中國(guó)粉體網(wǎng)訊 高純石英是一種具有耐高溫性、耐腐蝕性,、熱穩(wěn)定性和絕緣性等性能的重要且急需高純非金屬礦物材料,，被廣泛應(yīng)用于高端電光源、大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路,、光伏,、光纖、航天和軍工等領(lǐng)域,。由于這些領(lǐng)域關(guān)系到國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展,，高純石英一直被各國(guó)政府列入高技術(shù)領(lǐng)域而受到嚴(yán)格保護(hù)，早在2010年歐盟就將高純石英列為高科技行業(yè)關(guān)鍵性原料之一,。
石英的應(yīng)用領(lǐng)域匯總
由于國(guó)外對(duì)高純石英生產(chǎn)技術(shù)的封鎖,，加快推進(jìn)我國(guó)高純石英砂制備關(guān)鍵技術(shù)的自主化和國(guó)產(chǎn)化迫在眉睫。高純石英砂的提純制備受原料性質(zhì)影響很大,，雜質(zhì)特征是影響高純石英提純的關(guān)鍵因素,。
不同礦物類型中雜質(zhì)的賦存特征及含量不同，其采用的提純工藝也不同,，因此,，應(yīng)在高純石英雜質(zhì)特征分析的基礎(chǔ)上研究高純石英提純的工藝技術(shù)。
一,、高純石英雜質(zhì)元素有哪些,？
石英礦石一般含有黃鐵礦、磁鐵礦,、金紅石,、電氣石、赤鐵礦,、云母,、長(zhǎng)石等雜質(zhì)礦物。目前制約高純石英砂應(yīng)用的雜質(zhì)元素主要有13種：鋁（Al）,、鈣（Ca）,、鐵（Fe）、鈉（Na）,、鉀（K）,、鋰（Li）、鎂（Mg）,、鉻（Cr）,、鎳（Ni）、硼（B）,、錳（Mn）,、銅（Cu）、鈦（Ti）,。
高純石英雜質(zhì)元素及對(duì)石英制品的影響
二,、雜質(zhì)的賦存狀態(tài)
石英中礦物伴生雜質(zhì)根據(jù)其大小,、賦存形式等特性可分為三類：脈石礦物類雜質(zhì)、流體包裹體類雜質(zhì),、晶格結(jié)構(gòu)雜質(zhì),。
石英雜質(zhì)元素的賦存狀態(tài)和存在形式
其中氣液包裹體和晶格結(jié)構(gòu)雜質(zhì)是制約高純石英產(chǎn)品制備的關(guān)鍵性因素。
三,、不同類型雜質(zhì)的去除方法
1脈石礦物雜質(zhì)
礦石脈石礦物類雜質(zhì)是與石英出現(xiàn)在同一空間上的礦物,，不同地質(zhì)條件下伴生礦物不盡相同。石英主要的脈石礦物雜質(zhì)有長(zhǎng)石,、云母,、金紅石、方解石,、螢石、赤鐵礦,、黃鐵礦和黏土礦物等,。
這些脈石礦物雜質(zhì)相對(duì)較容易去除，通過常規(guī)的物理選礦方法便可以有效去除,，如色選,、擦洗,、重選,、磁選和浮選等選礦方法,。
2包裹體雜質(zhì)
包裹體是晶體生長(zhǎng)過程中界面所捕獲的夾雜物（某些固體礦物或氣液雜質(zhì)）,，其種類繁多。根據(jù)包裹的種類具體分為礦物包裹體,、流體包裹體,、熔體包裹體。
礦物包裹體中存在氯化物,、硅酸鹽、碳酸鹽,、硫酸鹽等物質(zhì),，Li、Na,、K、Ca,、Cr,、Al、Fe是主要的雜質(zhì)元素,。
（1）礦物包裹體混合酸溶解
石英中大量雜質(zhì)元素是以礦物包裹體形式存在于石英細(xì)粒聚合體或石英晶體晶界處,，通過物理分選很難有效降低這類礦物包裹體雜質(zhì)含量。
礦物包裹體混合酸溶解利用石英只能溶解在氫氟酸中,，而其他礦物包裹體雜質(zhì)能被酸溶解的特點(diǎn),，實(shí)現(xiàn)石英與雜質(zhì)的分離，常用的酸有硫酸,、鹽酸,、硝酸、氫氟酸等,。天然石英礦物中雜質(zhì)種類多且存在形式復(fù)雜,，使用混合酸溶解石英中礦物包裹體雜質(zhì)對(duì)石英砂提純效果最佳。
礦物包裹體雜質(zhì)有效暴露是被酸高效溶解的前提,，相變溫度焙燒—快速冷卻利用石英在相變溫度的體積膨脹效應(yīng),，促使石英顆粒內(nèi)部產(chǎn)生貫穿性裂紋，增加了礦物包裹體雜質(zhì)暴露的可能性,。
長(zhǎng)期以來,，混合酸溶解礦物雜質(zhì)被認(rèn)為是高純石英加工過程中最重要環(huán)節(jié)之一，在礦物雜質(zhì)被溶解的同時(shí)也可能脫除石英中的晶格雜質(zhì),。但混合酸溶解礦物雜質(zhì)反應(yīng)程度低,、過程緩慢，不僅消耗了大量時(shí)間和酸溶液,，同時(shí)也造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題,。因此研究選礦過程中獨(dú)立礦物雜質(zhì)、連生體礦物雜質(zhì)和礦物包裹體雜質(zhì)與石英有效分離技術(shù),，是今后高純石英加工中必須重視的問題,。
（2）流體包裹體高溫爆裂
流體包裹體直徑一般為微米級(jí)，體積較小,，在形成過程中所捕獲的流體屬過飽和溶液,，當(dāng)溫度降低時(shí)會(huì)從溶液中結(jié)晶形成包括石鹽,、鉀鹽以及一些硅酸鹽礦物的子礦物，因此含有 Na,、K,、Ca、Cl 等,。
石英礦物中存在大量流體包裹體,，根據(jù)其成因可分為原生包裹體、假次生包裹體,、次生包裹體三類,。原生包裹體是伴隨著石英晶體的生長(zhǎng)而形成的，存在于石英晶體的結(jié)晶面,，因此最難脫除,；假次生包裹體是石英晶體生長(zhǎng)過程中受應(yīng)力作用產(chǎn)生裂紋，生長(zhǎng)晶體的流體介質(zhì)自然地進(jìn)入其中,，并被繼續(xù)生長(zhǎng)的主礦物晶體圈閉而形成的包裹體,；次生包裹體是石英晶體結(jié)晶后形成，主要分布在石英顆粒的裂縫中,，因此相對(duì)較容易脫除,。
