retour accueil

 

MATIÈRES PREMIÈRES :

La teneur de l'écorce terrestre est de 28 % en silicium (2ème élément le plus abondant après l'oxygène).

Il est présent dans de nombreuses roches, sous forme de (en % de la masse de l'écorce terrestre) :

- Oxyde (12 %) : silice dont la principale forme naturelle est le quartz. Il est le constituant de nombreuses roches d'origine :

- Silicates ou aluminosilicates (constitués de tétraèdres (Si,Al)O4), qui forment des :

- Feldspaths (60 %) par exemple l'orthose, 6SiO2,Al2O3,K2O, K+ pouvant être remplacé par Na+ ou Ca2+ dans d'autres feldspaths.

- Pyroxènes et amphiboles (17 %) : silicates de Mg2+, Fe2+ ou Ca2+, par exemple : l'amiante (2SiO2,3MgO,2H2O pour la chrysotile).

- Micas (4 %) : par exemple la muscovite : 6SiO2,3Al2O3,K2O,2H2O.

- Autres minéraux : zéolites, kaolinite, talc, vermiculites, olivines, grenats...

 

Données atomiques
Données physiques

SILICE Données chimiques
Données thermodynamiques

 

SILICE NATURELLE

 

Diatomite ou kieselguhr : c'est une roche sédimentaire formée par l'accumulation de squelettes internes d'algues, les diatomées, fossilisées, avec une vitesse de sédimentation qui peut atteindre 2,5 cm/an. Formée de silice amorphe, sous forme d'opale, elle contient près de 65 % d'eau avec, après séchage, une teneur de 86 à 94 % de silice. Après calcination à environ 1000°C, la granulométrie est de l'ordre de 5 à 15µm. Elle possède une surface spécifique élevée.
Les gisements français du Cantal se sont formés à la fin du Miocène, entre 9 et 5 millions d'années. Parmi les 12 000 espèces de diatomées ils renferment 3 espèces : cyclotella et melosira de symétrie radiale et synedra de symétrie axiale. Le gisement d'Auxillac-Foufouilloux, près de Murat a une épaisseur de 20 m et une surface de 800 m sur 1,3 km. Il est recouvert par des moraines sur une épaisseur d'environ 25 m.

Productions, en 2015, en milliers de t. Monde : 2 670, Union européenne (Danemark, France...) : 621. Dans le monde, il y a 23 pays producteurs.

États-Unis

832

Japon

100

Danemark

440

Mexique

80

Chine

420

France

75

Argentine

200

Russie

70

Pérou

150

Turquie 60
Source : USGS

Le plus important gisement mondial, exploité par Imerys Filtration Minerals, société du groupe français Imerys, se situe aux Etats-Unis, près de Lompoc, en Californie. Dans ce pays, en 2015, 79 % de la production provient de Californie et du Nevada. Au total, il y a 12 mines en activité.

Au Danemark, la roche exploitée principalement dans les îles de Fur et Mors, appelée molder, contient 30 % d'argile.

Réserves : les réserves mondiales sont estimées à 1 milliard de t dont 25 % aux Etats-Unis et 11 % en Chine.

Commerce international : en 2015, les Etats-Unis sont le principal pays exportateur avec 75 000 t. Les exportations ont été destinées en ordre décroissant au Canada à 21,5 %, à l'Allemagne avec 16,7 %, à l'Afrique du Sud, à la Chine, à la Belgique.

Producteurs :
Le n°1 mondial est la société Imerys Filtration Minerals, filiale du groupe français Imerys avec des exploitations, aux Etats-Unis, à Lompoc en Californie, Quincy au Nevada et Fernley dans l’État de Washington, en France, à Murat (15), en Espagne, au Chili, en Chine, au Mexique, au Pérou.

Autres producteurs :
- Eagle Picher Minerals, aux Etats-Unis, à Clark et Fernley, dans le Nevada et à Vale dans l'Oregon.
- Dicalite, aux Etats-Unis, à Basalt, au Nevada et Burney, en Californie.
- Showa Minerals (Japon), dans les préfectures d'Akita, Okayama et Oita, au Japon et dans la province de Jilin, en Chine.
- CECA, filiale du groupe Arkema, en France a vendu, en novembre 2016, ses activités dans le charbon actif et les agents de filtration, dont la diatomite, au groupe américain Calgon Carbon.

Situation française : exploitation de carrières par Calgon Carbon, à Saint Bauzile (07) et Auxillac-Foufouilloux, près de Murat (15), ce dernier gisement étant également exploité par Imerys. Calgon Carbon traite la diatomite d'Auxillac-Foufouilloux à Riom-ès-Montagnes (15) alors que celle extraite par Imerys est traitée à Murat (15).
- Exportations, en 201
6 : 23 404 t vers l'Espagne pour 14 %, la Belgique pour 10 %, l'Allemagne pour 9 %, la Finlande pour 8 %.
- Importations, en 2016 : 14 404 t du Danemark à 55 %, d'Espagne à 21 %, d'Allemagne à 12 %.

Utilisations :

Consommation : en 2015, la consommation des Etats-Unis a été de 764 000 t.

Secteurs d'utilisation aux Etats-Unis, en 2015 :

Filtration

59 %

Charge minérale 12 %

Ciment

23 %

Absorbant 4 %
Source : USGS

La diatomite, parmi les agents de filtration courants (perlite, cellulose, charbon) des industries alimentaires est considérée comme le meilleur. Elle permet d'éliminer les particules en suspension de taille inférieure à 0,1 µm. Utilisée pour filtrer les jus d'extraction des sucreries, la bière, le vin, l'eau, les huiles... Dans les exploitations viticoles, la diatomite a remplacé les filtres en amiante. Elle permet l'élimination des bactéries et virus de l'eau de consommation.

L'utilisation dans le ciment Portland ne nécessite pas de calcination préalable, ce qui réduit les coûts de production, l'énergie comptant pour 25 à 30 % du prix de revient de la diatomite.

La diatomite est également utilisées comme charge minérale (par exemple dans des peintures), isolant thermique, abrasif doux (polish pour carrosseries, savons, dentifrices), support en chromatographie, support de catalyseur, dans le fractionnement du plasma sanguin humain...

La diatomite a permis à Nobel, en 1868, de stabiliser la nitroglycérine et de fabriquer ainsi la "dynamite".

 

Sables : ce sont des alluvions utilisés comme charge pour l'élaboration des bétons et du macadam. Ils sont utilisés également comme lits de filtrage des eaux et effluents.

Aux Etats-Unis, en 2015, la production a été de 931 millions de t destinées à 45 % à la production de bétons, 25 % aux travaux routiers, 13 % à la production de bitume, 12 % aux remblayages.

Situation française : pour les sables et graviers d'alluvions.

- Production, en 2015 : 542 entreprises ont produit 117,9 millions de tonnes.
- Exportations de sable naturel, en 2016 : 2,158 millions de t, vers l'Allemagne à 63 %, la Suisse à 23 %.
- Importations de sable naturel, en 2016 : 1,735 million de t, de Belgique à 53 %, de Suisse à 14 %, des Pays Bas à 13 %.

 

Silices pour l'industrie : les alluvions utilisés sont plus purs que les sables utilisés comme charge des bétons. Les domaines d'utilisation dépendront de la nature et de la teneur des impuretés. Par exemple, la coloration d'un verre dépend de la teneur du sable utilisé comme matière première, en oxydes métalliques et surtout en Fe2O3. Par exemple, une silice pour verre optique doit avoir la composition suivante : SiO2 = 99,8 %, Al2O3 = 0,1 %, Fe2O3 < 0,02 %. Une granulométrie homogène est également un critère important.

Productions, en 2015, en milliers de t. Monde : 181 000, Union européenne, en 2014 : 46 278.

États-Unis

94 900

Australie 5 500

Italie

13 900

Royaume Uni 4 000
France 8 750
Moldavie

3 800

Turquie 8 000
Mexique

3 600

Allemagne

7 500

Espagne

3 400

Source : USGS

En 2015, les Etats-Unis sont le premier pays exportateur avec 4,5 millions de tonnes. Les exportations, en 2014, ont été principalement destinées au Canada à 73 %, au Mexique à 15 % et au Japon à 6 %.

