石英的“前世今生”
科技
2024-11-10 10:02
山东
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石英（quartz），SiO2，是一种架状结构的硅的氧化物，α-石英（低温石英，三方晶系）和β-石英（高温石英，六方晶系）的总称。α-石英和β-石英的转变温度为573℃，未加说明时，常指α-石英。
在矿物晶体化学分类中，石英归属于氧化物类、石英族。由于石英处于硅酸盐的端元位置，有时也归入硅酸盐类。石英族包括石英、方石英、鳞石英、柯石英、斯石英等SiO2同质多象变体，其中柯石英和斯石英属高压相。石英的理论化学成分(wB%)：SiO2 100，或Si 46.74，O 53.26。天然石英成分比较纯净，但由于类质同像替代作用，可含有少量Al、K、Na、Li、Ca、Fe、Mg、Mn、Ti、Cu、Zn、Cr、Ni、B、P等杂质元素。石英SiO2的架状基型晶体结构，决定了它的结构比较开阔，相对密度2.65，但[SiO4]四面体的Si-O键力强，所以硬度7，耐酸（除HF），微溶于KOH溶液中，熔点高（熔化温度1710～1756℃），冷却后即变为石英玻璃。石英是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物。通常为无色或乳白色，因各种杂质的混入可呈现不同的颜色，半透明，硬度7，性脆，无解理，贝壳状断口，油脂光泽，相对密度2.65，具旋光性、压电性，传热性差，不导电，其电学、热学和某些机械性能均具有明显的异向性。石英在自然界中的分布十分广泛，成因多种多样，但目前能够作为工业应用的石英矿物资源主要有7种矿床工业类型：天然水晶、石英砂岩、石英岩、脉石英、粉石英、天然石英砂和花岗岩石英。一种无色透明的大型石英结晶体矿物，主要成份为二氧化硅。水晶的自然生长环境多是在岩洞、岩石裂缝或节理、断层中，其生长条件比较苛刻，必须同时满足四个条件：充裕的生长空间，能够提供富含二氧化硅的热液，一定的温度和压力，足够生长时间。石英砂岩是一种固结的砂质沉积岩，其石英和硅质碎屑含量一般>95%，副矿物多为长石、云母和粘土矿物，重矿物很少，胶结物一般为硅质。石英岩是由石英砂岩或其他硅质岩经区域变质作用或热接触变质作用而形成的变质岩石，伴生矿物除长石、云母和粘土矿物以外，往往还含有微量的电气石、赤铁矿和锆英石等。与石英砂岩相比，其矿石致密坚硬，硬度较高。我国石英岩资源十分丰富，开发利用量大。主要是与花岗岩有关的岩浆热液作用形成，致密块状构造，其矿物成分单一，几乎全部为石英，SiO2含量一般在99%以上。脉石英矿床规模一般不大，产状陡，厚度一般几米至几十米，长度一般为十几米至几百米，一个矿区可由一条矿脉或由多条矿脉组成。是一种颗粒极细，SiO2含量高的天然粉状石英矿。主要是由硅质母岩风化解体而成的沉积风化型矿床。在特殊的地质构造条件下，在温湿的古气候、地形平缓古地理等因素作用下，促使硅质岩不断碎裂解体，并在水力作用下将杂质带走，最终形成矿床。是由花岗岩、石英岩、石英砂岩和脉石英等母岩经过自然界长期风化而形成的一种以石英为主要矿物成分的砂状石英矿物原料，其伴生矿物包括长石、岩屑、云母、粘土矿物及锆英石、电气石、钛铁矿和角闪石等重矿物。主要为海相沉积砂矿床和河湖相沉积砂矿床。常见的地区有内蒙通辽，福建晋江，海南文昌等。矽比科IOTA高纯石英系列产品能获得国际垄断地位的根本原因是，拥有世界上迄今为止发现的独特的高纯石英优质原料——花岗岩石英。该原料为产自美国北卡罗来纳州Spruce Pine地区的伟晶花岗岩，该特殊类型石英矿床的发现颇具传奇性。该矿最初是用来生产长石和白云母，石英是尾矿中的废弃物。在上世纪70年代，由于石英玻璃原料水晶的日渐枯竭，寻找可替代水晶的天然石英成为当时许多国家急需攻克的难题。在此背景下，经过改进浮选技术，利用花岗质伟晶岩中的石英替代了水晶，生产出了高纯石英砂，直到今天美国仍然垄断着国际高纯石英砂高端产品的市场。石英的应用十分广泛，在经过一系列生产加工过程之后，被应用于玻璃工业、铸造业、陶瓷工业、耐火材料工业、化工工业、石油开采、净水材料、建筑材料、新能源光伏、电子半导体、光纤、光学、电光源、高端纤维材料、工业填料等众多传统与新兴产业领域。