石英在高溫焙燒過程中，隨著溫度升高,，當(dāng)流體包裹體內(nèi)部壓力大于石英對(duì)包裹體束縛壓力時(shí)，流體包裹體發(fā)生突然爆裂內(nèi)部雜質(zhì)得以釋放,，再經(jīng)后續(xù)酸清洗可以溶解流體包裹體內(nèi)部雜質(zhì)。流體包裹體高溫爆裂時(shí)其內(nèi)壓的增大主要是通過溫度升高實(shí)現(xiàn),，適當(dāng)?shù)倪x擇更高溫度對(duì)流體包裹體的爆裂可能會(huì)產(chǎn)生更好的效果。
絕大數(shù)流體包裹體達(dá)到均一溫度后便可爆裂,，但并不是所有的流體包裹體都可以高溫爆裂。普遍含有大量流體包裹體的石英很難被加工為高純石英,。
3晶格結(jié)構(gòu)雜質(zhì)
晶格雜質(zhì)點(diǎn)缺陷與外來離子的摻入有關(guān)，石英晶體在形成過程中,，一些元素會(huì)替代硅元素進(jìn)入石英晶體中，形成了石英的結(jié)構(gòu)性雜質(zhì)。這些雜質(zhì)含量雖然很低,，但從石英中分離難度大，是制約高純石英質(zhì)量最關(guān)鍵性因素,。
石英晶體中典型的類質(zhì)同象替換
微量元素在石英晶格中存在方式主要有3種：
♦等價(jià)替代：如Ti4+、Ge4+,、Si4+等離子類質(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+),。
在石英結(jié)構(gòu)性雜質(zhì)中：Al雜質(zhì)元素含量一般最高,，由于Al以Al3+替代Si4+的形式存在,，引起了石英晶格內(nèi)部電荷不平衡，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，因此可以使用天然石英中Al的含量來判斷石英原料的質(zhì)量。
在現(xiàn)有加工技術(shù)下,，石英原料中晶格雜質(zhì)幾乎不能被除去。
晶格雜質(zhì)脫除技術(shù)
石英在自然界存在多種不同晶型,。石英在發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變過程中，石英晶體結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化,，存在于晶格內(nèi)部的雜質(zhì)可能會(huì)遷移擴(kuò)散至石英顆粒表面，增加了被脫除的可能性,。
氯化焙燒是在低于石英熔點(diǎn)溫度下,，石英中的雜質(zhì)組分與氯化劑作用轉(zhuǎn)變?yōu)槁然锒鴵]發(fā)出來,，石英在高溫氯化焙燒過程中存在晶型轉(zhuǎn)變,，使得石英晶格中的金屬離子可能會(huì)遷移擴(kuò)散到石英表面，與HCl,、NH4Cl和Cl2等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)變成易揮發(fā)組分而實(shí)現(xiàn)與石英的分離，同時(shí)也阻止了雜質(zhì)元素在冷卻過程再遷移擴(kuò)散至石英晶格中,。石英晶格中堿金屬雜質(zhì)在HCl氣氛中焙燒時(shí)會(huì)發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：
四、結(jié)語
未來,，高新技術(shù)行業(yè)對(duì)高純石英的需求量將逐漸增加，而且對(duì)高純石英的質(zhì)量要求也將更加嚴(yán)苛,。選擇合適石英原料是成功加工出高純石英最為關(guān)鍵的一步，對(duì)石英原料進(jìn)行工藝礦物學(xué)研究,，確定天然石英礦物中雜質(zhì)元素賦存狀態(tài),，對(duì)選擇合適的高純石英原料和確定有針對(duì)性的石英除雜提純方案極其關(guān)鍵,。
高純石英作為高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵性原材料,，我國(guó)必須掌握其加工技術(shù),。借鑒國(guó)外高純石英制備經(jīng)驗(yàn),，我國(guó)需要進(jìn)行合適的大型優(yōu)質(zhì)石英礦床的勘探、高純石英原料的工藝礦物學(xué)和高純石英加工技術(shù)與設(shè)備等方面的研究,。
參考來源：
【1】張海啟，等.高純石英中雜質(zhì)特征及深度化學(xué)提純技術(shù)研究進(jìn)展.礦產(chǎn)保護(hù)與利用.2022.
【2】馬超,，等.高純石英原料礦物學(xué)特征與加工技術(shù)進(jìn)展.礦產(chǎn)保護(hù)與利用.2019.
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【4】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.
【5】中國(guó)有色金屬協(xié)會(huì)硅業(yè)分會(huì)《去除石英流體包裹體方法》
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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