Producteurs : le n°1 mondial est le groupe belge Sibelco, avec 214 sites de production, tous produits de carrières confondus, dans 41 pays.

Principales sociétés en Amérique du Nord : Unimin Corp., filiale du groupe belge Sibelco, avec des carrières aux Etats-Unis, Canada et Mexique, U.S. Silica Co., Fairmount Santrol, avec une capacité de production de 7,5 millions de t/an, Preferred Sands of Genoa, avec des capacités de production de 6 millions de t/an aux Etats-Unis et au Canada, Carmeuse, groupe belge, avec une production de 2 millions de t/an en Amérique du Nord...

Recyclage : la silice utilisée en fonderie est en grande partie recyclée, ainsi que celle contenue dans le verre lors de son recyclage.

Situation française : en 2015, production de 8,75 millions de t.

http://www.mi-france.fr/doc/fr_carte_mi.jpg
Source : MI-france

- Principaux producteurs :

Sibelco exploite 11 carrières de silice, à Compiègne (60), Crépy-en-Valois (60), Montgru-Saint-Hilaire (02), Bourron-Marlotte (77), Nemours (77), Hostun (26), Bédoin (84), Entraigues-sur-Sorgues (84), Durance (47), Saint-Césaire (17), Mios (33).
Samin, filiale de Saint Gobain, exploite des carrières de silice à Moru (Pont-Sainte-Maxence, 60), Rozet Saint Albin (02), Roncevaux (Buthiers, 77) et Marcheprime (33).
Quartz d'Alsace, à Bischwiller (67).

Utilisations :

Consommation, aux Etats-Unis, en 2015 : 90,7 millions de t.

Secteurs d'utilisation, aux Etats-Unis : en 2015.

Fracturation hydraulique et bétonnage des puits d'extraction d'hydrocarbures

71 %

Charge minérale

2 %

Industrie verrière

7 %

Produits de construction

2 %

Fonderie

6 %

Chimie

1 %

Source : USGS

- Fracturation hydraulique : ces dernières années, aux Etats-Unis, le développement spectaculaire de la production de gaz et pétrole de schiste a entraîné une forte consommation de silice dans ce secteur. Les grains de silice permettent de maintenir la perméabilité de la roche fracturée.

- Industrie verrière: le verre contient de 60 à 75 % de silice, voir le chapitre verre. En France, la silice provenant de l'Oise, qui contient seulement de 90 à 170 ppm de Fe2O3, est particulièrement appréciée.

- La silice fondue ou verre de silice est utilisée pour ses propriétés réfractaires (appareillages, tubes, ampoules de lampe aux halogènes) ou pour sa transparence aux rayonnements UV, par exemple pour la confection de cuves pour spectromètres UV. Ces cuves, en verre de silice, donc amorphe, sont improprement appelées en "quartz", forme cristallisée de la silice.

- Fonderie : pour la fabrication de moules et noyaux. Plus le sable est fin, meilleur sera l'état de surface de la pièce métallique obtenue après coulée. Le sable utilisé doit être exempt de calcaire (provenant par exemple de fossiles) afin d'éviter, à chaud, un dégagement de dioxyde de carbone.

- Matière première pour la fabrication du silicate de sodium et de la silice synthétique, voir ci-dessous.

- Matière première pour la fabrication du carbure de silicium, des ferro-silicium et du silicium, voir ci-dessous.

- Matière première pour la fabrication de céramiques, d'abrasifs, d'émaux…

- Charge de peintures, colles, mortiers, plastiques, caoutchoucs, cosmétiques…

- Amendements agricoles.

- Décapage des métaux, des pierres…

 

SILICES SYNTHÉTIQUES

 

Les silices synthétiques sont constituées de dioxyde de silicium de grande pureté. Elles se présentent sous forme d'une poudre blanche et leurs propriétés dépendent de leur mode de fabrication. On distingue généralement les procédés par voie humide permettant d’obtenir la silice précipitée, le gel et le sol de silice, des procédés par voie thermique permettant d’obtenir la silice pyrogénée, la silice à l'arc et la microsilice. Ces silices, amorphes, ne présentent pas de risque élevé de silicose comme les silices cristallisées.

Les monocristaux de quartz sont constitués de silice ultrapure cristallisée sous la forme alpha du quartz. Ils sont préparés par croissance hydrothermale, en général, sur des cristaux de quartz naturel.

Polymorphes de silice


Source : CEFIC-ASASP, 2002

Unités de production européennes de silice synthétique amorphe

Usines

Produit

Rheinfelden, Allemagne

silice pyrogénée

Wesseling, Allemagne

silice précipitée

Bonn-Beuel, Allemagne

silice précipitée

Worms, Allemagne

gel de silice

Duren, Allemagne

silice précipitée

Burghausen, Allemagne

silice pyrogénée

Nunchritz, Allemagne

silice pyrogénée

Warrington, Royaume-Uni

silice précipitée et gel de silice

Barry, Royaume-Uni

silice pyrogénée

Antwerpen, Belgique

silice pyrogénée

Ostende, Belgique

silice précipitée

Zubillaga-Lantaron, Espagne

silice précipitée

Hamina, Finlande

silice précipitée

Uddevalla, Suède

silice précipitée

Delfzijl, Pays-Bas

silice précipitée

Collonges au Mont d'Or, France

silice précipitée

Source : CEFIC-ASASP, 2002

En 2014, la production mondiale de silices synthétiques (précipitées, pyrogénées, gels et sols) est de 2,7 millions de t. En 2015, la production de l'Union européenne est de 628 303 t dont 224 572 t en Allemagne, 220 661 t en France, 69 968 t en Espagne, 31 152 t en Italie, 25 691 t en Belgique.

 

Silices précipitées : elles représentent, avec 2,1 millions de t, 80 % de la production mondiale des silices amorphes synthétiques. Ces silices sont caractérisées par une grande porosité. Elles sont obtenues par action d'un acide (principalement H2SO4, mais aussi HCl, CO2…) sur une solution de silicate de sodium (de rapport molaire SiO2/Na2O compris entre 2 et 3,5). Le pH est maintenu supérieur à 7, la concentration de la solution est de 40 à 150 g de SiO2/L.

(SiO2)x(Na2O)y,nH2O + y H2SO4 = x SiO2 + y Na2SO4 + (y+n) H2O

- Le silicate de sodium est préparé soit par fusion alcaline (avec Na2CO3), à 1050-1100°C, du sable naturel, soit par attaque à 180-220°C du sable par la soude. En 2015, la production de l'Union européenne, comptée en silice contenue, est de 1,668 million de t, dont 857 172 t en Allemagne, 326 172 t en Espagne, 91 832 t en Italie, 31 181 t en France. Autres utilisations du silicate de sodium : dans les détergents, le collage des cartons, pour la préparation des zéolithes.

- Consommation par t de silice précipitée par H2SO4, le silicate étant préparé par fusion alcaline :

Sable : 1 050 kg Na2CO3 : 500 kg H2SO4 : 430 kg

Propriétés : insolubles dans les acides (sauf HF) et solubles dans les solutions basiques (de pH > 9). Surface spécifique de 20 à 600 m2/g. Les groupes silanols (Si-O-H) présents en surface leur confèrent leur caractère hydrophile. L'eau physisorbée peut être éliminée à 180°C.

Principaux producteurs :
- Solvay, produit des silices précipitées dans 9 sites dont Collonges-au-Mont-d'Or, en France, Chicago Heights (Illinois, Etats-Unis), Qingdao (province de Shandong, Chine) avec 2 sites de production et 112 000 t/an, Inchéon (Corée du Sud), dont une partie de la production devrait, en 2017, être transférée à Gunsan, qui produira 80 000 t/an, Paulinia (Brésil), Barquisimeto (Venezuela), Livorno (Italie) et Wloclaweck (Pologne) avec 85 000 t/an. Au total, Solvay produit près de 500 000 t/an.
Autres producteurs mondiaux importants :
- Evonik (Allemagne), dans 9 sites, aux Etats-Unis à Chester, en Pennsylvanie, en Thaïlande à Map Ta Phut, en Allemagne à Wesseling, en Espagne à Zubillaga-Lantaran, en Turquie à Adapazari, en Inde à Gajraula, au Japon à Akoh, à Taïwan à Ta Yuan, en Chine dans une joint venture à Nanping et au Brésil à São Paulo. Fin 2016, Evonik a annoncé l'acquisition des activités dans la silice de J.M. Huber Corporation (Etats-Unis), qui possède des unités de production aux Etats-Unis à Etowa, dans le Tennessee et Havre de Grace dans le Maryland, en Chine à Qingdao, avec 40 000 t/an, en Belgique à Ostende, en Finlande à Hamine, en Inde à Jhagadia.
- PPG (Etats-Unis), aux Etats-Unis à Lake Charles, en Louisiane et Barberton, dans l'Ohio et aux Pays Bas à Delfzijl.

