什么是高純石英?
高純石英(high-purity quartz)是SiO2純度大于99.9%的石英系列產品的總稱,是硅產業高端產品的物質基礎,廣泛運用于光伏、電子信息、光通訊和電光源等行業,在新材料新能源戰略性新興產業中具有重要地位和作用。
按SO2純度可分為:
低端w(SO2)≥99.9%(3N)
中端w(SO2)≥99.99%(4N)
高端w(SO2)≥99.998%(4N8)
按產品中Al、B、Li、K、Na、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni等雜質元素總量可分為:
低端≤1000×10-6
中端≤100×10-6
高端≤20×10-6
每個等級的高純石英可按粒度分為40-80目、80-140目、80-200目、80-300目等品種。
我國高純石英技術與國際先進水平的差距較大,所生產的石英制品大部分為中低端產品,目前4N8及以上高端產品的國際市場幾乎被美國尤尼明公司所壟斷。
一、高純石英原料選擇技術
1、為什么水晶不能作為高純石英工業原料?
高純石英最初是以一、二級天然水晶為原料,再經精選提純加工而成。天然水晶通常是在一定地質條件下的晶洞環境中形成,其成因的特殊性決定了存在兩個先天不足:
?。?)儲量小,開采條件差,經過多年開發利用后,必然導致資源匱乏,價格昂貴,難以滿足大規模工業生產的需要;
?。?)受結晶環境變化的影響,礦物晶體化學成分不穩定,在大批量工業應用中導致原料化學成分波動較大,原料標準化困難,難以滿足高純石英高端產品生產的需要。
因此, 必須從其他石英礦物資源入手,從根本上解決高純石英原料問題,這正是當前國內外的基本技術思路。
2、其他國家如何選擇高純石英原料?
日本于20世紀90年代,采用 細粒偉晶巖為原料加工透明的高純石英。
俄羅斯和德國則采用 脈石英和變質石英巖為原料加工高純石英。
美國PPCC公司于20世紀80年代,采用英國西北海岸Foxdale地區 花崗巖加工高純石英,作為西歐石英玻璃的原料,其產品SO 2純度為4N,Fe含量<1×10 -6,其他雜質元素含量<5×10 -6。
美國尤尼明公司于20世紀90年代開始,對北卡羅來納州Spruce Pine地區的 偉晶花崗巖開展了卓有成效的開發利用,已開發出IOTA-STD(標準級)、IOTA-4、IOTA-6、IOTA-8等高純石英系列產品,幾乎壟斷了國際市場,并成為國際標準。
尤尼明IOTA高純石英砂技術指標!
由此可以看出,除天然水晶外,上述6種成因的石英礦物資源中, 脈石英和花崗巖石英是替代天然水晶、加工高純石英中端和高端產品的理想原料。
3、高純石英原料的選擇標準是什么?
依目前的加工技術水平, 并不是所有的脈石英和花崗巖石英都能夠加工高純石英,能夠加工高端產品的只是極少數,甚至是極個別。
也就是說, 選擇脈石英或花崗巖石英只是選對了大方向,并不能解決具體原料選擇這一關鍵問題。
主要原因是:
脈石英和花崗巖存在多種細分成因類型,而且受成礦地質條件的影響;
同一成因類型的脈石英和花崗巖的礦物學、巖石學、礦床學特征差別也較大。
據介紹, 美國尤尼明公司對高純石英原料是精挑細選,要求十分嚴格。
尤尼明石英原料選擇標準:
一是晶體結構中雜質最少的石英,如IOTA-STD鋁含量(14-18)×10 -6,IOTA-4鋁含量(8-10)×10 -6;
二是氣液包裹體少的石英,如偉晶花崗巖和水晶。
實踐表明: 原料中雜質元素含量高低與其質量優劣并不是簡單對應關系,而是與原料工藝礦物學特征所決定的雜質可選性有關。
例如,美國Spruce Pine偉晶巖樣品的雜質元素含量相當高,但卻是IOTA高端產品的原料。
4、中國高純石英技術為什么落后?
我國面臨的技術困惑是:很難將尤尼明這種標準應用于原料選擇的實際工作中。
主要原因是:高純石英的SO 2純度極高,雜質元素含量很低,而原料中雜質元素含量通常都較高, 難以根據化學成分檢測數據對原料優劣進行正確判斷。
目前,由于我國 缺乏高純石英原料評價與選擇技術,對于高純石英原料選擇及其加工工藝還存在較大的盲目性。
例如,以往認為采用SO 2純度2N左右的石英礦物原料就能夠加工高純石英,并投入了較大的人力、物力和時間,造成了較大的浪費。 這是我國高純石英技術處于相對落后狀態的重要原因之一。
顯然原料評價與選擇技術是高純石英技術的基礎和前提,是我國高純石英技術發展必須突破的技術瓶頸。
為此,必須加強高純石英礦物資源的礦物學、巖石學、礦床學研究,重點研究原料的化學成分、有用礦物(石英)、有害礦物、結構構造、石英包裹體等工藝礦物學特征,查明原料雜質分布及其賦存狀態及其對高純石英應用的影響與機理,為高純石英礦原料選擇技術和礦產資源探測提供科學依據。
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