高純石英（high-purity quartz）是生產(chǎn)單晶硅、多晶硅、石英玻璃、光纖、太陽(yáng)能電池、集成電路基板等高性能材料的主要原料。高純石英砂主要應用在石英玻璃和ＩＣ的集成電路等行業(yè)，其高檔產(chǎn)品被廣泛應用在大規模及超大規模集成電路、光纖、激光、軍事和航天工業(yè)。高純石英的重要性還在于多晶硅用金屬硅的制備，使之成為晶硅及其太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵原料。由于這些行業(yè)關(guān)系到國家的長(cháng)遠發(fā)展，因此，高純石英的戰略地位非常重要，其高端產(chǎn)品的加工技術(shù)被美國、德國等所壟斷，并限制技術(shù)和產(chǎn)品出口。
基于高純石英在新能源和新材料等戰略性新興產(chǎn)業(yè)中的十分重要性，目前研究體會(huì )，是能夠厘清高純石英的概念并對我國加工技術(shù)進(jìn)行概況總結，以促其技術(shù)發(fā)展。
１ 高純石英概念及其主要品種
石英，化學(xué)式SiO2，是α－石英（低溫石英）和β－石英（高溫石英）的總稱(chēng)；未加說(shuō)明時(shí)，常指α－石英。
石英是一種堅硬、耐磨、化學(xué)性能穩定的硅酸鹽礦物，通常為乳白色或無(wú)色，半透明狀，硬度７，性脆，無(wú)解理，貝殼狀斷口，油脂光澤，相對密度2.65，其電學(xué)、熱學(xué)和某些機械性均具有明顯的異向性。石英的化學(xué)性質(zhì)穩定，不溶于酸（除HF），微溶于KOH溶液中，熔化溫度1710℃～1756℃，冷卻后即變?yōu)槭⒉ＡА?br />
高純石英是采用天然石英礦物資源加工的高端石英礦物原料產(chǎn)品，其主要特征是對SiO2純度要求極高，幾乎不允許鐵、鈦、鉻、鋯、鋰、鉀、鈉等金屬離子和包裹體羥基（OH－）存在。目前，對于高純石英產(chǎn)品還沒(méi)有統一的國家標準。有的將ｗ（SiO2）＞3N（99.9％）叫高純石英，＞4N 叫超高純石英；有的則將ｗ（SiO2）為3N-5N叫高純石英，6N-7N叫超高純石英。綜合前人觀(guān)點(diǎn)和當前國際技術(shù)水平，可得到高純石英一般概念，即高純石英系指ｗ（SiO2）≧3N-5N、ｗ（Fe2O3）＜10×10-6的石英。需要說(shuō)明的是，在高純材料中，通常采用N 來(lái)表示純度。因此，在此提出采用N來(lái)表示高純石英中SiO2的含量或純度，即1N為ｗ（SiO2）≧90％，2N為ｗ（SiO2）≧99％，3N為ｗ（SiO2）≧99.9％，如此類(lèi)推。
目前，根據產(chǎn)品應用的不同，高純石英存在多個(gè)品種。一是按粒度分為40目～70目和70目～140目的高純石英砂，以及＜140目的不同粒度的高純石英粉。如表１所示，40目～70目和70目～140目高純石英砂產(chǎn)品具有更加廣泛的應用。一是按SiO2純度分３Ｎ，４Ｎ，５Ｎ的高純石英砂／粉。如表2所示，美國尤尼明公司（Unimin）正是按SiO2純度形成了IOTA高純石英系列產(chǎn)品。
２ 我國高純石英加工技術(shù)現狀
高純石英一般選用天然水晶為原料，再經(jīng)過(guò)精選提純加工后，才能達到質(zhì)量指標要求。但是，在世界范圍內，高品級石英原料緊缺，天然水晶儲量逐年減少，價(jià)格昂貴，并逐漸趨向枯竭。因此，采用其他硅質(zhì)礦物資源替代天然水晶石具有非常重要實(shí)際意義。