玻璃行业是石英资源消费量最大的领域，广泛应用于建筑、汽车、新能源、医疗等领域，玻璃行业主要产品类型有平板玻璃、器皿玻璃、钢化玻璃、光伏玻璃、电子玻璃、药用玻璃等。2021年我国玻璃产量为101665万重量箱，合计石英砂消耗约3406万t。据国家统计局数据显示，2023年我国平板玻璃产量为96941.80万重量箱，需消耗约为3247万t石英砂；2023年我国光伏压延玻璃累计产量2478.3万t，每生产一吨光伏玻璃大约需要0.71吨低铁石英砂，因此需消耗约1760万t石英砂。以此估算，2023年我国仅平板玻璃和光伏玻璃领域就要消耗石英砂超5000万t，整个玻璃大行业每年所需的石英砂总量应该是远超过这个数量。玻璃下游需求主要来自于房地产、汽车、家电、光伏、日用器皿和电子等行业，其中地产以及与地产相关的需求以往占到了玻璃下游需求的75%左右，受房地产等行业下行的影响，未来常规玻璃需求增长缓慢；在“双碳”目标推动下，全球光伏新增装机将继续发展，光伏玻璃需求仍将呈现逐年增加态势。半导体领域：半导体集成电路制造最为核心的环节就是芯片制造环节，芯片制造主要由单晶生长、晶圆加工制造、集成电路芯片的生产以及后期封装四个部分组成，其中最为核心、难度最高、对相关材料要求最严苛的为硅片制造和晶圆制程环节。石英在半导体领域中的应用主要是半导体级别的石英坩埚以及晶圆制造的辅材环节。而石英制品贯穿硅片制造和晶圆加工环节，应用于半导体支撑扩散、氧化、沉积、蚀刻等关键过程。其中纯度为5N2的高纯石英砂可制半导体石英坩埚，纯度为4N和4N8的高纯石英砂可制硅片氧化、扩散等用的石英材料。光纤领域：在大规模信息网络建设需求的带动下，全球光纤通信行业一直处于高速发展态势，经过多年的发展，我国已经成为全球光纤光缆生产和消费的第一大国。光纤预制棒作为光纤光缆生产的“源头”，一直被认为是光纤光缆产业链的核心竞争点。而光纤制造的主要基础材料——光纤用石英玻璃也成为光通信业发展的基础材料。其中，石英衬管（Substrate Tube）和套管（Jacket Tube）是光纤预制棒制备工艺过程中最常用的高端石英管材，其在光纤预制棒行业不断发展的历程中始终发挥着至关重要的作用。国内的久智光电子材料科技有限公司以及光纤光缆制备技术国家重点实验室的研究人员，以天然石英粉料为原料，利用等离子固相外沉积方法（PSOD），制备单模光纤预制棒用大尺寸石英套管，产品具有一次成型、羟基含量低、杂质含量少、规格尺寸大(相对于多模套管)及玻璃化程序好等特点，能够满足单模光纤预制棒制备所需。为低衰减光纤开发了一种新型的基础材料和工艺路线，其在下一代超低衰减通信光纤制备中有广阔的应用前景。近年来，以新能源汽车、锂电池、太阳能光伏电池为代表的“新三样”，给中国制造增添了新亮色，在出口市场表现尤为亮眼，为中国经济高质量发展提供新动能。在光伏产业链中，石英制品发挥着举足轻重的作用。除了以超白低铁石英砂为原料生产的光伏玻璃以外，以高纯石英砂为原料生产的石英坩埚是近些年石英下游应用领域中最为抢眼的产品。石英坩埚属于石英玻璃制品中的细分产品，具有洁净、同质、耐高温等性能。目前广泛应用于太阳能和半导体领域提炼晶体硅的生产工艺中，是晶体硅生产过程中的消耗品。相较于普通石英砂，经过选矿提炼制备而成的高纯石英砂具有更好的耐高温性及热稳定性。作为石英坩埚的核心原料，石英砂纯度是保证石英坩埚具备优良性能的核心指标。资料来源：
[1]汪灵教授：石英矿物学与物化性质
[2]汪灵教授：石英应用特点与矿床工业类型
[3]中国粉体网：石英砂到底有多少种用途？终于有人说清楚了！
[4]中国粉体网：年产上亿吨石英砂，都流向哪了？
[5]中国粉体网：用天然石英砂也能造光纤！但这一指标要求令99.99%的石英砂厂望而却步
[6]中国粉体网：坩埚用石英砂的工艺技术特征及高纯石英砂制备技术
[7]粉体大数据研究：中国半导体用石英材料市场研究分析报告（2024～2027）
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