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  • 高純石英——二氧化硅中的“大熊貓”

    2022-11-18 09:38:45 來源:

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    水晶晶簇

    石英是一種非金屬礦物,在大自然中隨處可見。人類目光所及之處,都可以發現石英。如家里裝修所用砂漿里面的沙子,廚房的石英石臺面,外出游玩時看到河道中的沙子和潔白的鵝卵石,還有漂亮的水晶、瑪瑙等都是石英。

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    鵝卵石

    在自然界中,雖然石英的分布非常廣泛,但純度很高的高純石英卻很稀有。高純石英是半導體芯片、太陽能光伏、光纖通信、航空航天、精密光學和特種玻璃等高新技術產業不可缺少且無法替代的重要功能性材料,是真正“卡脖子”的礦物資源,保障我國高純石英的供應對維護經濟、軍事、科技、網絡等領域的國家安全具有極其重要的戰略意義;對發展光伏新能源產業、助力國家實現“碳達峰”“碳中和”的目標也具有重要的戰略價值。

     

     




    石英的形成




     

    石英可以形成于巖漿冷卻結晶過程中,也可以由富含二氧化硅的熱液冷卻后形成。由于石英結晶時的溫度和壓力條件不同,因此也就形成了低溫石英(α-石英)、高溫石英(β-石英)和柯石英等不同的石英族礦物。其中,自然界分布最廣的是低溫石英(α-石英)。石英是一種礦物,與其他礦物一起組成集合體就形成了各種巖石。以石英作為單礦物的巖石包括:水晶、瑪瑙、蛋白石、脈石英、石英巖、石英砂巖、深海放射蟲硅質巖,等等。在這類巖石中,具有經濟開采利用價值的就成為石英礦石。一些含有石英礦物的巖漿巖,如花崗偉晶巖、白崗巖等,所含的石英如果具有經濟開采利用價值,也會作為一種石英的來源礦石。


    圖片瑪瑙 中國地質博物館館藏

     




    石英中的雜質及危害



     

    石英是硅元素的氧化物,分子式是SiO2,由一個硅原子和四個氧原子組成硅氧四面體晶體結構。石英晶體在結晶過程中以及后來經歷的變質作用下,經常摻雜一些雜質元素。這些雜質元素有三種來源。

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    石英晶格結構和晶格雜質元素示意圖

     

    第一種來源是晶格雜質,例如:鋁、鐵、鈦、鍺、磷、硼等三價、四價或五價離子常常會替代硅原子,占據硅原子所在的位置,而鋰、鉀、鈉等單價離子常與鋁、鐵、鈦、鍺、磷、硼離子結合在一起,“漂浮”在硅氧鍵上,來達到晶體電荷平衡。替代硅原子或處在“漂浮”態的這些雜質元素被稱為石英晶格雜質元素。


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    石英晶體中的包裹體

     

    第二種是包裹體。石英的包裹體究竟是什么呢?石英晶體在結晶的過程中,由于種種原因,會將一些液體、氣體和固體包裹在晶體中,從而就形成了固、氣、液三種類型的包裹體。這些包裹體中含有的元素不是硅元素,而是鉀、鎂、鈣、鈉等元素,從而也成為石英的雜質來源。


    第三種雜質來源是其他的礦物。因為石英晶體在形成時,石英晶體之間也常常伴生一些其他礦物,例如長石、云母等。這些礦物包含了鉀、鋁、鐵等各種雜質元素。


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    脈石英礦石中的白云母

     

    一般來說,石英的純度越高,雜質元素含量越低,質量就越好。這是因為,純度高的石英具有更好的耐高溫、耐腐蝕、低熱膨脹性、高絕緣性和透光性等特性,才能滿足半導體芯片、太陽能光伏、精密光學等高科技產業的質量要求。

     

    不過,不同的雜質元素對這些產業的影響不同。例如:用作半導體和電光源產業的石英玻璃,鋁、鈉、鉀、鈣、鎂和重金屬元素含量要盡可能低,否則就會影響到這些材料的耐高溫和高絕緣性能;用在光伏行業的石英坩堝,則要求硼和磷的含量要盡可能低。石英坩堝是拉制大直徑單晶硅必不可少的基礎材料,用于半導體和太陽能光伏產業;而用在精密光學中的石英,則要求鐵、鉻、鎳、鈦等金屬元素含量不能過高,否則就會影響透光性。





    石英中的大熊貓——高純石英



     

    由于不同產業對石英的質量要求千差萬別,所以,時至今日全世界也沒有統一的高純石英質量標準。不過,國內外的學者根據石英在高新技術產業的應用情況,歸納出了一些標準。例如,挪威和美國一些學者依據用在半導體和光伏產業的石英玻璃的質量要求,認為石英的雜質總含量要小于百萬分之50,也就是說SiO2的純度要達到99.995%以上,才能稱為高純石英。我國一些學者認為SiO2純度達到99.9%或者99.99%以上的石英,就是高純石英。我國海關總署在統計進口貨物分類時,也把“其他含硅量超過99.99%的硅”單獨歸為一類,而把低于此數值的石英歸入“硅砂及石英砂”類。

