高純石英具有耐高溫、耐腐蝕、強(qiáng)度高、透光率高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)異的物理化學(xué)特性，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、光纖通信、光伏、光學(xué)、電光源等領(lǐng)域，是新一代信息產(chǎn)業(yè)、新能源、高端裝備、新材料等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。長期以來我國高純石英高端產(chǎn)品被美國、德國等壟斷，致使高純石英制品產(chǎn)業(yè)鏈上下游多個(gè)環(huán)節(jié)存在國產(chǎn)化率較低的問題，在高端高純石英領(lǐng)域，形勢(shì)則更為嚴(yán)峻。由于國外對(duì)高純石英生產(chǎn)技術(shù)的封鎖，加快推進(jìn)我國高純石英砂制備關(guān)鍵技術(shù)的自主化和國產(chǎn)化迫在眉睫。

來源：石英股份

高純石英技術(shù)包括原料選擇技術(shù)、提純工藝技術(shù)、加工裝備技術(shù)和質(zhì)量檢測技術(shù)等四個(gè)方面，它們是既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系和相互制約的技術(shù)整體，其中高純石英原料的評(píng)價(jià)選擇與石英提純工藝技術(shù)尤為關(guān)鍵。

高純石英原料選擇與評(píng)價(jià)技術(shù)

高純石英原料分布

目前，能夠用作高純石英原料的礦床工業(yè)類型主要有天然水晶、脈石英和花崗偉晶巖石英三種。從原礦方面來看，雖然我國石英資源豐富，但是大多只能作為硅質(zhì)原料使用，用于生產(chǎn)高純石英的原料匱乏。高純石英產(chǎn)品生產(chǎn)早期選用的原料主要為水晶。但隨著水晶資源的逐步枯竭等原因，近些年逐漸從其他礦物資源入手，比如將脈石英等作為原料制備高純石英，并且取得了一定的成果，脈石英是替代天然水晶加工高純石英的理想原料。

我國脈石英礦產(chǎn)地354處，大部分礦產(chǎn)資源用于中低端產(chǎn)品，用于生產(chǎn)高純石英的脈石英礦物原料資源比較稀缺。國內(nèi)高純石英資源的找礦方向主要側(cè)重于脈石英，江蘇東海、湖北蘄春、安徽太湖等地優(yōu)質(zhì)熱液石英具有成為高純石英原料的潛力，但是由于我國對(duì)高純石英用脈石英原礦勘探?jīng)]有詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)，且脈石英多呈脈狀、雞窩狀分布，礦床規(guī)模小，礦石品質(zhì)不穩(wěn)定，這些脈石英礦床可能只有很少一部分能生產(chǎn)出適用于半導(dǎo)體工藝和芯片制造行業(yè)的高純石英砂，難以滿足高純石英高端產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)的需要，亟待尋找礦體規(guī)模大、礦石品質(zhì)穩(wěn)定的新類型資源。

另外，花崗偉晶巖石英也是生產(chǎn)高純石英的主要原料，它是指由于巖漿作用固結(jié)成巖形成的大顆�；◢弾r或花崗偉晶巖（白崗巖）中的石英。該類礦床中的石英品位多在25%左右，礦物雜質(zhì)主要來自石英顆粒中的流體包裹體及晶格雜質(zhì)元素。美國尤尼明公司采用經(jīng)過改進(jìn)的浮選技術(shù)，利用SprucePine地區(qū)花崗偉晶巖中的石英替代了天然水晶，生產(chǎn)出了高純石英砂。目前花崗偉晶巖型石英已引起國內(nèi)的關(guān)注，并在新疆阿爾泰、北秦嶺等地區(qū)的找礦方面取得初步進(jìn)展。

高純石英雜質(zhì)分析

不同行業(yè)對(duì)于高純石英產(chǎn)品有著不同的質(zhì)量需求，高純石英的質(zhì)量與雜質(zhì)含量并不是簡單的線性關(guān)系，而是取決于其雜質(zhì)的工藝礦物學(xué)特征。不同石英礦的雜質(zhì)特征及含量不盡相同，因此，對(duì)于高純石英原料，剖析其雜質(zhì)特征是確定提純工藝及應(yīng)用方向的前提。