Situation française : production par Solvay à Collonges-au-Mont-d'Or (69).

Utilisations : principalement le renforcement des élastomères des semelles des chaussures de sport, en remplacement des noirs de carbone qui présentent l'inconvénient de laisser des traces noires sur le sol.

Dans les pneumatiques (pneus verts), en association avec le noir de carbone jusqu'à 50-50, elles diminuent de 30 % leur résistance au roulement et ainsi entraînent une consommation moindre d'essence de 4,5 %. Leur adhérence au caoutchouc est assurée par un organosilane. Des pneus ne contenant que de la silice à la place du noir de carbone peuvent être colorés dans la masse.

Dans les dentifrices elles apportent leur pouvoir polissant et nettoyant et permettent de régler la rhéologie des pâtes.

Pouvant adsorber 2 fois leur masse de liquide, elles sont utilisées comme support de liquides visqueux et hygroscopiques afin de les transformer en poudre sèche (vitamines A et E…). Fixant l'humidité, elles s'opposent à la prise en masse de poudres (antimottage) et ainsi sont utilisées comme fluidifiant du sel de table, de la poudre de café, du sucre glace… Utilisées dans la fabrication de papiers spéciaux : comme couche barrière pour éviter la pénétration du solvant de l'adhésif dans le papier des étiquettes autocollantes.

Elles sont utilisées comme activateur des bétons projetés à la place de l'aluminate de calcium.

 

Gel de silice (silicagel) : obtenu de la même façon que les silices précipitées mais à pH < 7. La suspension d'hydrogel formé est filtrée, lavée et séchée. Sans frittage on obtient un aérogel, avec frittage, un xérogel. Très poreux (sa surface spécifique est comprise entre 300 et 1000 m2.g-1, avec un diamètre des pores d'environ 2,5 nm), très hydrophile, il peut adsorber de l'eau jusqu'à plus de 40 % de sa masse.

 

% en poids

SiO2

> 95

Na2O

0,2-2,4

Sulfates comptés en SO3

0,2-3,0

Fe2O3

< 0,05

Traces d'oxydes

< 0,07

Composition d'une silice précipitée ou d'un gel de silice synthétique amorphe
classique [49, CEFIC-ASASP, 2002]

Utilisations : comme agent desséchant dans les laboratoires. L'industrie des dentifrices et des cosmétiques utilise du gel de silice comme abrasif et épaississant.

 

Sols de silice (silice colloïdale) : ce sont des suspensions stables, dans l'eau, de particules quasi sphériques (de 10 à 100 nm de diamètre), de concentration en SiO2 en général inférieure à 50 % en masse. Obtenus par passage d'une solution de silicate de sodium sur des résines échangeuses de cations.

Utilisations : agent de polissage des plaquettes de silicium pour applications en microélectronique. Après coagulation, utilisés comme liant de produits réfractaires, précurseur pour la fabrication de fibres minérales de silice, support de catalyseurs, donnent des propriétés anti salissantes et antistatiques aux revêtements de sols ainsi que dans des textiles, clarifient des boissons et également incorporés comme charges dans les vernis et les peintures.

 

Silices pyrogénées ou de pyrohydrolyse : elle sont formées par hydrolyse de SiCl4 à 1000°C.

SiCl4 + 2 H2O –––› SiO2 + 4 HCl

- De haute pureté (> 99,8 % en silice), elles présentent un faible caractère hydrophile (pas de microporosité).

 

% en poids

SiO2

> 99,8

A12O3

< 0,05

Fe2O3

0,003

HCl

0,025

TiO2

< 0,03

Na2O

0,0009

Source : Composition d'une silice pyrogénée synthétique amorphe classique [49,
CEFIC-ASASP, 2002]

Production : en 2015, la capacité de production chinoise a atteint 100 000 t/an.

Producteurs :
- Evonik (Allemagne) exploite 8 usines, en Allemagne à Rheinfelden et Leverkusen, aux Etats-Unis à Mobile et Waterford, en Belgique à Anvers, en France à Roussillon, au Japon à Yokkaichi, en Thaïlande à Map Ta Phut.
- Cabot (Etats-Unis), aux Etats-Unis à Tuscola, dans l'Illinois, à Midland, dans le Michigan et à Billerica, au Massachusetts, en Chine dans la province de Jiangxi, au Royaume Uni à Barry, en Allemagne à Rheinfelden, en Inde avec 50 % d'une usine à Mettur Dam.
- Wacker (Allemagne), en Allemagne à Burghausen et Nünchritz et en Chine à Zhangjiagang, dans une joint venture avec Dow Corning.

Situation française : production par Evonik, à Roussillon (38), avec une capacité de production de 8 000 t/an.

Utilisations : afin de renforcer les élastomères silicones et les résines PVC ainsi que comme additif dans les encres et les adhésifs. Elles sont également employées dans les industries agroalimentaire et pharmaceutique pour épaissir les liquides ou faciliter l'écoulement des poudres et empêcher leur prise en masse.

 

Silices à l'arc : elles sont obtenues par fusion, à 1800-2100°C, de sable de grande pureté (pureté en SiO2 supérieure à 99,8 % en masse), à l'arc électrique, pendant environ 15 h. Le verre de silice obtenu est coulé en lingots qui sont ensuite broyés. Elles présentent une résistance importante aux chocs thermiques et ont une faible conductibilité thermique. Elles sont utilisées pour l'encapsulation de composants électroniques.

 

Microsilice (ou fumée de silice) : sous-produit de la fabrication du silicium, du ferro-silicium et des silico-alliages. Les particules, amorphes, ont des dimensions de 0,01 à 1 µm. Les particules, possédant une surface spécifique de 15 à 25 m2/g, sont très réactives.

Source : http://www.concrete.elkem.com/dav/2c7d946881.pdf

La production d'une tonne de silicium génère de 400 à 500 kg de fumée de silice. Une tonne de ferrosilicium (à 75%), de 200 à 250 kg.

Jusqu'en 1985, cette silice n'était pas valorisée. Ces "poussières" étaient d'abord rejetées dans l'atmosphère puis, pour protéger l'environnement, récupérées par filtration des fumées et placées en décharge.

Productions : la production mondiale est estimée à 1,5 million de t/an.

Producteurs :
Le groupe FerroGlobe, possède des capacités de production de 186 500 t/an, avec des usines en France, en Espagne à Cee avec 3 500 t/an, Dumbría avec 14 500 t/an et Sabón avec 17 000 t/an, en Afrique du Sud à Polokwane avec 25 000 t/an et Rand Carbide avec 16 500 t/an, au Venezuela avec 22 000 t/an.
En 2015, les ventes ont été de 154 683 t. Produit également de la fumée de silice, aux Etat-Unis, au travers de sa filiale, Norchem, dans l'Ohio, à Beverly, dans l'Alabama, à Selma et Bridgeport, en Virginie Occidentale à Alloy, dans l'état de New York à Niagara Falls.

Situation française : production par Ferropem, filiale du groupe espagnol FerroGlobe, de 76 000 t/an de fumée de silice, dans les usines suivantes :
- Anglefort (01) : 18 500 t/an lors de la production de silicium.
- Château Feuillet (73) : 12 000 t/an lors de production de silicium, ferrosilicium et silico-calcium.
- Montricher (73) : 13 500 t/an, lors de la production de silicium.
- Les Clavaux (38) : 15 000 t/an lors de la production de silicium.
- Laudun (30) : 13 000 t/an, lors de la production de silicium et de ferrosilicium.
- Pierrefitte (65) : 4 000 t/an, lors de la production de silico et ferroalliages.

