高純石英

高純石英具有耐高溫、耐腐蝕、強度高、透光率高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)異的物理化學特性，廣泛應用于半導體、光纖通信、光伏、光學、電光源等領域，是新一代信息產業(yè)、新能源、高端裝備、新材料等戰(zhàn)略性新興產業(yè)的關鍵基礎材料。長期以來我國高純石英高端產品被美國、德國等壟斷，致使高純石英制品產業(yè)鏈上下游多個環(huán)節(jié)存在國產化率較低的問題，在高端高純石英領域，形勢則更為嚴峻。由于國外對高純石英生產技術的封鎖，加快推進我國高純石英砂制備關鍵技術的自主化和國產化迫在眉睫。

高純石英技術包括原料選擇技術、提純工藝技術、加工裝備技術和質量檢測技術等四個方面，它們是既相互獨立又相互聯(lián)系和相互制約的技術整體，其中高純石英原料的評價選擇與石英提純工藝技術尤為關鍵。

高純石英原料選擇與評價技術

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原料使用，用于生產高純石英的原料匱乏。高純石英產品生產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。

我國脈石英礦產地354處，大部分礦產資源用于中低端產品，用于生產高純石英的脈石英礦物原料資源比較稀缺。國內高純石英資源的找礦方向主要側重于脈石英，江蘇東海、湖北蘄春、安徽太湖等地優(yōu)質熱液石英具有成為高純石英原料的潛力，但是由于我國對高純石英用脈石英原礦勘探沒有詳細的標準，且脈石英多呈脈狀、雞窩狀分布，礦床規(guī)模小，礦石品質不穩(wěn)定，這些脈石英礦床可能只有很少一部分能生產出適用于半導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品大規(guī)模生產的需要，亟待尋找礦體規(guī)模大、礦石品質穩(wěn)定的新類型資源。

另外，花崗偉晶巖石英也是生產高純石英的主要原料，它是指由于巖漿作用固結成巖形成的大顆?；◢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，礦物雜質主要來自石英顆粒中的流體包裹體及晶格雜質元素。美國尤尼明公司采用經過改進的浮選技術，利用Spruce Pine地區(qū)花崗偉晶巖中的石英替代了天然水晶，生產出了高純石英砂。目前花崗偉晶巖型石英已引起國內的關注，并在新疆阿爾泰、北秦嶺等地區(qū)的找礦方面取得初步進展。

高純石英雜質分析

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

石英中的雜質狀態(tài)分為三類：脈石礦物類雜質、氣液包裹體類雜質、石英晶格雜質。脈石礦物類雜質是與石英出現(xiàn)在同一空間上的礦物，不同地質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的脈石英也可能被加工為高純石英，但是目前技術條件下，礦物包裹體雜質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部的某些固體礦物或氣液雜質，流體包裹體的種類、尺寸和含量對高純石英質量有著顯著影響。石英中流體包裹按內含物質狀態(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展。

石英晶體在形成過程中，一些元素會替代硅元素進入石英晶體中，形成了石英的結構性雜質。這些雜質含量雖然很低，但從石英中分離難度大，是制約高純石英質量最關鍵性因素。在現(xiàn)有加工技術下，石英原料中晶格雜質幾乎不能被除去。以晶格雜質形式存在的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量的關鍵。

因此，關于高純石英原料的研究應至少包括三個方面：（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元素總量的因素之一；（2）流體包裹體，即使雜質元素含量很低的石英也未必是高純石英，當石英礦物中含有大量流體包裹體時，其SiO2含量很難達到高純石英技術要求；（3）晶格雜質，由于晶格雜質含量極但極難除去，是制約高純石英質量最關鍵性因素。

高純石英提純工藝技術

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，產生微裂紋，破碎包裹體，分離獨立伴生礦物，去除表面金屬雜質，析出內部晶格雜質，但是具體制備工藝需根據(jù)原礦的礦物學屬性進行進一步確定。

擦 洗

擦洗是在機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、粘性和渾濁雜質礦物去除，再通過脫泥工藝達到石英砂的除雜效果。目前，主要有棒磨擦洗、機械擦洗和超聲波擦洗。擦洗機的結構、擦洗時間、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

對石英進行煅燒和水淬。石英在高溫煅燒的過程中，隨著溫度的升高，石英晶體會發(fā)生膨脹，促使石英表面產生大量的裂紋。裂紋通常出現(xiàn)在界面處以及晶體結構的缺陷處，通過改變煅燒的溫度和時間，使包裹體破裂，雜質暴露于新的表面，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礦物的磁導率的差異，在磁場的作用下，使具有磁性的雜質礦物得以選出。石英砂中的石英是反磁性物質，在磁場中不能被磁化，而其中含F(xiàn)e、Ti的雜質大多是順磁性物質，可以被磁化，從而通過磁選可以除去含F(xiàn)e、Ti的雜質，獲得很高的石英砂含量。影響磁選效果的因素有磁場強度、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，攪拌樣品產生氣泡，然后氣泡將礦石顆粒帶到氣泡層進行提純。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能被酸溶解的特點，實現(xiàn)石英與雜質的分離，常用的酸有硫酸、鹽酸、硝酸、氫氟酸等。天然石英礦物中雜質種類多且存在形式復雜，使用混合酸溶解石英中礦物包裹體雜質對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、堿金屬等間隙原子類雜質最主要的方法，氯化焙燒是在一定溫度和氛圍條件下，將雜質組分離子轉化為低沸點的氯化物，進而將雜質組分分離的過程。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。

總結

目前，國內對高純石英原料的礦物學研究不足，缺乏高純石英原料礦床的評價依據(jù)，未能將礦石性質與提純工藝緊密聯(lián)系，且深度提純工藝的研究工作開展較少，與國外先進水平差距較大，這些都是造成我國高純石英產業(yè)發(fā)展瓶頸的重要原因。所以，必須改善我國當前高純石英產業(yè)的不利局面，積極尋找能夠穩(wěn)定滿足工業(yè)生產需要的高純石英優(yōu)質原料，從整體出發(fā)考慮每個環(huán)節(jié)，對高純石英砂進行系統(tǒng)的礦物學研究，并根據(jù)其礦物學屬性進一步選擇提純生產工藝。

 轉自今日頭條