早在20世紀70年代，國外就開(kāi)始研究利用石英砂制備高純石英砂的技術(shù)，美、德、日等發(fā)達國家在尋找替代水晶原料加工高純石英方面做了大量工作，技術(shù)發(fā)展迅猛。例如，日本于20世紀90年代由Stato和Kemmochi分別從細粒偉晶巖中分離出透明的高純石英。德國和俄羅斯則在脈石英、變質(zhì)石英巖中尋找高純石英。20世紀80年代，美國PPCC公司在英國西北海岸地區的花崗巖中提純石英，SiO2含量達4N，Fe雜質(zhì)小于1×10－6，其他過(guò)渡元素小于10－6，供應西歐作為石英玻璃原料。90年代，美國尤尼明公司在北卡羅來(lái)那州地區的花崗巖中分選、提純出高純石英，其SiO2含量達4Ｎ以上，純度最高者達５Ｎ以上，產(chǎn)品質(zhì)量能很好地滿(mǎn)足各種透明石英玻璃的要求。至今，美國尤尼明的石英砂產(chǎn)品已發(fā)展到了第6代，總雜質(zhì)含量小于8×10－6，透明度為光學(xué)級，SiO2純度正由99.9992％向99.9994％方向發(fā)展。因此，美國尤尼明公司在高純石英加工技術(shù)、生產(chǎn)規模和質(zhì)量檢測精度等都處于世界領(lǐng)先水平，其IOTA系列產(chǎn)品售價(jià)達30元／Kg～100元／Kg，幾乎壟斷了國際市場(chǎng)。
20世紀80年代末以來(lái)，我國陸續開(kāi)始有替代天然水晶的研究工作報道，所采用的原料主要是SiO2含量在２Ｎ左右的脈石英、石英巖和石英砂巖等，并普遍采用酸浸等方法加工高純石英，取得了初步成效：
第一，脈石英：由于脈石英的SiO2通常大于2N，而且與天然水晶相比，其資源儲量相對比較豐富，所以成為研究的重點(diǎn)。例如，張凌燕等介紹了以３種巖性特征各異的脈石英巖為原料，經(jīng)浮選、酸處理制取3N高純石英微粉的可能性。韓憲景（1987）以ｗ（SiO2）為99.60％的脈石英為原料，提純加工3N高純石英砂（40目～70目，70目～140目）。劉理根等以ｗ（SiO2）為99.76％的脈石英為原料，提純加工粒度為80目～140目的4N高純石英粉。張明等（2004）公開(kāi)了一種以ｗ（SiO2）為99.0％～99.6％的脈石英為原料，提純加工粒度為800目～2500目的3N－4N高純石英 粉的方法。
第二，石英巖：由于石英巖資源儲量比較豐富，引起了人們的興趣和關(guān)注。例如，田金星（1999）以ｗ（SiO2）為98.97％的石英巖為原料，提純加工粒度小于80目的４Ｎ高純石英粉，并認為粒度控制非常關(guān)鍵，粒度大于80目將很難制取合格的高純石英砂。李楊（１９９８）以ｗ（SiO2）為99.84％的石英巖為原料，提純加工4N 高純石英粉（60目～100目，100目～150目），并認為酸處理劑一定要用混合酸，特別是ＨＦ的加入是保證高純的必要條件。
第三，石英砂巖及其他：石英砂巖是玻璃、陶瓷、鑄造等工業(yè)用石英砂硅質(zhì)礦物原料的主要來(lái)源之一。由于石英砂巖資源最為普遍，前人也進(jìn)行了高純石英加工的有益嘗試。例如，牛福生等以ｗ（SiO2）為98.78％的石英砂巖為原料，提純加工3N 高純石英砂。另外，張殿飛公開(kāi)了一種以“硅石”為原料，采用熱酸浸和冷爆炸（將物料從零下200℃～300℃突然投入到400℃～550 ℃高溫爐中）等加工4N 高純石英粉的方法。楊圣闖等公開(kāi)了一種采用“石英原礦”和高梯度磁選及熱酸浸等加工粒度為5μｍ～50μｍ的4N高純石英粉的方法。
綜上所述，盡管我國在取得了一定進(jìn)展，但整體技術(shù)水平與美國尤尼明公司等相比還有相當大的差距，主要表現在：
（１）從產(chǎn)品的SiO2純度上看，我國達到3N-4N還僅限于粉料，粒度40目～70目和70目～140目的高純石英砂僅限于3N，而美國尤尼明公司的5N級產(chǎn)品已實(shí)現工業(yè)化產(chǎn)生。
（２）從產(chǎn)品品種看，目前還沒(méi)有滿(mǎn)足各種純度和粒度要求的系列化產(chǎn)品生產(chǎn)。