石英中的雜質(zhì)狀態(tài)分為三類：脈石礦物類雜質(zhì)、氣液包裹體類雜質(zhì)、石英晶格雜質(zhì)。脈石礦物類雜質(zhì)是與石英出現(xiàn)在同一空間上的礦物，不同地質(zhì)條件下伴生礦物不盡相同，與之伴生的礦物有長石、云母、金紅石、方解石、螢石以及磁鐵礦和赤鐵礦等含鐵類礦物。研究表明，礦物組成即使很復(fù)雜的石英原料也具備被加工為高純石英的潛力，石英晶粒間隙和晶界間處存在礦物雜質(zhì)的脈石英也可能被加工為高純石英，但是目前技術(shù)條件下，礦物包裹體雜質(zhì)并不能從石英中被有效分離出，因此，不易與脈石礦物單體解離，普遍含有大量包裹體的石英很難被加工為高純石英。

包裹體是包裹在石英礦內(nèi)部的某些固體礦物或氣液雜質(zhì)，流體包裹體的種類、尺寸和含量對(duì)高純石英質(zhì)量有著顯著影響。石英中流體包裹按內(nèi)含物質(zhì)狀態(tài)可以分為：純氣體、純液體、氣液混合包裹體和三相包裹體。關(guān)于如何降低石英中流體包裹體含量的研究雖然已開展很久，但在脫除富氣相、微小尺寸流體包裹體等方面并未取得良好進(jìn)展。

石英晶體在形成過程中，一些元素會(huì)替代硅元素進(jìn)入石英晶體中，形成了石英的結(jié)構(gòu)性雜質(zhì)。這些雜質(zhì)含量雖然很低，但從石英中分離難度大，是制約高純石英質(zhì)量最關(guān)鍵性因素。在現(xiàn)有加工技術(shù)下，石英原料中晶格雜質(zhì)幾乎不能被除去。以晶格雜質(zhì)形式存在的Al元素含量雖然極低，但除去難度極大，是制約高純石英最終質(zhì)量的關(guān)鍵。

因此，關(guān)于高純石英原料的研究應(yīng)至少包括三個(gè)方面：（1）石英與脈石礦物嵌布特征，石英礦物中礦物包裹體含量是決定最終高純石英中雜質(zhì)元素總量的因素之一；（2）流體包裹體，即使雜質(zhì)元素含量很低的石英也未必是高純石英，當(dāng)石英礦物中含有大量流體包裹體時(shí)，其SiO2含量很難達(dá)到高純石英技術(shù)要求；（3）晶格雜質(zhì)，由于晶格雜質(zhì)含量極但極難除去，是制約高純石英質(zhì)量最關(guān)鍵性因素。

高純石英提純工藝技術(shù)

制備高純石英的傳統(tǒng)工藝流程基本都是按照“分選→粗碎→煅燒-水淬→磨礦→篩分→磁選（或電選、色選）→浮選→酸浸（加壓酸浸、微波酸浸）→氯化焙燒”的順序，依次使得高純石英原料完成單體解離，產(chǎn)生微裂紋，破碎包裹體，分離獨(dú)立伴生礦物，去除表面金屬雜質(zhì)，析出內(nèi)部晶格雜質(zhì)，但是具體制備工藝需根據(jù)原礦的礦物學(xué)屬性進(jìn)行進(jìn)一步確定。

擦洗

擦洗是在機(jī)械外力和砂粒間的磨粒剝離力的作用下，將石英砂表面的薄膜鐵、粘性和渾濁雜質(zhì)礦物去除，再通過脫泥工藝達(dá)到石英砂的除雜效果。目前，主要有棒磨擦洗、機(jī)械擦洗和超聲波擦洗。擦洗機(jī)的結(jié)構(gòu)、擦洗時(shí)間、擦洗樣品的濃度、擦洗的次數(shù)等工藝因素都影響著最終擦洗效果。

