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高纯石英质量分类及工业标准

文章作者:创始人 发布时间:2022-05-20 16:33:44 浏览次数:0

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  高纯石英砂采用高品位的石英石(SiO2含量大于99.80%)经过选矿、颚碎、煅烧、水淬、锤破对辊破、筛分、磁选色选、酸洗、浮选、湿筛分、水洗、固液分离、烤砂、强磁选等工艺生产而成。

  高纯度石英砂产品从中低端到高端一般应用路径为光源行业(99.5%~99.99%)、高端光学器件、激光器件(99.99%以上)、到光纤通信、半导体、光伏、微电子等领域(99.995~99.9999%)。

  近年来,随着我国电子信息产业、电光源产业的迅速发展、光伏产业的爆发式增长,石英制品行业工业总产值保持较快增长。

  在半导体领域中,石英是不可或缺的原料。几乎所有工序从生产辅助部件到用于实际硅片加工的工具都或多或少的使用着石英制品。石英坩埚用于制造单晶硅环节,石英玻璃钟罩用于光刻工程,石英管制作的石英舟和石英支架可以用于IC外延、扩散和光刻工程等。半导体行业的快速发展将带动上游高纯石英材料的需求增长。

  在光纤通信领域,高纯石英玻璃产品是光纤生产过程中的重要材料。广泛应用于光纤预制棒制成和光纤拉丝工艺中,其中芯棒的纯度要求最高(大于5N)。光纤半导体市场对石英材料的纯净度、规格精度、质量稳定性要求高,国内大部分石英制品生产企业不具备生产高纯石英砂及电子级石英制品的能力,因此,目前国内光纤半导体厂商仍以向国外企业进口石英制品为主。国际知名石英企业——贺利氏、迈图、信越石英等占据了中国大部分光纤半导体应用市场。光纤芯棒以及套管的制造原材料主要由尤尼明垄断。目前光纤预制棒石英套管产品主要依赖进口,进口光纤石英套管成本较高,国产替代需求强烈。

  目前,国家已经制定了多项石英行业现行国家标准、行业标准和地方标准。例如对于光伏高纯石英砂要求,具有一定透明度的白色颗粒,无异色;石英砂的粒径应在70~350μm范围内,且在该粒径范围的累积质量分数应大于或等于90%。粒径小于100μm或大于300μm的累积质量分数均应小于1%。二氧化硅含量应大于或等于99.99%,灼烧失量应小于或等于0.01%;杂质元素含量应小于或等于25μg/g,其中钾、锂、钠含量总和小于2.5μg/g等具体指标。

  根据商业石英产品的纯度,将加工后的石英按杂质总量的多少进行分类,在该分类方案中,将杂质元素总量低于50μg/g的石英定义为高档石英材料,包括高纯石英(杂质元素总量:8~50μg/g)、极高纯石英(杂质元素总量:1~8μg/g)和超纯石英(杂质元素总量<1μg/g)。其中,后两者在自然界中匮乏或无,需要用纯度较高的天然石英原料进行加工合成。

  在研究挪威不同地区的蓝晶石石英岩时,尝试根据石英中Al和Ti的含量来判断自然产出的石英能否作为高纯石英。通常Al和Ti在石英中的元素含量较高,通过简单的提纯工艺很难将其除去,而精细的提纯会增加生产成本,因此石英中的Al和Ti的含量是制约石英纯度的主要因素。据此,当石英中的Al和Ti的含量分别小于25ug/g和10μg/g的天然石英,可以归结为为高纯石英范畴。

  值得注意的是,对石英的划分是基于商业石英产品的,难以适用于天然产出的石英。同时,石英中的杂质元素有多种,每种杂质元素在石英中的含量和对提纯加工的影响不尽相同,因此有必要考虑主要杂质元素含量的上限,而不单纯的设置总量上限。提出的标准虽然可以适用于天然石英,并且主要考虑了Al和Ti含量的影响,但没能充分考虑其他杂质元素。

  基于上述原因以及石英研究的进步,Müller等对评判标准进行了修正。修正方案主要考察了石英中主要的9种有害元素的含量,包括Na、K、Li、Al、Ca、Fe、Ti、B和P,每种杂质元素含量允许的上限分别为Al<30μg/g、Ti<10μg/g、Na<8μg/g、K<8μg/g、Li<5μg/g、Ca<5μg/g、Fe<3μg/g、P<2μg/g和B<1μg/g,同时这些元素的总量不能超过50μg/g,这样的石英才能够作为高纯石英。Müller等的评价方案不仅适用于天然的石英,还适用于加工后的石英产品,具有更广的适用性。另外,Müller等指出,石英的微量元素可通过原位分析测试得到,如EPMA、LAICP-MS或SIMS,这是为了避免受到外来矿物和包裹体的影响。理论上,原位分析测试得到的结果是晶格杂质元素含量和亚显微包裹体元素含量的叠加,如果原位分析显示出石英的杂质元素含量过高,那么天然石英提纯成高纯石英的潜力相对较小。

  目前,可实现的规模化生产的最高的纯度可以达到99.999%(5N)以上。其产品的价格与纯度关联紧密,低端产品二氧化硅含量为99.5~99.99%(2~4N),价格在600~800元每吨左右。中端产品的纯度在99.995~9.999%(4~5N)之间。产品价格约为30000元每吨左右。而高端的5N以上的高纯石英砂价格在60000元每吨,且市场供不应求。

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