Elkem (Norvège), filiale du groupe chinois Bluestar, produit de la microsilice en Norvège, à Bremanger, Salten et Thamshavn, et commercialise 250 000 t/an dont 100 000 t/an provenant d'autres producteurs.

- Utilisée dans les bétons hautes performances, à des teneurs d'environ 10 %. Elle augmente la fluidité, la résistance à la compression (qui passe, à 28 jours, de 20-40 MPa à 60-120 MPa) et diminue la perméabilité (voir le chapitre ciments). Les particules de fumée de silice réagissent avec l'hydroxyde de calcium libéré lors de l'hydratation du ciment en donnant un silicate de calcium hydraté faisant prise comme le ciment.

 

Cristaux monocristallins de quartz alpha (de haute pureté) : élaborés, depuis 1955, date de la première mise sur le marché, par croissance hydrothermale à partir d'une solution de SiO2 dans NaOH, à 360°C et 1,7 kbar. Il faut environ 2 mois pour obtenir un quartz d'un kg par croissance à partir de lames minces orientées de quartz naturel. Des quartz de 7 kg peuvent être ainsi obtenus.
Afin de garantir l'approvisionnement du pays en germes de croissance, fin septembre 2015, le stock des Etats-Unis s'élève à 7 148 kg de quartz naturel avec des cristaux de 0,2 à 10 kg.

- La production mondiale est estimée à 4 000 t/an (45 % en Asie, 30 % en Amérique du Nord, 20 % en Russie).

- Producteurs : Sawyer, à Eastlake, Ohio, aux Etats-Unis, Groupe Mineral, à Alexandrov, région de Vladimir, Russie.

- En France, Gemma Quartz & Crystal, ex Société Industrielle des Combustibles Nucléaires (SICN, Areva), à Annecy, produit du quartz de très haute qualité avec, en 2012, une production de 2,5 t/an de cristaux de quartz brut, dans 4 autoclaves. La durée de croissance peut atteindre 6 mois.

- La consommation des Etats-Unis, en 2014, est de 1 600 kg.

- Utilisés comme matériau piézo-électrique (dans les filtres de fréquence, l'électromécanique (déplacements du microscope à effet tunnel), montres...).

 

FERROSILICIUM

 

Les ferrosiliciums contiennent de 8 à 95,1 % de silicium, celui à 75 % de silicium étant le plus utilisé. Ils représentent les 4/5 de l'utilisation du silicium (hors silice) et 21 % de la production de ferro-alliages.

Autres ferro-alliages contenant du silicium : silico-ferro-chrome, silico-manganèse, ferro-silico-aluminium, silico-ferro-titane, silico-calcium, ferro-silico-magnésium.

Matières premières : quartz, tournure de fer et coke métallurgique, houille ou coke de pétrole.

Fabrication : ils sont élaborés au four électrique à arc par réduction de SiO2, en présence de fer. L'électricité représente 20 à 25 % des coûts de production (8 500 kWh/t de ferrosilicium à 75 %). La fumée de silice produite est récupérée pour élaborer des bétons hautes performances (voir ci-dessus).

Productions : en 2014, en milliers de t d'alliage. La production mondiale de ferrosilicium était de 7,96 millions de t, celle de silicomanganèse de 12,7 millions de t, celle de ferro-chrome-silicium de 238 000 t. La production dans l'Union européenne de ferrosilicium est de 244 600 t, celle de silicomanganèse de 223 300 t.

  Fe-Si Si-Mn   Fe-Si Si-Mn

Chine

5 500 7 900 Islande 115 -

Russie

1 002 174 Brésil 98 138

Norvège

285 314 Espagne 80 129
Ukraine 142 841 Afrique du Sud 78 228
États-Unis 294, en 2012 - Venezuela 74 18

Inde

132 1 741 Kazakhstan 0,5 201
Source : USGS

Producteurs :

En Chine : le n°1 mondial est Erdos Metallurgy Group avec une capacité de production, à Erdos, en Mongolie Intérieure de 850 000 t/an de ferrosilicium et 300 000 t/an de silicomanganèse.

En Russie : Chemk produit, dans l'usine de Kuznetsk, 500 000 t/an de ferrosilicium avec 15 fours. Mechel, a produit, en 2015, dans son usine de Bratsk, 92 300 t de ferrosilicium.

En Ukraine : Stakhanov Ferroalloys, Nikopol Ferroalloy Plant, à Nikopol, avec 1 million de t/an de silicomanganèse et Zaporizhiya Ferroalloys.

Aux Etats-Unis :
- FerroGlobe, voir ci-dessous.
- CC Metals and Alloys : avec une capacité de 100 000 t/an dans son usine de Calvert City dans le Kentucky.

En Norvège :
- Elkem, filiale du groupe chinois Bluestar, produit du ferrosilicium en Norvège, dans ses usines de Bremanger avec 36 000 t/an, Bjølvefossen avec 40 000 t/an, en Islande à Grundartangi avec 120 000 t/an et au Canada, province du Québec, à Chicoutimi avec 40 000 t/an. Fin 2016, Elkem a acquis la société Fesil qui produit 90 000 t/an de ferrosilicium dans son usine de Rana, en Norvège.
- Finnfjord produit, dans 4 fours, 100 000 t/an dans son usine située près de Finnsnes, en Norvège.
- Eramet produit du silicomanganèse (voir ci-dessous).

FerroGlobe, issu de la fusion, en 2015, de FerroAtlantica et de Globe Speciality Metal, produit du ferrosilicium en Espagne, au Venezuela, aux Etats-Unis, en Afrique du Sud et en France avec sa filiale FerroPem. Ses capacités de production sont de 253 000 t/an de ferrosilicium et 229 500 t/an de silicomanganèse. En Espagne, les usines sont situées en Galicie, à Cee (18 000 t/an de Fe-Si et 37 000 t/an de Si-Mn) et à Dumbria (61 000 t/an de Fe-Si), en Huesca, à Monzon (80 000 t/an de Si-Mn), en Cantabrique, à Boo (115 000 t/an de Si-Mn). Aux Etats-Unis, les usines sont situées dans l'Ohio, à Beverly avec 40 000 t/an de Fe-Si et dans l'Alabama, à Bridgeport avec 35 000 t/an de Fe-Si. Au Venezuela, l'usine est située à Puerto Ordaz avec 96 000 t/an de Fe-Si et 22 000 t/an de Si-Mn. En Afrique du Sud, les usines sont situées à New Castle avec 45 000 t/an de Fe-Si et eMalahleni avec 40 000 t/an de Fe-Si. Pour la France, voir ci-dessous.
Par ailleurs Ferroglobe produit du silico-calcium, en Argentine à Mendoza avec 21 000 t/an et en France à Château Feuillet (73) avec 15 000 t/an.

Eramet, a produit, en 2015, 219 000 t de silicomanganèse standard ainsi que du silicomanganèse affiné, avec des usines en Norvège, à Sauda, Porsgrunn et Kvinesdal, avec 165 000 t/an, en France, à Dunkerque, avec 70 000 t/an, aux Etats-Unis à Marietta, en Chine, à Guilin et au Gabon, à Moanda, avec 65 000 t/an.

Situation française :

En 2014, production de 49 600 t de ferrosilicium et 64 800 t de silicomanganèse.
La production de FerroPem (ex-Pechiney Électrométallurgie racheté par FerroAtlantica devenu FerroGlobe) est effectuée à Château Feuillet (73) avec 20 000 t/an de silicoalliages et 15 000 t/an de Si-Ca, Laudun (30) avec 35 000 t/an de Fe-Si, Pierrefitte (65) avec 14 000 t/an de silicoalliages.
Production de silicomanganèse, par Eramet, dans son usine de Dunkerque, avec une capacité de production de 70 000 t/an.

Commerce extérieur : en 2016.
Ferrosilicium à plus de 55 % de Si :
- Importations : 41 950 t à 15 % de Norvège, 13 % d'Islande, 8 % d'Italie.
- Exportations : 57 651 t à 56 % vers l'Allemagne, 14 % l'Italie, 9 % l'Inde.

Ferrosilicomanganèse :
- Importations : 45 644 t à 29 % de Norvège, 20 % des Pays Bas, 17 % d'Italie, 13 % de Corée du Sud, 9 % de Géorgie.
- Exportations : 104 070 t à 62 % vers l'Allemagne, 12 % l'Italie, 7 % la Pologne.