煅燒-水淬

對(duì)石英進(jìn)行煅燒和水淬。石英在高溫煅燒的過程中，隨著溫度的升高，石英晶體會(huì)發(fā)生膨脹，促使石英表面產(chǎn)生大量的裂紋。裂紋通常出現(xiàn)在界面處以及晶體結(jié)構(gòu)的缺陷處，通過改變煅燒的溫度和時(shí)間，使包裹體破裂，雜質(zhì)暴露于新的表面，從而在后續(xù)的流程中能夠被有效去除。

磁選

磁選是利用石英中雜質(zhì)礦物的磁導(dǎo)率的差異，在磁場的作用下，使具有磁性的雜質(zhì)礦物得以選出。石英砂中的石英是反磁性物質(zhì)，在磁場中不能被磁化，而其中含F(xiàn)e、Ti的雜質(zhì)大多是順磁性物質(zhì)，可以被磁化，從而通過磁選可以除去含F(xiàn)e、Ti的雜質(zhì)，獲得很高的石英砂含量。影響磁選效果的因素有磁場強(qiáng)度、礦漿濃度、礦石粒度等。

浮選

浮選是利用礦物表面的天然或疏水性，攪拌樣品產(chǎn)生氣泡，然后氣泡將礦石顆粒帶到氣泡層進(jìn)行提純。目前石英浮選的方法有三種：無氟有酸法、無氟無酸法、有氟有酸法。根據(jù)雜質(zhì)礦物的種類又分為正浮選和反浮選。由于石英中存在大量的云母和長石，他們的表面性質(zhì)與石英相同，在浮選過程中難度較大。雖然可以去除，但是僅在表面去除。影響浮選效果的因素主要有浮選藥劑的選擇、礦漿的濃度、礦漿的pH值、石英粒度等。

酸浸

礦物包裹體混合酸溶解利用石英只能溶解在氫氟酸中，而其他礦物包裹體雜質(zhì)能被酸溶解的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)石英與雜質(zhì)的分離，常用的酸有硫酸、鹽酸、硝酸、氫氟酸等。天然石英礦物中雜質(zhì)種類多且存在形式復(fù)雜，使用混合酸溶解石英中礦物包裹體雜質(zhì)對(duì)石英砂提純效果最佳。

氯化焙燒

氯化焙燒是去除石英晶格雜質(zhì)、堿金屬等間隙原子類雜質(zhì)最主要的方法，氯化焙燒是在一定溫度和氛圍條件下，將雜質(zhì)組分離子轉(zhuǎn)化為低沸點(diǎn)的氯化物，進(jìn)而將雜質(zhì)組分分離的過程。常用的氯化劑有氯氣、氯化氫、氯化銨、氯化鈉和氯化鈣等，氯化焙燒按產(chǎn)物形態(tài)可分為高溫焙燒(氯化揮發(fā)法)、中溫焙燒(氯化焙燒—浸出法)、氯化—離析。

結(jié)語

目前，國內(nèi)對(duì)高純石英原料的礦物學(xué)研究不足，缺乏高純石英原料礦床的評(píng)價(jià)依據(jù)，未能將礦石性質(zhì)與提純工藝緊密聯(lián)系，且深度提純工藝的研究工作開展較少，與國外先進(jìn)水平差距較大，這些都是造成我國高純石英產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸的重要原因。所以，必須改善我國當(dāng)前高純石英產(chǎn)業(yè)的不利局面，積極尋找能夠穩(wěn)定滿足工業(yè)生產(chǎn)需要的高純石英優(yōu)質(zhì)原料，從整體出發(fā)考慮每個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)高純石英砂進(jìn)行系統(tǒng)的礦物學(xué)研究，并根據(jù)其礦物學(xué)屬性進(jìn)一步選擇提純生產(chǎn)工藝。（來源：中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)硅業(yè)分會(huì)）

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