中國(guó)粉體網(wǎng)訊  隨著全球范圍內(nèi)天然水晶和高品質(zhì)石英礦脈的逐漸枯竭，而高純石英砂需求有缺口，資源短缺成為制約高純石英行業(yè)發(fā)展的重要因素。但囿于現(xiàn)實(shí)條件，行業(yè)目前沒(méi)有快速解決短缺的方案�；瘜W(xué)合成石英砂的工藝逐漸得到重視和研究。

合成高純石英砂技術(shù)現(xiàn)狀

相關(guān)資料顯示，合成砂的技術(shù)路線分為氣相合成法、液相合成法（化學(xué)沉淀法、溶膠-凝膠法、四氯化硅液相水解法等）和氟硅酸法工藝過(guò)程。目前國(guó)內(nèi)合成石英砂尚處于研究階段，幾種方法均處于實(shí)驗(yàn)室小試階段，仍沒(méi)有大型生產(chǎn)線建成生產(chǎn)。

一、氣相合成法

以SiCl₄等為原料，在氫-氧氣流高溫下（1200-1600℃）水解制得煙霧狀的SiO₂，經(jīng)冷卻、分離、脫酸等過(guò)程后即得到成品的SiO₂顆粒。通過(guò)控制溫度、分兩步的氣相水解方法制備合成SiO₂粉，但其技術(shù)工藝較復(fù)雜，效率低，技術(shù)還不成熟，目前也僅適于實(shí)驗(yàn)室的研制，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)困難。

氣相合成法制備SiO₂流程圖

二、液相合成法

1.化學(xué)沉淀法

合成石英粉體較為廣泛的方法之一，目前技術(shù)已經(jīng)成熟，已用于工業(yè)化生產(chǎn)。采用硅酸鈉與二氧化碳或酸溶液(加鹽酸、硫酸或硝酸)作為原料，在一定合成溫度和表面活性劑作用下混合反應(yīng)，得到偏硅酸沉淀，再經(jīng)過(guò)濾、洗滌、干燥、煅燒工序制備出SiO₂。

化學(xué)沉淀法制備SiO₂流程圖

2.溶膠-凝膠法

以無(wú)機(jī)鹽或金屬醇鹽(一般為硅酸乙酯)為原料，以醇作為共溶劑，加入酸或堿溶液作為催化劑，進(jìn)行水解，縮聚反應(yīng)形成SiO₂凝膠，過(guò)濾并對(duì)凝膠中的有機(jī)溶劑進(jìn)行洗滌，干燥、煅燒得到SiO₂粉體。

3.四氯化硅液相水解法

SiCl₄與純水接觸發(fā)生水解或縮聚反應(yīng)，之后將反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)洗滌、過(guò)濾、干燥、煅燒、篩選等流程，制備SiO₂粉體。

三、氟硅酸法

先制得無(wú)定型二氧化硅、副產(chǎn)氟化銨，再高溫加熱至熔融狀態(tài)，分階段冷卻，得到沙粒狀的晶體石英砂。二氧化硅純度達(dá)6N，可用于制造拉制單晶硅或多晶硅的石英坩堝。

氟硅酸法制備二氧化硅流程圖

應(yīng)用領(lǐng)域

合成石英砂具有高硬度、高耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性等良好的物理和化學(xué)性質(zhì)，其物理性質(zhì)與天然石英砂相似，具有良好的耐高溫性能、耐磨損性能、耐腐蝕性能、耐壓強(qiáng)度高、絕緣性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，合成石英砂主要用于制造晶圓和LCD基板等關(guān)鍵部件，它的優(yōu)良性能和穩(wěn)定性對(duì)于提高半導(dǎo)體制造的質(zhì)量和效率具有關(guān)鍵作用。雖然石英砂在半導(dǎo)體制造中起到重要作用，但是石英砂并不是半導(dǎo)體制造的主要材料，半導(dǎo)體制造的主要材料是具有良好半導(dǎo)體性質(zhì)的硅。但是，石英砂與其它材料的結(jié)合應(yīng)用，如與硅的結(jié)合，能夠幫助實(shí)現(xiàn)更高的性能和穩(wěn)定性，制造出更高性能的半導(dǎo)體器件。

在太陽(yáng)能電池制造方面，合成石英砂可以作為電池背板和電池支撐基座等關(guān)鍵部件，幫助提高太陽(yáng)能電池的性能和穩(wěn)定性。在《設(shè)備》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)概念驗(yàn)證研究顯示，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員使用合成石英捕獲太陽(yáng)能，獲得超過(guò)1000℃的溫度。

在光伏領(lǐng)域，生產(chǎn)光伏行業(yè)用石英坩堝時(shí)，由于光伏單晶熱場(chǎng)對(duì)使用壽命的要求較高，石英坩堝不僅要求石英砂SiO₂含量高，還需要控制雜質(zhì)元素鋁、鋰、鈉、鉀、鐵、鈦等；此外，羥基含量的控制也至關(guān)重要。但從業(yè)界進(jìn)度來(lái)看，摻雜工藝并未全面突破。

在化工行業(yè)，合成石英砂可用作催化劑載體，也可用于制造催化劑和吸附劑等。合成石英砂硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，也使其成為制造耐酸玻璃器皿、化學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)器材的理想材料。

在光電領(lǐng)域，合成石英砂因其出色的折射率和透過(guò)率，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)薄膜、光學(xué)儀器以及激光器等設(shè)備中。

2024年8月9日，由中國(guó)粉體網(wǎng)主辦的“2024（第二屆）全國(guó)集成電路及光伏用高純石英材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)”將在江蘇鹽城召開(kāi)，中建材衢州金格蘭石英有限公司的花寧副總經(jīng)理將做《合成石英砂的制備技術(shù)及應(yīng)用》的報(bào)告，屆時(shí)，他將結(jié)合公司實(shí)際研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)解讀合成石英砂的生產(chǎn)技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域。

參考來(lái)源：

[1]張鵬遠(yuǎn)等，合成石英砂工藝概況及幾種石英砂的檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

[2]李愛(ài)民等，高純合成石英的制備技術(shù)和應(yīng)用

[3]韓靜香等，化學(xué)沉淀法制備納米二氧化硅

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/九思）

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