（３）從產(chǎn)業(yè)化規?？?，江蘇連云港等地區有數十家石英加工企業(yè)，但其產(chǎn)生規模一般都小于1000ｔ／ａ。劉國庫等認為，連云港地區目前處于用水晶作原料制取高純石英砂的國內最高水平，但是在大量工業(yè)化生產(chǎn)中，由于其均勻性和內在品質(zhì)的化學(xué)含量的不穩定，只適合于中、低檔石英玻璃。因此，總的來(lái)說(shuō)，我國還未徹底解決提取高純石英砂的工藝技術(shù)問(wèn)題，高純、低羥基石英原料的技術(shù)難關(guān)還未攻克，大規模工業(yè)化的技術(shù)尚不成熟。
３ 我國高純石英技術(shù)發(fā)展建議
近年來(lái)，我國新能源和新材料等戰略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，已經(jīng)成為晶硅、石英玻璃和集成電路等生產(chǎn)大國，高純石英需求量正逐年增長(cháng)。但是，我國高純石英在品種和規模上都不能滿(mǎn)足需求，例如，生產(chǎn)高檔石英玻璃等所需要高純石英還需要從國外高價(jià)進(jìn)口（，大口徑石英管、高質(zhì)量石英棒和石英錠以及光通信使用的石英玻璃也需要大量進(jìn)口。更為重要的是，高純石英處在硅產(chǎn)業(yè)鏈的源頭，對相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)起到關(guān)鍵的制約作用。例如，迄今為止，我國晶硅及其太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)鏈還不完整，缺失或短板主要在產(chǎn)業(yè)鏈的上游，因為據有關(guān)資料介紹，我國太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)鏈上游的硅料和硅錠生產(chǎn)在很長(cháng)時(shí)間內依靠國外的技術(shù)，而高純多晶硅及其生產(chǎn)所需的三氯氫硅主要依賴(lài)進(jìn)口。目前，高純硅材料已成為制約我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，其主要原因之一可能與源頭所需的高純石英砂技術(shù)不成熟有直接的關(guān)系。還需要指出的是，碳熱還原法是繼目前普遍采用的改良西門(mén)子法之后生產(chǎn)高純多晶硅的技術(shù)發(fā)展方向之一，對高純石英和碳的純度提出了更嚴格要求。顯然，高純石英或超高純石英加工將成為這一高新技術(shù)的制高點(diǎn)之一。
實(shí)際上，由于技術(shù)保密等原因，公開(kāi)報道的高純石英加工技術(shù)信息很少，我國對美國尤尼明公司等發(fā)達國家相關(guān)企業(yè)的技術(shù)細節并不清楚。若不改變我國高純石英技術(shù)現狀，將制約與之密切相關(guān)的新能源和新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。根據本課題組的研究認識，發(fā)展我國的高純石英砂技術(shù)是一項系統工程，主要包括資源地質(zhì)勘查、礦物學(xué)基礎、提純工藝技術(shù)與裝備、產(chǎn)品質(zhì)量標準和檢測技術(shù)等內容，為此，特提出如下建議：
（１）加強我國高純石英用優(yōu)質(zhì)礦物資源的地質(zhì)勘查工作。自然界能夠作為工業(yè)應用的石英礦物資源一般統稱(chēng)硅質(zhì)原料，主要有脈石英、石英巖、石英砂巖、粉石英和天然石英砂以及天然水晶和花崗巖等成因類(lèi)型。我國的天然水晶礦床貧礦多、富礦少，高級別儲量少，多為伴生礦床，開(kāi)采條件差，開(kāi)采后多憑手工分選，各地水晶雜質(zhì)含量差別較大，產(chǎn)品質(zhì)量不穩定，難于實(shí)現原料的標準化供應，遠不能達到高品級石英玻璃的現代化生產(chǎn)要求。因此，加強其它優(yōu)質(zhì)硅質(zhì)礦物資源的地質(zhì)勘查工作是滿(mǎn)足我國高純石英產(chǎn)生需要的必然要求。因此，應當根據新的需要，建立相應的地質(zhì)勘查標準和規范，對它們進(jìn)行重新評價(jià)，過(guò)去的小礦可能變?yōu)榻裉斓拇蟮V。
