1、石英矿物资源的分离提纯及材料化应用高纯石英的概念及其原料品级划分汪灵成都理工大学,四川 成都 610059中图分类号：TD973+.3；TD985文献标识码：A文章编号：10010076（2022）05005509DOI：10.13779/ki.issn10010076.2022.05.009摘要高纯石英是 SiO2纯度大于 99.9%的石英砂系列产品的总称，其本质是以天然石英矿为原料经提纯加工获得的具有极高 SiO2纯度且具有一定粒度组成的石英晶体原材料，其概念应同时具备纯度、粒度和矿物相三个特征；根据我国高纯石英生产及应用情况，进一步完善了产品等级划分，按 SiO2 纯度将高纯石英产品分为
2、高端（4N8）、中高端（4N5）、中端（4N）和低端（3N）4 个等级；目前能够用作高纯石英原料的石英矿床工业类型有天然水晶、脉石英和花岗伟晶岩石英 3 种，其中脉石英是我国目前高纯石英生产的主要原料；根据天然水晶和脉石英样品的提纯加工试验结果，将高纯石英原料划分为与高纯石英系列产品等级相对应的 4 个品级，它们分别是用于高纯石英高端、中高端、中端和低端产品生产的 A 级矿（优质矿或优质原料）、B级矿（上等矿或上等原料）、C 级矿（中等矿或中等原料）和 D 级矿（下等矿或下等原料）。发现能够稳定满足工业生产需要的优质原料，实现 4N8 高纯石英高端产品的国产化问题，这是我们应当努力的方向。关键
3、词石英；高纯石英；矿物原料；石英材料；矿物功能材料 前言石英（SiO2）是一种架状结构的硅的氧化物，-石英（低温石英，三方晶系）和-石英（高温石英，六方晶系）的总称。-石英和-石英的转变温度为 573，未加说明时，常指-石英。在矿物晶体化学分类中，石英归属于氧化物类、石英族。由于 SiO2是硅酸盐最重要的成分，可将石英视为硅酸盐的端元位置，有时也被归入硅酸盐类架状结构硅酸盐亚族1。SiO2在地壳中的质量分数高达 60%65%，由此决定了石英是一种非常重要的造岩矿物，它在地壳中的分布仅次于长石，是自然界中最常见的矿物之一。石英作为一种传统的重要的工业矿物，广泛应用在玻璃、陶瓷、铸造、建筑、宝玉石
4、装饰等传统行业。20世纪 60 年代以来，计算机、新材料、新能源等新兴产业对石英原材料产品的纯度提出更高要求，产生了高纯石英的概念。高纯石英是石英玻璃、硅材料及相关产业发展的物质基础，广泛应用于电子信息、光伏、光通信和电光源等行业，在新材料、新能源战略性新兴产业中具有重要地位和作用。其中，SiO2纯度99.998%（4N8）的高纯石英高端产品不仅是一种新材料和矿物功能材料，而且是半导体、光伏、电子信息和高端电光源等生产必不可少的关键基础材料，也是我国芯片发展（晶圆制造与芯片封装等）不可或缺的关键材料之一，在电子信息、新材料和新能源等战略性新兴产业以及国防军工、国家安全中具有非常重要的作用和地位
5、。目前，我国用于单晶硅生产的石英坩埚通常采用双层或三层结构，其内层砂等必需的高纯石英高端产品仍需要高价从美国、挪威等进口，而质量要求略低的石英坩埚中外层砂，其矿石原料也需要从印度等国进口解决。光伏、半导体、光纤等行业下游需求的持续高景气，带动了石英坩埚产品的旺盛需求，高纯石英砂供应紧俏、价格也不断走高。由于我国的 4N8 高纯石英高端产品一直处于被“卡脖子”状态，高纯石英引起了各界持续高度关注，成为近年来石英行业内外的一个热门话题。那么，什么是高纯石英？高纯石英原料有哪些？原料品级如何划分？这些都是高纯石英产业的基本概念和基本问题。关于高纯石英的概念，尽管前人在相关文献中有所涉及1-5，但仍然
6、缺少专门的研究报道，由于认识模糊，在业内外产生一定的混乱。关于高纯石英原料及其品级划分，目前还未见较深入的研究成果报道。本研究基于作者科研团队已获授权的高纯石英砂提纯加工专利技术以及高纯石英质 收稿日期：2022 09 29基金项目：国家自然科学基金项目（41972039）作者简介：汪灵，男，博士，教授，博士生导师，研究领域为应用矿物学，研究方向为矿物材料学，E-mail:。第 5 期矿产保护与利用No.52022 年 10 月Conservation and Utilization of Mineral ResourcesOct.2022量检测分析方法6，对天然水晶和脉石英等典型高纯石英原料
