高纯石英

高纯石英具有耐高温、耐腐蚀、强度高、透光率高、热膨胀系数低等优异的物理化学特性，广泛应用于半导体、光纤通信、光伏、光学、电光源等领域，是新一代信息产业、新能源、高端装备、新材料等战略性新兴产业的关键基础材料。长期以来我国高纯石英高端产品被美国、德国等垄断，致使高纯石英制品产业链上下游多个环节存在国产化率较低的问题，在高端高纯石英领域，形势则更为严峻。由于国外对高纯石英生产技术的封锁，加快推进我国高纯石英砂制备关键技术的自主化和国产化迫在眉睫。

高纯石英技术包括原料选择技术、提纯工艺技术、加工装备技术和质量检测技术等四个方面，它们是既相互独立又相互联系和相互制约的技术整体，其中高纯石英原料的评价选择与石英提纯工艺技术尤为关键。

高纯石英原料选择与评价技术

高纯石英原料分布

目前，能够用作高纯石英原料的矿床工业类型主要有天然水晶、脉石英和花岗伟晶岩石英三种。从原矿方面来看，虽然我国石英资源丰富，但是大多只能作为硅质原料使用，用于生产高纯石英的原料匮乏。高纯石英产品生产早期选用的原料主要为水晶。但随着水晶资源的逐步枯竭等原因，近些年逐渐从其他矿物资源入手，比如将脉石英等作为原料制备高纯石英，并且取得了一定的成果，脉石英是替代天然水晶加工高纯石英的理想原料。

我国脉石英矿产地354处，大部分矿产资源用于中低端产品，用于生产高纯石英的脉石英矿物原料资源比较稀缺。国内高纯石英资源的找矿方向主要侧重于脉石英，江苏东海、湖北蕲春、安徽太湖等地优质热液石英具有成为高纯石英原料的潜力，但是由于我国对高纯石英用脉石英原矿勘探没有详细的标准，且脉石英多呈脉状、鸡窝状分布，矿床规模小，矿石品质不稳定，这些脉石英矿床可能只有很少一部分能生产出适用于半导体工艺和芯片制造行业的高纯石英砂，难以满足高纯石英高端产品大规模生产的需要，亟待寻找矿体规模大、矿石品质稳定的新类型资源。

另外，花岗伟晶岩石英也是生产高纯石英的主要原料，它是指由于岩浆作用固结成岩形成的大颗粒花岗岩或花岗伟晶岩（白岗岩）中的石英。该类矿床中的石英品位多在25%左右，矿物杂质主要来自石英颗粒中的流体包裹体及晶格杂质元素。美国尤尼明公司采用经过改进的浮选技术，利用Spruce Pine地区花岗伟晶岩中的石英替代了天然水晶，生产出了高纯石英砂。目前花岗伟晶岩型石英已引起国内的关注，并在新疆阿尔泰、北秦岭等地区的找矿方面取得初步进展。

高纯石英杂质分析

不同行业对于高纯石英产品有着不同的质量需求，高纯石英的质量与杂质含量并不是简单的线性关系，而是取决于其杂质的工艺矿物学特征。不同石英矿的杂质特征及含量不尽相同，因此，对于高纯石英原料，剖析其杂质特征是确定提纯工艺及应用方向的前提。

石英中的杂质状态分为三类：脉石矿物类杂质、气液包裹体类杂质、石英晶格杂质。脉石矿物类杂质是与石英出现在同一空间上的矿物，不同地质条件下伴生矿物不尽相同，与之伴生的矿物有长石、云母、金红石、方解石、萤石以及磁铁矿和赤铁矿等含铁类矿物。研究表明，矿物组成即使很复杂的石英原料也具备被加工为高纯石英的潜力，石英晶粒间隙和晶界间处存在矿物杂质的脉石英也可能被加工为高纯石英，但是目前技术条件下，矿物包裹体杂质并不能从石英中被有效分离出，因此，不易与脉石矿物单体解离，普遍含有大量包裹体的石英很难被加工为高纯石英。

包裹体是包裹在石英矿内部的某些固体矿物或气液杂质，流体包裹体的种类、尺寸和含量对高纯石英质量有着显著影响。石英中流体包裹按内含物质状态可以分为：纯气体、纯液体、气液混合包裹体和三相包裹体。关于如何降低石英中流体包裹体含量的研究虽然已开展很久，但在脱除富气相、微小尺寸流体包裹体等方面并未取得良好进展。

