中國粉體網訊  高純石英原料礦石是特定成礦條件下形成的、稀缺的戰(zhàn)略性資源，高純石英原料礦石品質通常受脈石礦物及晶界雜質、包裹體、晶格雜質等因素影響。其中晶格雜質元素有Al、Ti、Li、Na、K、Ge、OH等多種，這些雜質元素含量通常超過1×10^-6，關鍵是這些雜質很難利用經濟的選礦手段和化學提純方法除去。

1、外來的雜質元素深入石英晶格之中

為什么晶格雜質難以去除？其實這是由于微量元素在石英晶格中的存在方式決定的。 

♦等價替代：如Ti⁴⁺、Ge⁴⁺、Si⁴⁺等離子類質同象替代。 

♦離子團替代：如Al³⁺和相鄰的P⁵⁺替代Si⁴⁺，以平衡總電荷。 

♦電荷補償替代：如Al³⁺、Fe³⁺替代Si⁴⁺形成了［AlO₄/M⁺］0或［FeO₄/M⁺］0結構中心，M⁺充當電價補償離子平衡電荷。一般為堿金屬離子，有時也可以為正2價離子(Be²⁺、B²⁺、Ｒb²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺)。 

石英晶體中的晶格取代形式

2、Al的研究和分析

石英晶格的外來元素中，Al的研究和分析是最重要的，是判斷高純石英礦物原料品質的重要標志物，這是因為其相較天然石英中其他雜質元素，Al含量往往最高，也最容易通過測試分析方法分析出來。當石英中存在大量Al雜質時，Li、K、Na等雜質元素的含量會增加。

Al進入石英晶格，會產生較強的化學鍵，影響石英制品的導電性，同時，增強了石英玻璃的析晶作用，降低了使用壽命。少量的AI不會影響到高純石英產品的質量，IOTA標準砂要求Al元素含量(12~18)x10^-6，但光導纖維中微量的Al便會降低石英玻璃的光傳導。

3、Ti的研究和分析

除Al外，Ti也是判斷高純石英礦物原料品質的重要標志物之一，由于Ti-O鍵非常穩(wěn)定，不易破壞，無論是晶格間Ti還是包裹體中的含Ti礦物，均很難通過常規(guī)的選礦手段和化學提純方式經濟合理除去，因此當石英中Ti含量超過一定程度時，其也很難加工成高純石英。

4、堿金屬元素Li、K、Na的研究和分析

堿金屬元素Li、K、Na能降低石英玻璃的使用溫度和機械強度，在高溫下對石英玻璃的析晶起催化作用，導致石英玻璃出現失透、高溫變形等現象；降低堿金屬元素的含量有利于提高高純石英坩堝的軟化點，增強石英坩堝的抗變形性，提高單晶的成品率。 

5、從晶格雜質元素突破4N8級高純石英砂制造瓶頸

4N8級高純石英砂是一種純度要求高、粒度分布均勻、包裹體含量極低的高端高純石英制品。高純石英砂生產具有較高的資源和技術壁壘屬性特征,由于國內高純石英礦產資源稀缺、基礎研究不足、提純技術落后,導致4N8級高純石英砂無法自主生產。美國尤尼明公司在礦產資源、工藝技術、生產設備和產品精度等方面占據絕對優(yōu)勢，一度壟斷著國際上4N8及以上的高端石英砂產品。據了解，美國尤尼明公司可通過氯化焙燒技術脫除石英雜質中最難除的Ti，即通過去除晶格雜質實現產業(yè)突破，但是該技術核心部分受到封鎖。

6、國內對高純石英砂晶格雜質也實現了突圍

（1）一種高純石英砂晶格雜質及包裹體同步深度脫除方法

9月20日，國家知識產權局公布了中南大學申請的名為“一種高純石英砂晶格雜質及包裹體同步深度脫除方法”的專利。

該發(fā)明公開了一種高純石英砂晶格雜質及包裹體同步深度脫除方法，該方法是將4N級石英砂裝入旋轉式焙燒爐中，采用電加熱與微波加熱的復合加熱方式進行加熱焙燒，并導入氣態(tài)氯化劑進行氯化反應，即得4N8級石英砂。本發(fā)明基于石英基體與晶格雜質和包裹體吸波性能差異，在電加熱基礎上通過微波加熱靶向促進晶格雜質活化以及包裹體吸熱膨脹爆裂，通過氯化劑與活化的晶格雜質及包裹體雜質反應將雜質組分揮發(fā)，實現石英砂的深度除雜。

(2)兩次焙燒-酸浸聯合工藝制備高純石英的方法及高純石英

本發(fā)明提供了兩次焙燒-酸浸聯合工藝制備高純石英的方法及高純石英，方法包括以下步驟：將石英原礦進行預處理，得到第一石英顆粒；將第一石英顆粒進行第一次焙燒，得到第二石英顆粒；將第二石英顆粒進行第一次酸浸，得到第三石英顆粒；將第三石英顆粒與焙燒助劑混合后進行第二次焙燒，得到第四石英顆粒；以及將第四石英顆粒進行第二次酸浸，水洗烘干后得到高純石英。高純石英通過上述方法制備得到，高純石英中SiO₂含量大于99.99％，最高可達99.998％。本發(fā)明采用了活化焙燒-熱壓酸浸-助劑焙燒-常壓酸浸聯合工藝實現石英的高效提純，并將助劑焙燒中熱能回用，有效地去除了常規(guī)工藝中難除的晶格雜質和惰性雜質，且焙燒助劑環(huán)保、耗酸量小、產品純度高。

（3）一種超高純石英砂的提純方法

為克服現有石英砂提純工藝存在雜質殘留，影響石英砂純度的問題，本發(fā)明提供了一種超高純石英砂的提純方法，包括以下操作：獲取石英砂；對石英砂進行動態(tài)沖擊壓縮，使石英砂處于無序亞穩(wěn)態(tài)；使用化學溶液處理石英砂以去除雜質，清洗后得到高純度石英砂。本發(fā)明提供的超高純石英砂的提純方法通過對石英砂進行動態(tài)沖擊壓縮，使石英砂處于結構松散的無序亞穩(wěn)態(tài)，從而使得化學溶液可以充分滲入，去除深層雜質，提純效果更好。該方法可以結合氯化焙燒等其他石英晶格雜質提純步驟，實現半導體制造業(yè)所需的4N8、5N級別的超高純石英砂制取。

參考來源：

趙海波等.天然石英礦物微量元素賦存特征研究進展及對高純石英找礦的指示

王云月等.高純石英原料特征和礦床成因研究現狀綜述，地質論評2021.9

施婭穎等.高純石英的雜質類型及深度提純技術研究進展

國家知識產權局

（中國粉體網編輯整理/九思）  

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