niveaux de pureté du silicium, désignés en fonction de l'utilisation :

  • Silicium métallurgique (pureté 99%), noté MG-silicium (en anglais : metallurgical grade)
  • Silicium de qualité solaire (pureté 99.9999%), noté SoG-silicium (solar grade)
  • Silicium de qualité électronique (pureté 99.99999999%), noté EG-silicium (electronic grade).

silicium_graphique
Utilisation majoritaire en métallurgie

Découverte
Le silicium fut découvert en 1824 par J.J. Berzelius à Stockholm, en Suède.

C'est, après le carbone, l'élément le plus abondant de la terre, la répartition étant de 277.000 ppm. On le trouve généralement sous forme de silicate dans de nombreuses roches, argiles et terres. Le silicium est obtenu en réduisant la silice (le sable, SiO2) par le carbone. Une fusion en zone subséquente donne un élément plus pur pour des applications nécessitant un silicium de haute pureté (par exemple les semi-conducteurs). Le silicium existe sous deux formes allotropiques : le silicium brun est une poudre alors que le silicium cristallin (métallique) est gris et c'est ce dernier qui est le plus utilisé. En masse le silicium ne réagit pas à l'oxygène, à l'eau, aux acides (sauf à l'acide fluorhydrique) mais est soluble dans les bases chaudes.

Le silicium a de nombreuses applications dans diverses industries. Le silicium ultra-pur est utilisé, par exemple, dans l'industrie semi-conducteur du fait de ses caractéristiques semi-conductrices. Le silicium est également utilisé comme élément d'alliage dans certains alliages (le ferrosilicium, par exemple, un alliage de fer et de silicium qui est utilisé pour introduire du silicium dans l'acier et la fonte). On l'utilise également dans la fabrication du verre.
   

Production du silicium métallurgique
Pour obtenir du silicium libre (parfois appelé improprement "silicium métal" pour le distinguer du ferrosilicium), il faut le réduire ; industriellement, cette réduction s'effectue par électrométallurgie, dans un four à arc électrique ouvert dont la puissance peut aller jusqu'à environ 30 MW. La réaction globale de principe est une réaction de carboréduction :

SiO2 + C → Si + CO2
La réalité est plus complexe, avec des réactions intermédiaires conduisant par exemple à la formation de SiC, de SiO (instable).

En pratique, le silicium est introduit sous forme de morceaux de silice (galets, ou morceaux de quartz filonien), en mélange avec des réducteurs tels que le bois, le charbon de bois, la houille, le coke de pétrole. Compte tenu des exigences de pureté des applications finales, la silice doit être relativement pure (faible teneur en oxyde de fer en particulier), et les réducteurs soigneusement choisis (houille lavée par exemple).

Le mélange est déversé dans un creuset de plusieurs mètres de diamètre, où plongent des électrodes cylindriques en carbone (trois le plus souvent) qui apportent la puissance électrique et permettent d'atteindre les très hautes températures dont les réactions recherchées ont besoin (autour de 3000°C dans la région de l'arc électrique, à la pointe des électrodes).

Le silicium obtenu est recueilli dans des "poches", à l'état liquide, grâce à des orifices pratiqués dans le creuset. Il est ensuite affiné dans ces poches, par injection d'air pour oxyder l'aluminium et le calcium.

Puis il est séparé du "laitier" (oxydes produits au cours des différentes étapes du procédé et entraînés avec le silicium) avant d'être solidifié :

  • soit par coulée en lingotières ou sur une surface plane,
  • soit par granulation à l'eau (le silicium liquide est alors versé dans de l'eau et les gouttes de silicium se solidifient en petits granules : opération relativement délicate).

Les réactions intermédiaires conduisant à la réduction du silicium produisent aussi une très fine poussière de silice amorphe, qui est entraînée par les gaz chauds (essentiellement air et dioxyde de carbone) émis par le four ; dans les installations modernes, ces gaz sont filtrés pour recueillir la poussière de silice amorphe, qui est utilisée comme élément d'addition dans les bétons à haute performance.

Selon les applications, le silicium est utilisé sous forme de morceaux (production des alliages aluminium-silicium) ou sous forme de poudre obtenue par broyage (production des silicones).

Elkem_silicon_in_Norway_carbothermic_arc_silicon_furnace
Four de production de silicium par voie carbothermique

Le silicium pour électronique est obtenu à partir du silicium électrométallurgique, mais nécessite une étape chimique (purification réalisée sur des silanes) puis un ensemble de purifications physiques, avant le tirage des mono-cristaux.

Depuis 2006, l'application du silicium pour les panneaux photovoltaïque a dépassé l'utilisation dans les circuits imprimés électroniques (puces de silicium).

Caractéristiques du silicium

  • Coefficient de Poisson                       0,42
  • Point de fusion                                1410°C
  • Chaleur latente de fusion                  1650 kJ/kg
  • Chaleur spécifique                           703 J / Kg.K à 25°C
  • Coefficient d'expansion thermique       4,7-7,6 x 10-6 à 0-100°C
  • Conductivité thermique                     80-150 W/m.K. à 0-100°C