Consommations :

La consommation européenne est d'environ 950 000 t/an de ferrosilicium.
En 2014, la consommation des Etats-Unis a été de 271 000 t de ferrosilicium et de 146 000 t de silicomanganèse.

Utilisations : à 85 % dans l'élaboration des aciers, 15 % dans la fonte de moulage.

- Sidérurgie : comme désoxydant des aciers et élément d'alliage (pour plaques de transformateur et aciers inoxydables). Utilisation de 3 à 4 kg de ferrosilicium/t d'acier et environ 10 kg de ferrosilicium par tonne d'acier inoxydable.

- Élaboration de Mg par silicothermie (voir le chapitre consacré au magnésium).

 

Données atomiques
Données physiques
CARBURE DE SILICIUM Données chimiques
Données thermodynamiques

 

Appelé également carborundum, de formule SiC. Sa dureté est de 9,5 dans l'échelle de Mohs (entre le diamant et le corindon - Al2O3).

Fabrication : au four électrique vers 2 400°C pendant 2 à 20 jours, à partir de sable pur et de coke de pétrole, selon le procédé Acheson. La consommation d'énergie est de 23,8 MJ/kg de SiC.

SiO2 + 3 C ––––> SiC + 2 CO

Il existe 2 qualités courantes de carbure de silicium, qualités qui sont obtenues simultanément :

- cristallisée (pureté > 97,5 %) : utilisée pour élaborer des briques réfractaires pour hauts fourneaux et comme abrasif pour le travail des métaux et de la pierre.

- amorphe (pureté d'environ 90 %) : utilisé comme élément d'addition dans la fonte et les aciers.

SiC se forme dans la partie centrale du four. Les couches externes dans lesquelles la réaction est incomplète sont recyclées dans une nouvelle production.

Productions : capacités annuelles en milliers de t, en 2015. Monde : 1 010.

Chine 455 Mexique 45
Norvège 80 Brésil 43
Japon 60 Allemagne 36
Inde 60 Etats-Unis 35
Source : USGS

En 2015, la production des Etats-Unis est de 35 000 t.

Producteurs :

Saint-Gobain avec ses filiales Norton et Carborundum, possède une capacité de production de 170 000 t/an dans ses usines en Norvège à Lillesand et Arendal avec 67 000 t/an de capacité, au Venezuela, à Los Teques, au Brésil, en Chine et à travers sa filiale Grindwell Norton, à Tirupati, état de l'Andhra Pradesh, en Inde et à Phuentsholing, au Bhutan.

REF-Processing avec ses filiales ESD-SIC et ESK-SIC produit du carbure de silicium à Grefrath, en Allemagne avec une capacité de 33 000 t/an et à Delfzijl, aux Pays Bas, avec 65 000 t/an.

Washington Mills, possède une capacité de production de 60 000 t/an, aux Etats-Unis, à Hennepin dans l'Illinois et, en Norvège, à Orkanger.

Volzhsky Abrasive Works, filiale du groupe indien Carborundum Universal Limited (CUMI), possède en Russie une capacité de production de 70 000 t/an. Par ailleurs CUMI produit du carbure de silicium en Inde, à Cochin.

Situation française : en 2016.

En 2015, la capacité de production est de 16 000 t.

- Exportations : 2 558 t à 79 % vers l'Allemagne, 14 % la Belgique.
- Importations : 31 337 t à 23 % de Belgique, 15 % de Norvège, 14 % du Venezuela, 12 % d'Allemagne, 8 % de République tchèque.

Utilisations :

La consommation des Etats-Unis, en 2015, est de 151 000 t.

Secteurs d'utilisation : abrasifs : 50 %, métallurgie : 35 %, produits réfractaires : 15 %.

Autres utilisations :

- Résistances électriques.

- Dans des automobiles pour élaborer des roues de turbocompresseur, des joints de pompe à eau…

- Des fibres monocristallines de SiC (whiskers) de 1µm de diamètre et de 10 à 100 µm de longueur sont produites et utilisées comme fibres de renforcement de céramiques (par exemple Al2O3 avec 25 à 30 % en masse de SiC), de métaux (par exemple l'aluminium qui atteint ainsi le module élastique de l'acier tout en n'ayant que 1/3 de sa masse volumique), de polymères. Des alumines renforcées aux fibres sont utilisées dans l'usinage de superalliages utilisés dans l'aéronautique, l'aluminium renforcé dans la fabrication de pistons pour les automobiles.

- En électronique, comme semi-conducteur, grâce aux bonnes propriétés suivantes :

- Large bande interdite.
- Bonne conductivité et stabilité thermique.
- Mobilité des porteurs de charges importantes.
- Bonne résistance mécanique.
- Bonne résistance aux rayonnements.

La large bande interdite permet au carbure de silicium de travailler à de hautes températures avec des courants et tensions élevés, de supporter des densités de puissance importantes et de réduire les pertes. Par conséquent, ce matériau est destiné à des applications électroniques en milieux «hostiles» tels que les secteurs militaire et spatial, l'automobile...

 

Données atomiques
Données physiques
SILICIUM Données chimiques
Données thermodynamiques

 

FABRICATION INDUSTRIELLE : par métallurgie, selon la réaction :

SiO2 + 2 C ––––> Si + 2 CO

La réduction de la silice a lieu dans un four électrique à arc (à électrode de carbone) à l'aide de coke de pétrole, de charbons bitumineux et de copeaux de bois. Le volume de CO formé est très important, plus de 5 000 m3/t de Si. En conséquence, la charge des fours doit être très poreuse pour évacuer ce gaz. La perméabilité est améliorée par ajout de copeaux de bois.

La cuve du four est animée d'un lent mouvement de rotation. La température est de l'ordre de 1700°C. La difficulté de la réduction est liée à la formation de SiC qu'il faut éviter.

- Pour produire 1 t de Si, les consommations sont les suivantes (en kg) :

Quartz : 2 900 Copeaux de bois : 1 580
Coke de pétrole : 740 Électrodes : 150
Charbon bitumineux : 590 Énergie : 11 000 kWh

- Le silicium obtenu, de qualité métallurgique, a une teneur de 98 à 99 % de Si.

- Le silicium destiné à des applications en photovoltaïque ou en micro-électronique subit ensuite une purification poussée, pour atteindre une pureté supérieure à 99,9999 %.

Élaboration du silicium de grande pureté : le silicium de qualité métallurgique est transformé en trichlorosilane (SiHCl3). La réaction a lieu en lit fluidisé vers 300°C, en présence de catalyseur :

Si + 3 HCl –––> SiHCl3 + H2

Le rendement est de 90 %.

SiHCl3 (qui a une faible température d'ébullition : te = 31,8°C) est purifié par distillation fractionnée, il est plus volatil que les chlorures des principales impuretés. Après purification, la teneur en impuretés actives électriquement est inférieure à 1 ppb atomique.

Le trichlorosilane ou le silane (SiH4) est ensuite décomposé, en présence de H2, à 1000-1100°C, selon le procédé Siemens, sur la surface d'un filament de silicium de pureté électronique, chauffé par effet Joule et placé sous une cloche en silice. Le réacteur peut mesurer jusqu'à 2 m de hauteur et contenir 6 résistances. La vitesse de dépôt est inférieure à 1 mm/h et le rendement est faible. On obtient du silicium polycristallin.

Le procédé, en lit fluidisé, utilisé par REC et SunEdison, consiste à réduire le trichlorosilane ou le silane sur des grains de silicium de qualité électronique, en suspension dans la phase gazeuse. Le silicium formé se dépose sur les grains en suspension qui grossissent. La consommation d'énergie par rapport au procédé Siemens est ainsi réduite de 80 à 90 %. Le silicium polycristallin obtenu est destiné aux applications photovoltaïques.

Elkem Solar produit du silicium polycristallin destiné à une application photovoltaïque à l'aide d'un procédé hydrométallurgique consommant 1/4 de l'énergie du procédé classique par la voie silane. L'usine, d'une capacité annuelle de production de 6 000 t, est située à Kristiansand, en Norvège.

