中國粉體網(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)電價補(bǔ)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(zhì)的重要標(biāo)志物,，這是因為其相較天然石英中其他雜質(zhì)元素，Al含量往往最高,，也最容易通過測試分析方法分析出來,。當(dāng)石英中存在大量Al雜質(zhì)時，Li,、K,、Na等雜質(zhì)元素的含量會增加。

Al進(jìn)入石英晶格,，會產(chǎn)生較強(qiáng)的化學(xué)鍵,，影響石英制品的導(dǎo)電性，同時,，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(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(jī)械強(qiáng)度，在高溫下對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(chǎn)具有較高的資源和技術(shù)壁壘屬性特征,由于國內(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級高純石英砂無法自主生產(chǎn),。美國尤尼明公司在礦產(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)絕對優(yōu)勢,，一度壟斷著國際上4N8及以上的高端石英砂產(chǎn)品,。據(jù)了解,，美國尤尼明公司可通過氯化焙燒技術(shù)脫除石英雜質(zhì)中最難除的Ti，即通過去除晶格雜質(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、國內(nèi)對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,，國家知識產(chǎn)權(quán)局公布了中南大學(xué)申請的名為“一種高純石英砂晶格雜質(zhì)及包裹體同步深度脫除方法”的專利,。

該發(fā)明公開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(jìn)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(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對石英砂進(jìn)行動態(tài)沖擊壓縮,，使石英砂處于結(jié)構(gòu)松散的無序亞穩(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(jìn)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(xiàn)狀綜述，地質(zhì)論評2021.9

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

國家知識產(chǎn)權(quán)局

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/九思）  

注：圖片非商業(yè)用途,，存在侵權(quán)告知刪除,！