7、进行了较深入的研究，在高纯石英的概念及其原料品级划分方面取得了新的认识，这对我国高纯石英产业的高质量发展具有重要理论和实际意义。1高纯石英的概念石英在自然界中分布非常广泛，但未经加工的天然石英难以达到高纯石英的质量要求。也就是说，高纯石英（high purity quartz）是以天然石英矿为原料，经过比较复杂的提纯工艺加工获得的 SiO2纯度极高的石英砂产品。同时，高纯石英产品还对产品粒度和矿物相等都有严格的要求。关于高纯石英的概念，应同时具备纯度、粒度、物相三个特征。1.1纯度特征高纯石英产品的第一个特征，即最显著特征是它们的 SiO2纯度高。实际上，石英砂的工业应用和价格都与 SiO2的
8、纯度有着密切的关系。汪灵1根据石英SiO2纯度及其工业应用特点，将石英及相关产品归纳为 三 大 类：w(SiO2)99%产 品，w(SiO2)99%99.9%产品，w(SiO2)99.9%产品。高纯石英中，除 SiO2以外的其他任何成分都是有害杂质。杂质含量或者 SiO2纯度是高纯石英产品质量分类的主要依据，如英国工业矿物手册定义高纯石英杂质总含量50106，挪威地调局提出高纯石英杂质总含量应50106、Al30106、Ti99.9%大类产品，它是 SiO2纯度大于 99.9%的石英砂系列产品的总称4。如表 1 所示，根据我国高纯石英产品生产及应用情况，按 SiO2纯度将高纯石英产品划分为 4
9、 个等级，即高端(SiO2)99.998%（4N8），中高端(SiO2)99.995%（4N5），中 端(SiO2)99.99%（4N），低 端(SiO2)99.9%（3N）；或以产品中 Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni 等 13 种杂质元素总量进行划分，即高端20106，中高端50106，中端100106，低端1 000106 1。表 1 高纯石英产品分类与矿石原料品质要求Table 1 Product classification of high purity quartz and quality requirement of ore raw mat
10、erials高纯石英分类高端产品中高端产品中端产品低端产品SiO2纯度w(SiO2)99.998%,4N8w(SiO2)99.995%,4N5w(SiO2)99.99%,4Nw(SiO2)99.9%,3N杂质含量2010-65010-610010-61 00010-6粒度大小4080目、80140目、100200目、80300目等技术现状主要从美国、挪威等进口基本国产化国产化国产化矿石原料品级A级矿优质矿或优质原料B级矿上等矿或上等原料C级矿中等矿或中等原料D级矿下等矿或下等原料注:(1)杂质含量指 Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni 等13种痕量杂质元素
11、总量;(2)据参考文献1。表 2 和 表 3 是 美 国 尤 尼 明 公 司(Unimin Corp)IOTA 系列高纯石英高端产品的质量指标，这些指标已成为公认的国际标准。IOTA 标准只有杂质元素含量或 SiO2纯度要求，其特征是：在 Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni 等 13 种（表 2）或 15种（表 3）杂质元素中，除了 Al 和 Ti 含量1106分别为（716.2）106和（1.11.4）106外，其余含量均1106。近年来，美国尤尼明公司公布的数据增加了上述产品的 Ti、P 和 Zn 含量，其 SiO2 纯度有一定的变化；同时，新增了 I