 

PRODUCTIONS de silicium métallurgique, en 2014, en milliers de t. Monde, hors Etats-Unis : 2 600, Union européenne : 280.

Chine 2 000 Russie 50
Norvège 150 Australie 48
États-Unis, capacités annuelles 150 Afrique du Sud 34
France 100 Canada 30
Brésil 92 Espagne 29
Source : USGS

La production des Etats-Unis, effectuée par deux sociétés, FerroGlobe et Dow Corning, est confidentielle.

Capacités mondiales de production de silicium polycristallin de grande pureté, en 2015 : 300 000 t/an destinées, en 2014, à 90 % pour élaborer des cellules photovoltaïque et à 10 % à la microélectronique. En 2014, la production a été de 274 000 t et en 2013, la consommation, de 228 000 t.

Producteurs de silicium de qualité métallurgique : en milliers de t de capacités annuelles de production, en 2016 :

Ferro Globe 493 Rusal (Russie) 62
Dow Corning 207 Liasa (Brési)l 60
Elkem 159 Wacker (Allemagne) 55
Rima (Brésil) 103 Simcoa (Australie) 53
Source : FerroGlobe

Ferro Globe, issu de la fusion, en 2015, de FerroAtlantica et de Globe Speciality Metal, possède, en 2016, des capacités de production de 493 000 t/an situées, en France, voir ci-dessous, en Espagne, à Sabón, en Galice (40 000 t/an), en Chine à Mangshi, dans le Yunnan (36 000 t/an), en Afrique du Sud, à Polokwane (55 000 t/an) et à Rand Carbide (12 000 t/an), aux Etats-Unis avec un total de 135 000 t/an, à Beverley, dans l'Ohio, avec 25 000 t/an, à Selma, dans l'Alabama, avec 24 000 t/an, Niagara Falls, dans L’État de New York, avec 27 000 t/an et Alloy, en Virginie Occidentale, avec 36 700 t/an, correspondant à 51 % de la joint venture formée avec Dow Corning et au Canada, à Becancourt, dans la province de Québec avec 23 000 t correspondant à 51 % de la joint venture formée avec Dow Corning.

La capacité de production de Dow Corning (Etats-Unis), est en 2016, de 207 000 t/an. La production est autoconsommée pour produire des silicones.

Elkem, filiale du groupe chinois Bluestar, avec une capacité de production de 159 000 t/an, produit en Norvège, à Salten (65 000 t/an), Thamshavn (40 000 t/an) et Bremanger (28 000 t/an).

En 2015, la production de Rusal a été de 60 410 t.

Producteurs de silicium de grande pureté : parts de marché des principaux producteurs, en 2015.

GCL (Chine) 24 % Hemlock (Etats-Unis) 8 %
Wacker (Allemagne) 19 % TBEA (Chine) 5 %
OCI (Corée du Sud) 16 % RECSilicon (Norvège) 4 %
Source : Wacker

GCL En-Polyergy Holdings, société chinoise, possède une capacité de production de 65 000 t/an.

Wacker (Allemagne) : produit, avec une capacité de 56 000 t/an, portée à 80 000 t/an en 2016, du silicium polycristallin de qualité électronique en Allemagne à Burghausen (32 000 t/an) et Nünchritz (15 000 t/an) et aux Etats-Unis à Charleston dans le Tennessee (20 000 t/an). Sa filiale Siltronic, détenue à 78 % produit des wafers pour des applications en microélectronique, en Allemagne à Burghausen et Freiberg, aux Etats-Unis à Portland dans l'Oregon et à Singapour.

OCI (Oriental Chemical Industries, Corée du Sud) : possède à Gunsan, en Corée du Sud, une capacité de production de 52 000 t/an.

Hemlock (Etats-Unis) : joint venture entre Dow Corning (Etats-Unis) 80,5 % et Shin-Etsu (Japon) 19,5 %. La production est réalisée aux Etats-Unis à Hemlock dans le Michigan. La capacité de production de silicium polycristallin est de 40 000 t/an.

RECSilicon (Norvège) : a produit, en 2015, 16 883 t de silicium de grande pureté et vendu 3 076 t de composés gazeux de grande pureté du silicium. La production a lieu aux Etats-Unis à Moses Lakes, dans l'état de Washington, pour le photovoltaïque et à Butte, dans le Montana pour l'électronique.

Tokuyama, produit du silicium polycristallin à Tokuyama, au Japon, avec 6 200 t/an destinées à l'électronique et en Malaisie avec 13 500 t/an destinées au solaire.

Commerce international :

En 2015, les importations des Etats-Unis ont été de 150 000 t, les exportations de 39 000 t.

En 2014, les exportations de la Chine ont été de 871 000 t, vers la Corée du Sud à 19 %, le Japon à 18 %.

 

SITUATION FRANÇAISE :

Production, en 2014, de 100 000 t.

Producteurs : la production française est assurée par Ferropem, filiale du groupe espagnol FerroGlobe, avec des capacités de production de 155 000 t/an de silicium, dans les usines suivantes :
- Anglefort (01) : 38 000 t/an avec 2 fours de 33 MW.
- Château Feuillet (73) : 23 000 t/an avec 2 fours de 20 MW.
- Montricher (73) : 33 000 t/an, avec 2 fours de 17 MW et 1 de 25 MW.
- Les Clavaux (38) : 38 000 t/an avec 3 fours de 12, 26 et 28 MW.
- Laudun (30) : 23 000 t/an.

Commerce extérieur : en 2016.

Silicium d'une pureté inférieure à 99,99 % :
Exportations : confidentielles
Importations : 30 779 t à 63 % de Norvège, 16 % des Pays Bas, 6 % d'Allemagne.

Silicium d'une pureté supérieure à 99,99 % :
Exportations : 179 t vers le Royaume Uni à 51 %, Hong Kong à 21 %, la Tunisie à 14 %, l'Ukraine à 7 %.
Importations : 581 t du Royaume Uni à 44 %, d'Allemagne à 36 %.

UTILISATIONS :

Utilisations : en % de la consommation mondiale, en 2014.

Silicones 50 % Photovoltaïque 10 %
Alliages d'aluminium 40 % - -
Source : Globe

 

Silicones ou polysiloxanes : polymères de formule [R2SiO]n, avec R, généralement un groupe méthyl mais aussi éthyl ou phényl. Elles se présentent sous 3 formes physiques : huiles (50 % des utilisations des silicones), élastomères (35 %) et résines. Elles existent sous forme de plus de 2000 produits.

Propriétés : elles possèdent une très grande stabilité thermique (de -100 à 300°C) et inertie chimique. Hydrophobes, organophobes, anti-adhérentes, tensioactives, lubrifiantes, isolants électriques, les élastomères silicones sont très résistants au rayonnement ultraviolet. Les propriétés mécaniques sont améliorées par des charges, par exemple de silice précipitée.

Fabrication industrielle : par action, vers 300°C, de composés organochlorés, principalement le chlorure de méthyle (CH3Cl), sur le silicium de qualité métallurgique, en présence de catalyseurs (dérivés de cuivre). Le principal composé fabriqué est le diméthyldichlorosilane, (CH3)2SiCl2, séparé par distillation, qui par hydrolyse donne le diméthylsilanediol, (CH3)2Si(OH)2. L'élimination d'eau entre deux molécules conduit à la formation de chaînes de polysiloxanes (silicones).

Production mondiale : estimée, en 2013, à 2,1 millions de t, avec 40 % des capacités installées en Chine. En 2015, la production de l'Union européenne est de 1,263 million de t dont 482 432 t en Allemagne.

Principaux producteurs :

Dow Corning (Etats-Unis), n° 1 mondial, c'est une filiale de Dow Chemical Company après l'achat, fin 2015, de la moitié des parts détenues par Corning Incorporated. Possède des unités de production aux Etats-Unis, dans le Kentucky, à Carrollton et Elizabethtown, dans le Michigan à Auburn et Midland, en Caroline du Nord à Greenboro, dans l'Indiana à Kendallville, en Allemagne, à Wiesbaden, en Belgique à Seneffe, au Royaume Uni, à Barry dans le Pays de Galles, au Brésil à Campinas, au Japon en association avec Toray, en Corée du Sud, en Chine à Zhangjiagang (joint venture avec Wacker).