石英晶体在形成过程中，一些元素会替代硅元素进入石英晶体中，形成了石英的结构性杂质。这些杂质含量虽然很低，但从石英中分离难度大，是制约高纯石英质量最关键性因素。在现有加工技术下，石英原料中晶格杂质几乎不能被除去。以晶格杂质形式存在的Al元素含量虽然极低，但除去难度极大，是制约高纯石英最终质量的关键。

因此，关于高纯石英原料的研究应至少包括三个方面：（1）石英与脉石矿物嵌布特征，石英矿物中矿物包裹体含量是决定最终高纯石英中杂质元素总量的因素之一；（2）流体包裹体，即使杂质元素含量很低的石英也未必是高纯石英，当石英矿物中含有大量流体包裹体时，其SiO2含量很难达到高纯石英技术要求；（3）晶格杂质，由于晶格杂质含量极但极难除去，是制约高纯石英质量最关键性因素。

高纯石英提纯工艺技术

制备高纯石英的传统工艺流程基本都是按照“分选→粗碎→煅烧-水淬→磨矿→筛分→磁选（或电选、色选）→浮选→酸浸（加压酸浸、微波酸浸）→氯化焙烧”的顺序，依次使得高纯石英原料完成单体解离，产生微裂纹，破碎包裹体，分离独立伴生矿物，去除表面金属杂质，析出内部晶格杂质，但是具体制备工艺需根据原矿的矿物学属性进行进一步确定。

擦 洗

擦洗是在机械外力和砂粒间的磨粒剥离力的作用下，将石英砂表面的薄膜铁、粘性和浑浊杂质矿物去除，再通过脱泥工艺达到石英砂的除杂效果。目前，主要有棒磨擦洗、机械擦洗和超声波擦洗。擦洗机的结构、擦洗时间、擦洗样品的浓度、擦洗的次数等工艺因素都影响着最终擦洗效果。

煅烧-水淬

对石英进行煅烧和水淬。石英在高温煅烧的过程中，随着温度的升高，石英晶体会发生膨胀，促使石英表面产生大量的裂纹。裂纹通常出现在界面处以及晶体结构的缺陷处，通过改变煅烧的温度和时间，使包裹体破裂，杂质暴露于新的表面，从而在后续的流程中能够被有效去除。

磁 选

磁选是利用石英中杂质矿物的磁导率的差异，在磁场的作用下，使具有磁性的杂质矿物得以选出。石英砂中的石英是反磁性物质，在磁场中不能被磁化，而其中含Fe、Ti的杂质大多是顺磁性物质，可以被磁化，从而通过磁选可以除去含Fe、Ti的杂质，获得很高的石英砂含量。影响磁选效果的因素有磁场强度、矿浆浓度、矿石粒度等。

浮 选

浮选是利用矿物表面的天然或疏水性，搅拌样品产生气泡，然后气泡将矿石颗粒带到气泡层进行提纯。目前石英浮选的方法有三种：无氟有酸法、无氟无酸法、有氟有酸法。根据杂质矿物的种类又分为正浮选和反浮选。由于石英中存在大量的云母和长石，他们的表面性质与石英相同，在浮选过程中难度较大。虽然可以去除，但是仅在表面去除。影响浮选效果的因素主要有浮选药剂的选择、矿浆的浓度、矿浆的pH值、石英粒度等。

酸 浸

矿物包裹体混合酸溶解利用石英只能溶解在氢氟酸中，而其他矿物包裹体杂质能被酸溶解的特点，实现石英与杂质的分离，常用的酸有硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸等。天然石英矿物中杂质种类多且存在形式复杂，使用混合酸溶解石英中矿物包裹体杂质对石英砂提纯效果最佳。

氯化焙烧

氯化焙烧是去除石英晶格杂质、碱金属等间隙原子类杂质最主要的方法，氯化焙烧是在一定温度和氛围条件下，将杂质组分离子转化为低沸点的氯化物，进而将杂质组分分离的过程。常用的氯化剂有氯气、氯化氢、氯化铵、氯化钠和氯化钙等，氯化焙烧按产物形态可分为高温焙烧(氯化挥发法)、中温焙烧(氯化焙烧—浸出法)、氯化—离析。

总结

目前，国内对高纯石英原料的矿物学研究不足，缺乏高纯石英原料矿床的评价依据，未能将矿石性质与提纯工艺紧密联系，且深度提纯工艺的研究工作开展较少，与国外先进水平差距较大，这些都是造成我国高纯石英产业发展瓶颈的重要原因。所以，必须改善我国当前高纯石英产业的不利局面，积极寻找能够稳定满足工业生产需要的高纯石英优质原料，从整体出发考虑每个环节，对高纯石英砂进行系统的矿物学研究，并根据其矿物学属性进一步选择提纯生产工艺。

 转自今日头条