12、OTA-CG（坩埚级）、IOTA-STD-SV 和 IOTA-6-SV 等三种产品（表 3）。目前，美国尤尼明公司 IOTA 系列高纯石英产品主要应用于半导体级熔融石英坩埚、单晶硅生长用石英坩埚和石英照明设备等高技术领域。需要说明的是，在高纯石英的各种工业应用中，气液包裹体是危害较大的杂质。尽管美国高纯石英质量指标中没有对气液包裹体提出明确要求，但作者科研团队大量的样品检测结果表明，如果能够达到表 2和表 3 的杂质元素含量或 SiO2纯度要求，样品中的气液包裹体也必然是很少的。也就是说，杂质元素含量指标中已包含了对气液包裹体的要求。目前，高纯石英 SiO2的纯度检测方法主要采用ICP-OES
13、6。其实，它是一种间接法，即根据高纯石英的国际标准，先检测出样品 Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni 等 13 种（表 2）或 15 种（表 3）痕量杂质元素含量，SiO2的纯度或含量是通过减去这13 种或 15 种痕量杂质元素的总量后得到的差值。需要特别指出的是，对于高纯石英这类特殊产品来说，这 13 种或 15 种杂质元素对产品质量都有直接的不利影响。因此，对于高纯石英的 SiO2纯度一定是这 13种或 15 种杂质元素全部都检测后得到的纯度，在检测内容上不能有人为取舍。否则，其检测结果对研究与应用都不具有参考价值。需要说明的是，汪灵4曾按 SiO2纯
14、度将高纯石英产品划分为 3 等级，即高端(SiO2)99.998%（4N8），中端(SiO2)99.99%（4N），低 端(SiO2)99.9%（3N）。后来，汪灵1又增加了一个等级，即中高端(SiO2)99.995%（4N5）。这是对高纯石英产品的一 56 矿产保护与利用2022 年个新认识，也是对产品品级划分的进一步完善。其主要原因是，脉石英是目前我国加工高纯石英的主要原料，有的可用作加工 4N5 高纯石英产品的原料。更重要的是，4N5 产品不仅用于石英玻璃拉管材料的制备，而且在芯片封装用球形硅微粉方面大有作为。因为，尽管球形硅微粉最终产品的 SiO2纯度在 3N 左右，但这是最终产品，其
15、制备有超细、分级、球化、分级等若干道工序，或多或少会产生一些新的杂质。所以，若要保证最终的产品在 3N 左右，原料没有 4N5 以上是很难做到的，因为污染是不可避免的。1.2粒度特征高纯石英产品第二个重要特征是它们的粒度要求，即加工的产品是砂，是具有一定粒度组成的产品（图 1）。粒度作为高纯石英一个重要指标，其粒度范围一般是 40150 目，具体粒度应根据工业应用确定。如表 4 所示，采用真空气氛下电熔工艺制备石英玻璃，粒度要求 4080 目；提拉法制备单晶硅的石英坩埚，粒度要求 80140 目；以氢气与氧气为能源的气炼工艺制备石英玻璃，粒度要求 100200 目。显然，高纯石英的主要工业应用
16、产品并不是“超细粉”，更不是“纳米”颗粒。即使是用作加工包括球形硅微粉在内的各种超细的硅微粉原料，也是先提纯加工成具有一定粒度组成的石英砂，然后进行超细粉碎和分级加工。表 2 美国尤尼明公司（Unimin Corp）IOTA 系列高纯石英高端产品的质量指标/106Table 2 Quality indicators of high grade high purity quartz of USA Unimin Corps IOTA series products名称IOTA-STDIOTA-CG*IOTA-4IOTA-6IOTA-8Al16.2148.008.007.0B0.080.100.040.040.035Li0.900.50.150.150.02Na0.901.00.900.080.03K0.600.70.350.070.04Ca0.50.60.60.60.5Mg0.050.040.050.050.02Ti*1.11.21.41.41.3Fe0.230.30.30.150.03Mn0.050.0290.050.050.02Cu0.050.0190.050.050.02Cr0.05