Wacker (Allemagne), n°2 mondial : possède des sites de production en Allemagne à Burghausen et Nünchritz, au Brésil à Jandira, en Chine à Zhangjiagang, en Inde à Kolkata, au Japon à Akeno en association avec Asahi-Kasei, en Corée du Sud à Suwon, en Norvège à Holla, en République Tchèque à Plzen, aux Etats-Unis à Adrian (Michigan), Chino (Californie), North Canton (Ohio).

Momentive (Etats-Unis), n°3 mondial : produit du siloxane aux Etats-Unis à Waterford (New York), en Allemagne à Leverkusen, au Japon à Ohta, en Chine à Jiande.

Shin-Etsu (Japon) : produit au Japon, dans le complexe de Gunma, à Naoetsu et Takefu, au Etats-Unis à Akron dans l'Ohio, au Brésil à Sao Paulo, aux Pays Bas à Almere, en Corée du Sud, à Taïwan, en Thaïlande, en Chine.

Bluestarsilicones (France/Chine) : filiale du groupe China National Bluestar Corporation au travers de sa filiale Elkem, son siège social mondial est basé à Lyon. Produit en France, voir ci-dessous, aux Etats-Unis à York, en Caroline du Sud, en Italie à Caronno Pertusella, en Espagne à Santa Perpetua, au Brésil à Sao Paulo et en Chine à Shanghai.

Situation française : production par Bluestar Silicones qui a repris, le 1er janvier 2007, l'activité silicones de Rhodia. La production de siloxanes est effectuée à Roussillon (38) et celle de polysiloxanes à Saint Fons (69) avec des capacités annuelles de 120 000 t/an.
Commerce extérieur :
- Exportations : confidentielles.
- Importations, en 2016 : 36
598 t d'Allemagne à 38 %, de Belgique à 20 %, du Royaume Uni à 13 %.

Utilisations :

- Les consommations sont réalisées, en 2012, à 36 % en Chine, 23 % en Europe et 17 % aux Etats-Unis.

- Secteurs d'utilisation : en Europe, en 2014, sur une consommation de 500 000 t :

Construction 42 % Electricité, électronique 6 %
Industries 19 % Transports 6 %
Soins personnels 8 %    
Source : CES

Utilisations diverses : dans les bains d'huile (fluide caloporteur), la lubrification, dans les transformateurs (propriétés isolantes), dans les produits d'entretien (hydrophobie), comme agent de démoulage de plastiques et caoutchoucs (organophobie), en cosmétologie et en alimentation (inertie chimique et innocuité), en hydrofugation et comme mastic et colle dans le bâtiment, en imperméabilisation des tissus, comme anti-adhérent (ustensiles de cuisine), comme anti-mousse…

Quelques exemples d'utilisation :

- Mastic de scellement des 60 000 vitres de 1,8 m par 3,6 m de la Bibliothèque Nationale de France François Mitterrand.

- Recouvre le papier qui protège les adhésifs.

- Pour la consolidation et hydrofugation de l'Arc de Triomphe de Paris.

- Utilisées pour mouler la grotte de Tautavel (400 m2) afin de la reproduire en grandeur nature à quelques centaines de mètres : consommation de 2,4 t de silicones sur 3 mm d'épaisseur.

- L'implantation de prothèses mammaires en silicones est effectuée depuis 1965.

- Matériau des lentilles de contact.

- Les élastomères siliconés sont utilisés pour fabriquer des claviers (montre, calculatrice, orgues…).

- Utilisation de plus en plus fréquente dans l'alimentaire avec les moules à gâteaux, à tartes, les ustensiles de cuisine...

 

Alliages d'aluminium : voir le chapitre aluminium.

Élaborés en fonderie (par exemple : A-S7G, A-S7U3). Ils contiennent de 2 à 18 % de Si. La très grande majorité de ces alliages présente une composition eutectique (12,7 % de silicium) ou proche. L'ajout de silicium à l'aluminium augmente la coulabilité mais réduit l'usinabilité.

Utilisations pour fabriquer des jantes automobiles (alliage à 7 % de Si), des culasses (5 % Si), des pistons (18 % Si).

 

Photovoltaïque : voir le chapitre énergie.

L'énergie solaire totale reçue par la terre est de 1 575 106 TWh/an à 35 % réfléchis, 18 % absorbés par l'atmosphère et 47 % absorbés par le sol. Le soleil, dans les conditions maximales d'ensoleillement, donne 1 kW/m2. Le rendement de conversion des cellules commercialisées est compris entre 15 et 20 % pour le silicium monocristallin (le rendement de 20 % a été dépassé pour des modules commercialisés), 13 à 15 % pour le silicium polycristallin, 5 à 13 % pour le silicium amorphe. Un rendement de 43,5 % a été obtenus, en laboratoire, pour une cellule à triple jonction.

500 000 km2 (environ 2 % de la surface des déserts terriens) couverts de cellules photovoltaïques pourraient, après électrolyse de l'eau donner une production de dihydrogène correspondant à la consommation annuelle mondiale de combustibles fossiles. Pour produire toute l'électricité consommée aux États-Unis, il faudrait couvrir 34 000 km2 (0,37 % de la superficie du pays) de cellules photovoltaïques.

Une cellule photovoltaïque est une diode de grande surface (en général de 100 mm de côtés pour les cellules en silicium cristallin) et de faible épaisseur (150 à 300 micromètres pour le silicium cristallin et quelques micromètres pour le silicium amorphe), en silicium dopé différemment (n et p) sur chaque face. La tension délivrée par une cellule est de quelques dixièmes de volt.

Les cellules en silicium monocristallin (mono-Si), polycristallin ou multicristallin (poly-Si) ou silicium amorphe (a-Si) sont montées en série pour donner des modules qui délivrent des puissances comprises, le plus souvent, entre 150 et 250 Wc (le Watt-crête est la puissance obtenue dans des conditions standards d'ensoleillement : éclairement de 1 kW/m2, température de cellule de 25°C, ...). Un ensemble de modules forme un champ photovoltaïque. Les cellules sont protégées de l'humidité par encapsulation généralement dans un polymère EVA (éthylène-vynil-acétate) et sont placées entre une plaque avant, en verre, et une plaque arrière, en verre ou en polymère. En 2013, les cellules sont à 90 % à base de silicium dont 55 % en silicium polycristallin, les technologies en couches minces représentent une part de 10 %.

Cellules en silicium multicristallin : utilisées pour des applications de puissance (de 100 W à plusieurs MW). La société Photowatt , filiale de EDF ENR, à Bourgoin Jallieu (38) utilise pour élaborer ses cellules, les rebuts de fabrication (queues et têtes de lingots) de silicium monocristallin employé en électronique ou du silicium polycristallin. La fusion de ces chutes et leur cristallisation colonnaire en gros grains (procédé "Polix") donne des lingots (54 cm x 54 cm x 22 cm), pesant 150 kg qui sont découpés, par une scie à fil, en plaques (10 cm x 10 cm) de 180 micromètres d'épaisseur.

Cellules en couches minces : en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H), élaborées en couches minces sous vide. Des plaques de verre sont recouvertes d'oxyde d'étain (transparent et conducteur), puis de silicium obtenu par décomposition de silane (SiH4), en plasma, par décharge électrique radiofréquence, et enfin d'aluminium pour former l'électrode arrière. Le silicium est d'abord dopé au phosphore en introduisant de la phosphine (PH3) puis au bore en introduisant du diborane (B2H6). Le silicium contient de 2 à 10 % de H2. L'épaisseur de silicium est inférieure au micromètre. Le rendement de conversion initial de ces cellules est de 8 à 10 %, mais au cours du temps, une perte de rendement de 15 à 20 % se produit. Toutefois, ces cellules, contrairement au silicium cristallisé, fonctionnent sous très faible éclairement (10 lux).
Les cellules de petite surface (quelques cm2) sont surtout destinées à l'alimentation des montres et calculettes (100 millions de calculatrices, dans le monde, ainsi équipées). Les modules de plus grande surface (quelques 103 cm2) sont plutôt employés sur des toitures industrielles.
Air Liquide est un important fournisseur mondial de silane utilisé dans l'élaboration de couches minces mais aussi de silicium épitaxié sur des wafers. Les limites actuelles de purification sont de 10 ppta (10 atomes étrangers pour 1 trillion de molécules, 10.10-6 ppm).

