中國(guó)粉體網(wǎng)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(zhì)通常受脈石礦物及晶界雜質(zhì)、包裹體、晶格雜質(zhì)等因素影響。其中晶格雜質(zhì)元素有Al、Ti、Li、Na、K、Ge、OH等多種，這些雜質(zhì)元素含量通常超過(guò)1×10^-6，關(guān)鍵是這些雜質(zhì)很難利用經(jīng)濟(jì)的選礦手段和化學(xué)提純方法除去。

1、外來(lái)的雜質(zhì)元素深入石英晶格之中

為什么晶格雜質(zhì)難以去除？其實(shí)這是由于微量元素在石英晶格中的存在方式?jīng)Q定的。 

♦等價(jià)替代：如Ti⁴⁺、Ge⁴⁺、Si⁴⁺等離子類(lèi)質(zhì)同象替代。 

♦離子團(tuán)替代：如Al³⁺和相鄰的P⁵⁺替代Si⁴⁺，以平衡總電荷。 

♦電荷補(bǔ)償替代：如Al³⁺、Fe³⁺替代Si⁴⁺形成了［AlO₄/M⁺］0或［FeO₄/M⁺］0結(jié)構(gòu)中心，M⁺充當(dāng)電價(jià)補(bǔ)償離子平衡電荷。一般為堿金屬離子，有時(shí)也可以為正2價(jià)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(lái)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(zhì)的重要標(biāo)志物，這是因?yàn)槠湎噍^天然石英中其他雜質(zhì)元素，Al含量往往最高，也最容易通過(guò)測(cè)試分析方法分析出來(lái)。當(dāng)石英中存在大量Al雜質(zhì)時(shí)，Li、K、Na等雜質(zhì)元素的含量會(huì)增加。

Al進(jìn)入石英晶格，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的化學(xué)鍵，影響石英制品的導(dǎo)電性，同時(shí)，增強(qiáng)了石英玻璃的析晶作用，降低了使用壽命。少量的AI不會(huì)影響到高純石英產(chǎn)品的質(zhì)量，IOTA標(biāo)準(zhǔn)砂要求Al元素含量(12~18)x10^-6，但光導(dǎo)纖維中微量的Al便會(huì)降低石英玻璃的光傳導(dǎo)。

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(zhì)的重要標(biāo)志物之一，由于Ti-O鍵非常穩(wěn)定，不易破壞，無(wú)論是晶格間Ti還是包裹體中的含Ti礦物，均很難通過(guò)常規(guī)的選礦手段和化學(xué)提純方式經(jīng)濟(jì)合理除去，因此當(dāng)石英中Ti含量超過(guò)一定程度時(shí)，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(jī)械強(qiáng)度，在高溫下對(duì)石英玻璃的析晶起催化作用，導(dǎo)致石英玻璃出現(xiàn)失透、高溫變形等現(xiàn)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(diǎn)，增強(qiáng)石英坩堝的抗變形性，提高單晶的成品率。 

5、從晶格雜質(zhì)元素突破4N8級(jí)高純石英砂制造瓶頸

4N8級(jí)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(chǎn)具有較高的資源和技術(shù)壁壘屬性特征,由于國(guó)內(nèi)高純石英礦產(chǎn)資源稀缺、基礎(chǔ)研究不足、提純技術(shù)落后,導(dǎo)致4N8級(jí)高純石英砂無(wú)法自主生產(chǎn)。美國(guó)尤尼明公司在礦產(chǎn)資源、工藝技術(shù)、生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品精度等方面占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，一度壟斷著國(guó)際上4N8及以上的高端石英砂產(chǎn)品。據(jù)了解，美國(guó)尤尼明公司可通過(guò)氯化焙燒技術(shù)脫除石英雜質(zhì)中最難除的Ti，即通過(guò)去除晶格雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)突破，但是該技術(shù)核心部分受到封鎖。

6、國(guó)內(nèi)對(duì)高純石英砂晶格雜質(zhì)也實(shí)現(xiàn)了突圍

（1）一種高純石英砂晶格雜質(zhì)及包裹體同步深度脫除方法

9月20日，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局公布了中南大學(xué)申請(qǐng)的名為“一種高純石英砂晶格雜質(zhì)及包裹體同步深度脫除方法”的專(zhuān)利。

該發(fā)明公開(kāi)了一種高純石英砂晶格雜質(zhì)及包裹體同步深度脫除方法，該方法是將4N級(jí)石英砂裝入旋轉(zhuǎn)式焙燒爐中，采用電加熱與微波加熱的復(fù)合加熱方式進(jìn)行加熱焙燒，并導(dǎo)入氣態(tài)氯化劑進(jìn)行氯化反應(yīng)，即得4N8級(jí)石英砂。本發(fā)明基于石英基體與晶格雜質(zhì)和包裹體吸波性能差異，在電加熱基礎(chǔ)上通過(guò)微波加熱靶向促進(jìn)晶格雜質(zhì)活化以及包裹體吸熱膨脹爆裂，通過(guò)氯化劑與活化的晶格雜質(zhì)及包裹體雜質(zhì)反應(yīng)將雜質(zhì)組分揮發(fā)，實(shí)現(xiàn)石英砂的深度除雜。

(2)兩次焙燒-酸浸聯(lián)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(lián)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(jìn)行預(yù)處理，得到第一石英顆粒；將第一石英顆粒進(jìn)行第一次焙燒，得到第二石英顆粒；將第二石英顆粒進(jìn)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(jìn)行第二次焙燒，得到第四石英顆粒；以及將第四石英顆粒進(jìn)行第二次酸浸，水洗烘干后得到高純石英。高純石英通過(guò)上述方法制備得到，高純石英中SiO₂含量大于99.99％，最高可達(dá)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(lián)合工藝實(shí)現(xiàn)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(zhì)和惰性雜質(zhì)，且焙燒助劑環(huán)保、耗酸量小、產(chǎn)品純度高。

（3）一種超高純石英砂的提純方法

為克服現(xiàn)有石英砂提純工藝存在雜質(zhì)殘留，影響石英砂純度的問(wèn)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(duì)石英砂進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊壓縮，使石英砂處于無(wú)序亞穩(wěn)態(tài)；使用化學(xué)溶液處理石英砂以去除雜質(zhì)，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(guò)對(duì)石英砂進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊壓縮，使石英砂處于結(jié)構(gòu)松散的無(wú)序亞穩(wěn)態(tài)，從而使得化學(xué)溶液可以充分滲入，去除深層雜質(zhì)，提純效果更好。該方法可以結(jié)合氯化焙燒等其他石英晶格雜質(zhì)提純步驟，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制造業(yè)所需的4N8、5N級(jí)別的超高純石英砂制取。

參考來(lái)源：

趙海波等.天然石英礦物微量元素賦存特征研究進(jìn)展及對(duì)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(xiàn)狀綜述，地質(zhì)論評(píng)2021.9

施婭穎等.高純石英的雜質(zhì)類(lèi)型及深度提純技術(shù)研究進(jìn)展

國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/九思）  

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