     

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    湖北咸寧脈石英的礦床和巖石


    既然高純石英只是指純度很高的石英,那么嚴格來說,可以從天然礦石中提取,或者通過人工合成的方式制得高純石英。不過,從經濟成本和社會消費量的角度,人工合成高純石英難以滿足工業需求。因此,絕大多數高純石英還是要從天然礦石中制得。根據當前技術水平,人們可以從脈石英、石英巖、粉石英和偉晶巖等礦產資源中,甚至是一些金屬礦的尾礦中提純出高純石英。

     

    但是,自然界中的高純石英原料礦卻極為稀缺。目前,能夠生產高純石英的礦山主要分布在美國、俄羅斯、挪威和澳大利亞等國。其中,美國北卡羅來納州的斯普魯斯派恩礦山,通過一系列提純流程,從花崗偉晶巖中提純出純度很高的高純/超純石英砂,一度供應了全世界100%的半導體級高純石英砂。近些年,各國都在抓緊研究本國的石英礦產資源,開發先進的提純工藝。

     

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    安徽鳳陽石英巖的礦床和巖石

     

    我國對高純石英砂的需求增長迅猛,但絕大部分需要從國外進口,每年需花費15億美元左右外匯。原因包含多個方面,一方面,國內多年來沒有重視石英礦產資源,許多優質且具有高純石英原料潛力的石英礦,本可以用來生產半導體和光伏產業等高精尖端產業所需的零件,卻被用來為玻璃、冶金、建筑裝飾、鋪路等傳統產業提供服務,資源浪費情況極其嚴重。第二,近年來我國光伏產業發展極為迅速,需要大量的高純石英砂用來生產石英坩堝等必需的石英消耗品。第三,我國的石英提純工藝相對落后,目前使用的傳統提純工藝,通常只能將原料的含硅量提高到99.9%—99.995%,僅能達到一些中低端高新產業要求,難以滿足芯片、光伏等高端產業的需求。一些新型提純工藝尚處在實驗室階段,無法投入商業應用。

     

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    石英礦石





    “超級硅”的大本事

     

     

    高純石英一般應用在高新技術產業,包括并不限于以下行業。

     

    半導體業。半導體業對石英純度的要求極高。在半導體生產過程中,無論是提拉法生產單晶硅,還是清洗單晶硅和印制集成電路,都需要用到高純石英砂、硅微粉、多晶硅、石英坩堝和石英玻璃等?梢,半導體工業的原料和生產過程離不開高純石英及其制品。


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    用于半導體業的計算機芯片

     

    照明行業。高純石英具有高透射性、耐高溫、熱膨脹系數小等特性,是生產耐高溫石英燈管的基礎原料,常用來生產耐高溫、性能好的燈具,如:鹵素燈、紫外燈、高溫汞燈和氙燈等。

     

    通信行業。在通信行業中,石英玻璃廣泛用于光纖和其他光電設備。在微電子工業中,其主要應用是用作電子部件的環氧模塑化合物(EMC)中的填料。


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    用于通信行業的光纖

     

    光學領域。在光學領域,高純石英可滿足許多需求,可用于高性能的光學儀器,如:高清晰度、高透光率的光學透鏡;高精度顯微光學儀器;準分子激光光學系統、投影儀和其他特殊設備等。

     

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    精密光學儀器

     

    光伏行業。作為一種新能源,太陽能光伏產業的發展有助于減少使用化石燃料,降低人類活動產生的二氧化碳排放量,對助力國家實現“碳達峰”“碳中和”的目標具有重要的戰略價值。光伏產業需要消耗大量的高純石英,生產1公斤適合制造太陽能電池的硅,需要約15公斤高純石英。在單晶硅的生產過程中高純石英砂的消耗要高出單晶硅產量的5%左右。

     

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    太陽能光伏

     

    通過上述的介紹,相信大家能夠看出,雖然石英是一種非常普通且常見的礦物,但高純石英卻是一種稀缺的礦物原料,是新能源、新材料等新興產業領域不可缺少的礦物資源。保障高純石英供應渠道、建立自主供應鏈,對國家安全和經濟社會運行,以及國與國之間的競爭都具有至關重要的戰略價值。因此,我國需要加大對高純石英原料礦石的質量評價和潛力評估,對優質石英原料進行保護性開采,并且研發先進的提純工藝技術流程,力爭早日實現高純石英砂和超純石英砂的規模性商業生產,保障國家高純石英供應安全。

     

     

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