- Autres technologies, sans silicium : tellurure de cadmium, CIS (cuivre-indium-sélénium), CIGS (cuivre-indium-gallium-sélénium).

Installation de modules, en 2015, en MWc. Monde : 54 000.

Chine 13 000 Inde 2 200
Japon 10 000 Allemagne 1 500
États-Unis 7 500 France 1 000
Source : Wacker

En 2014, l'installation mondiale cumulée de modules représente 180 GWc.

Producteurs principaux de modules photovoltaïques, en MWc, en 2015.

Entreprises

Pays

Production

Trina Solar

Chine

5 740

Jinko Solar

Chine

4 512

Canadian Solar

Chine, Canada

4 384

JA Solar

Chine

3 673
Hanwha Q Cells Corée du Sud, Allemagne 3 306

First Solar

Etats-Unis

2 900

Yingli Green Energy

Chine

2 400

Renesola

Chine

1 600

Solar World

Allemagne

1 159

SunPower

Etats-Unis

969
Source : EurObser'ER

SunPower est détenu à 60 % par le groupe français Total.

- Situation française :

- Photowatt à Bourgoin-Jallieu (38) a produit, en 2010, 600 t de silicium multicristallin et 70 MWc de modules en silicium multicristallin.

- Emix, filiale du groupe FerroGlobe, à St Maurice-La Souterraine (36), produit 300 t/an de silicium multicristallin à l'aide d'un procédé de tirage continu d'un lingot de silicium à partir d'un creuset froid électromagnétique.

- Solems à Palaiseau (91) : production de petits modules de silicium amorphe pour applications en micropuissance.

Utilisations : en France, les installations sont principalement reliées au réseau électriques. En 2015, la puissance installée a été de 879,5 MWc, la production, de 6,700 TWh et la puissance totale cumulée installée de 6 578,5 MWc.

- L'équipement de résidences individuelles (< 9 kWc) représente 92 % des installations et 18 % de la puissance installée.

- L'équipement de bâtiments tertiaires, industriels ou ruraux (entre 9 et 250 kWc) représente 7,4 % des installations et 39 % de la puissance installée.

- Les centrales au sol (> 250 kWc) représentent 0,3 % des installations et 41 % de la puissance installée.

 

Électronique : dans ce secteur d'utilisation, il est nécessaire de fabriquer du silicium monocristallin (afin d'éviter de réduire la mobilité des porteurs de charges par la présence d'imperfections - joints de grains, dislocations… - dans le potentiel périodique du réseau cristallin) et de très haute pureté (qualité électronique) : moins de 1 atome étranger (en particulier d'éléments dopants) pour 1010 atomes de Si. Toutefois les teneurs en carbone et oxygène sont plus élevées : de l'ordre de 0,1 à 1 atome pour 105 atomes de Si.

Le silicium est un semi-conducteur intrinsèque dont la largeur de bande interdite est de 1,12 eV et la résistivité de 2 000 W.m (1,7.10-3 W.m pour le cuivre, 1013 W.m pour le diamant).

- de type n : avec ajout de P, As, Sb (1 atome pour 105 à 108 atomes de Si).

- de type p : avec ajout de B, Al, In.

Une tranche de silicium de 150 mm de diamètre permet de produire 75 puces de 16 mégabits. Actuellement des tranches de 200 mm et 300 mm sont commercialisées. Ces dernières peuvent contenir 375 puces de 16 mégabits.

Élaboration de Si monocristallin : surtout selon la méthode de Czochralski (silicium CZ, concerne environ 80 % de la production) dans un four sous atmosphère d'argon, à 1450°C. Un germe de Si monocristallin (dont l'axe vertical est en général la direction cristallographique <100>) est plongé dans du silicium liquide, maintenu dans un creuset en silice, puis tiré lentement (de 0,4 à 3 mm/min.). Lors du tirage, le creuset et le cristal, en cours de formation, sont animés d'un mouvement de rotation en sens inverse, à la vitesse de quelques tours/min. L'opération dure environ 30 h pour obtenir des cylindres (lingots) de 30 à 100 kg, jusqu'à 2 m de hauteur, les diamètres varient de 200 mm à 300 mm. Les éléments dopants sont introduits dans le bain de fusion sous forme de Si fortement dopé. Les lingots de silicium sont ensuite découpés en plaquettes (wafers) de 1 à 2 mm d'épaisseur (en moyenne 300 plaquettes par lingot). Les circuits intégrés utilisent, à 95 %, le silicium CZ.

- La technique de la zone fondue flottante (silicium FZ, concerne environ 20 % de la production) permet d'obtenir des cristaux de très haute pureté qui faiblement dopés donnent des résistivités plus élevées et sont plutôt utilisés pour les composants discrets. L'avantage de cette technique, plus longue et plus chère à mettre en œuvre, est d'éviter la contamination du silicium par un creuset. Le silicium est chauffé par induction, sous argon. La vitesse de déplacement de la zone fondue est de l'ordre de 1 mm/min.

- Du silicium monocristallin est également préparé, en couches minces (moins de 10 micromètres d'épaisseur), par croissance épitaxique, couche par couche, par décomposition de SiH4.

 

Bibliographie :

- International Diatomite Producers Association (IDPA – membre de IMA-Europe), rue des Deux Eglises 26, box 2, B-1000 Bruxelles, Belgique.

- European Industrial Minerals Association (IMA-Europe), 26 rue des deux Eglises, B-1000 Bruxelles, Belgique.

- Association of synthetic amorphous silica producers (ASASP), CEFIC, Avenue E. van Nieuwenhuyse, 4 box 1, B-1160 Bruxelles, Belgique.

- Centre Européen des Silicones (CES), CEFIC, Avenue E. van Nieuwenhuyse, 4 box 2, B-1160 Bruxelles, Belgique.

- Silicon Carbide & More, PO Box 503, Glen Ellyn, Illinois, Etats-Unis.

- Les silicones, Rhône-Poulenc, Techno-Nathan, 1988.

- Journal of Chemical Education, 11 (63) 956, novembre 1986.

- L'Actualité Chimique, septembre-octobre 1991.

- BUP, n°744, mai 1992.

- Techniques de l'Ingénieur, "Silicones", 1995.

- Le point des connaissances sur les silices amorphes, ED 5033, Institut national de recherche et de sécurité pour la prévention des accidents du travail et des maladies professionnelles (INRS), juillet 2007.

- UNICEM (Union Nationale des Industries de Carrières et Matériaux de Construction), 3 Rue Alfred Roll, 75849 Paris Cedex 17.

- Minéraux Industriels France, 3 rue Alfred Roll, 75849 Paris Cedex 17.

- The European Association of Industrial Silica Producers (Eurosil), 26 rue des deux Eglises, B-1000 Bruxelles, Belgique.

- Silica Fume Association, 38860 Sierra Lane, Lovettsville, Virginie, 20180, Etats-Unis.

- European Silica Fume Committee, 12 Av. de Broqueville, 1150 Bruxelles, Belgique.

- FEDEM, 17 rue de l'Amiral Hamelin, 75783 Paris Cedex 16.

- Produits chimiques inorganiques en grands volumes : solides et autres, Commission européenne, août 2007.

- Silicon Carbide Manufacturers (SiCMa), BiPRO, Grauertstrasse 12, D-81545 Munich, Allemagne.

- Federation of European Producers of Abrasives (FEPA), 20 Av. Reille, 75014 Paris.

- Centre Européen des Silicones, Av. van Nieuwenhuyse 4, box 2, B-1160 Bruxelles, Belgique.

- "The socioeconomic impact of the silicones industry in Europe", CES Silicon Europe, mars 2016.

- "The socio-evaluation of the global silicones industry", Global Silicones Council, mars 2016.

- Global Silicones Council.

- Site EurObserv'ER.

- Photovoltaique.info, association Hespul, 114 Bd du 11 novembre 1918, 69100 Villeurbanne.

- Y. Durand, Situation du secteur photovoltaïque en France, année 2010, Ademe, mai 2011.

- Groupement des Métiers du Photovoltaïque, 7-9 rue La Pérouse, 75784 Paris Cedex 16.

 

© Société Chimique de France