（２）加強我國高純石英礦物資源的礦物學(xué)應用基礎研究。礦物原料的性質(zhì)和特點(diǎn)是礦物材料研究與應用的基本前提或重要基礎，甚至處于礦物材料學(xué)的中心地位。硅質(zhì)礦物資源有多種成因類(lèi)型，依目前的加工技術(shù)水平，并不是每一種都適用于高純石英加工。那么，哪些類(lèi)型并具有哪些特征才是適合用于高純石英加工的優(yōu)質(zhì)礦物資源呢？前人一般以SiO2含量為標準，采用２Ｎ左右的硅質(zhì)礦物原料加工高純石英，從原料選擇到加工方法上都具
有較大的盲目性。實(shí)際上，由于所用原料的石英礦物含量很高，雜質(zhì)含量很少，依目前的測試分析技術(shù)，確定雜質(zhì)及其賦存狀態(tài)有很高的技術(shù)難度。因此，必須加強高純石英礦物資源的礦物學(xué)應用基礎研究，尤其是與高純石英加工密切的工藝礦物學(xué)研究，重點(diǎn)查明硅質(zhì)礦物資源中的雜質(zhì)及其賦存狀態(tài)，包括雜質(zhì)的化學(xué)成分、礦物成分、包裹體、形狀大小、嵌布狀態(tài)、類(lèi)質(zhì)同像等，及其與加工工藝的關(guān)系，為高純石英用優(yōu)質(zhì)礦物資源地質(zhì)勘查評價(jià)和加工工藝提供科學(xué)依據。
（３）加強我國高純石英的加工技術(shù)研究。從以上介紹可知，磁選、浮選、酸浸是我國高純石英加工主要方法，另外還采用熱爆裂法等工藝去除石英中的包裹體。需要指出的是，在整個(gè)提純加工工藝中，酸浸最為關(guān)鍵。酸浸是利用石英不溶于酸（ＨＦ除外），而其他雜質(zhì)可能被酸液溶解的特點(diǎn)，從而實(shí)現對石英的進(jìn)一步提純。實(shí)踐證明，酸浸對伴生在石英中碳酸鹽類(lèi)礦物、鐵礦物和含鐵礦物以及顆粒表面的薄膜鐵都有較好去除效果。其中ＨＦ酸對云母和長(cháng)石等礦物具有較明顯的溶蝕作用。但是，由于不同種類(lèi)、不同產(chǎn)地和不同特點(diǎn)礦物原料的雜質(zhì)及其賦存狀態(tài)有很大差別，如何根據實(shí)際情況開(kāi)展有針對性地提純加工工藝研究，將是一項長(cháng)期的任務(wù)。另外，由于高濃度的熱酸浸工藝對設備和環(huán)境的破壞作用，研發(fā)適用這種條件下的安全、環(huán)保、高效的技術(shù)裝備也是至關(guān)重要的。
（４）開(kāi)展高純石英產(chǎn)品質(zhì)量標準研究。近年來(lái)，隨著(zhù)新能源和新材料等戰略性新興產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，高純石英才逐漸引起人們的極大關(guān)注。但是，由于我國高純石英產(chǎn)業(yè)起步較晚，技術(shù)整體水平較低，目前還沒(méi)有統一的國家質(zhì)量標準和產(chǎn)品類(lèi)別，甚至高純石英的概念也沒(méi)有比較統一說(shuō)法。因此，盡管人們已經(jīng)認識到高純石英的重要性，但其研究目標、產(chǎn)品質(zhì)量標準并不明確，這對于我國的高純石英技研究與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作是非常不利的。所以，開(kāi)展產(chǎn)品質(zhì)量標準研究，建立與國際接軌高純石英產(chǎn)品質(zhì)量標準和體系，對于促進(jìn)我國高純石英技術(shù)健康發(fā)展是非常必要的。
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