中國粉體網(wǎng)訊  高純石英砂是石英玻璃,、石英管、石英坩堝等的主要原料,，高純石英高端產(chǎn)品是航天軍工,、電子信息和光通訊行業(yè)等高科技產(chǎn)品的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，隨著高精尖科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,，高純石英的需求量急速增長,，并且對其質(zhì)量要求也愈來愈高,。

來源：三菱化學(xué)

目前高純石英砂主要通過天然石英礦石提純得到，產(chǎn)能與高品質(zhì)礦源密切相關(guān),，而SiO₂純度≥99.998%（4N8）的高純石英高端產(chǎn)品主要被擁有高品質(zhì)高純石英原料礦的海外企業(yè)壟斷,，隨著全球范圍內(nèi)天然水晶和高品質(zhì)石英礦脈的逐漸枯竭，高純石英砂價格的不斷提升,，化學(xué)合成石英砂的工藝逐漸得到重視和研究,。

那合成砂未來會替代天然砂嗎？

天然石英礦制備高純石英

制備高純石英的天然高純石英原料主要有水晶,、花崗偉晶巖,、脈石英等。水晶原礦經(jīng)過粉碎,、磁選,、浮選、酸浸,、干燥,、焙燒后得到成品石英砂，其優(yōu)點是工藝簡單,，但是天然水晶礦的單價高,，目前，全球水晶資源逐漸枯竭,，且觀賞和裝飾用水晶的需求量激增,，該方法生產(chǎn)成本高，雜質(zhì)含量高,，能耗高,，粉料特性不穩(wěn)定，制備效率低且粒徑分布寬,。

花崗偉晶巖和脈石英前期選礦后,，經(jīng)過酸洗、浮選,、磁選,、高溫氣氛焙燒等提純，提純效果較為理想,，相對合成砂來說,，其優(yōu)點是天然石英礦價格相對低，缺點是較多金屬雜質(zhì)和羥基,，可用資源也少,。

合成石英砂工藝路線

來源：德鑫科技

合成石英砂的生產(chǎn)不依賴于天然石英礦產(chǎn)，可以通過化學(xué)合成法制備,。又因為其純度更高,、光學(xué)性能更良等特性,，除了在高端光學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用以外，也符合半導(dǎo)體制程對石英制品高純,、無污染,、耐高溫的要求，尤其是隨著半導(dǎo)體芯片線寬越來越窄,，普通的天然石英材料已經(jīng)無法滿足高端生產(chǎn)工藝的要求,，合成石英成為10nm制程以下的半導(dǎo)體芯片刻蝕環(huán)節(jié)中的重要部件。

合成砂的技術(shù)路線包括氣相合成法,、化學(xué)沉淀法,、溶膠-凝膠法、四氯化硅液相水解法等,。

氣相合成法

氣相合成法即火焰水解法,，與氣相白炭黑工藝類似，其原理是采用硅或有機硅的氯化物（如SiCl₄或CH₃SiCl₃等)原料,，將其氣化后與氫氣,、氧氣混合，在高溫下發(fā)生水解形成霧狀的SiO₂,，最后通過冷卻,、分離、脫酸等氣固分離得到產(chǎn)品,。該法得到的產(chǎn)品為氣相SiO₂,，粒徑小于100nm，外觀蓬松多孔,，比表面積大,，化學(xué)純度高，分散性較好,。

氣相合成法制備SiO₂流程圖

氣相合成法生產(chǎn)流程簡單,，合成條件易控制，反應(yīng)速度快,，適合大規(guī)模生產(chǎn),；由于過程中需要高溫環(huán)境，反應(yīng)生成的HCl會嚴重腐蝕設(shè)備,，因此對生產(chǎn)設(shè)備的材質(zhì),、加熱形式等要求比較嚴格。由于氣相法耗能大,，加工成本較高,，還需在反應(yīng)條件與設(shè)備選型等方面進一步地探討和研究。

化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀法是合成石英粉體較為廣泛的方法之一,。沉淀法生產(chǎn)SiO₂的原理：采用硅酸鈉與二氧化碳或酸溶液（加鹽酸,、硫酸或硝酸）作為原料，在一定的合成溫度和表面活性劑的作用下混合反應(yīng),，得到偏硅酸沉淀,，再經(jīng)過濾、洗滌,、干燥,、煅燒工序制備出SiO₂。

沉淀法制備SiO₂流程圖

沉淀法制備合成石英具有操作方便,，生產(chǎn)流程簡單,，原料易得，能耗低等優(yōu)點,；但是Fe3+,、Al³⁺、Ca²⁺等雜質(zhì)的存在會促成凝塊的形成,，嚴重影響產(chǎn)品的質(zhì)量,，導(dǎo)致產(chǎn)品性能差、純度低,、粒徑大,，易發(fā)生團聚；也存在著反應(yīng)體系的濃度較低,、沉淀速度快,、沉淀過程不易控制的缺點；另外,，廢酸,、廢水的處理給環(huán)境帶來一定的破壞。

溶解-凝膠法

溶膠-凝膠法是以無機鹽或者金屬醇鹽（一般為硅酸乙酯）為原料,，以醇作為共溶劑,，加入酸或堿溶液作為催化劑，進行水解,，縮聚反應(yīng)形成SiO₂凝膠,，過濾并對凝膠中的有機溶劑進行洗滌，干燥,、煅燒得到SiO₂粉體,。

采用溶膠-凝膠法制備SiO₂，生產(chǎn)流程簡單,，合成條件易控制,，對設(shè)備材料的要求不嚴格，且過程中無其他添加劑,，所以制備出的SiO₂純度較高,、均勻度好,、比表面積大。但是,，成本較高,，生產(chǎn)周期長，工業(yè)化價值不大,；另外,，因為實驗過程中可變因素較多，不能達到準確控制（如水解體系,、干燥方式及燒結(jié)途徑等）,，目前只停留在實驗室小試階段。

微乳液法

微乳液法是將水和烷烴類非極性溶劑混合,，在乳化劑,、穩(wěn)定劑等助劑作用下形成W/O或O/W乳液，選用合適的有機硅烷前驅(qū)體在乳滴中水解縮合,，形成二氧化硅顆粒,，將所得產(chǎn)物經(jīng)過洗滌、烘干,、煅燒等工藝,，得到合成石英砂粉末。

四氯化硅液相水解法

四氯化硅液相水解法的原理是SiCl₄與純水接觸發(fā)生水解或縮聚反應(yīng),，之后將反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)洗滌,、過濾、干燥,、煅燒,、篩選等流程，制備SiO₂粉體,。采用SiCl₄液相水解法制備高純石英粉,，由于原料中不含碳，故制備得到的SiO₂粉體純度較高,、羥基含量較低,。但是，在規(guī)�,；�生產(chǎn)過程中,，四氯化硅與水發(fā)生的水解和縮聚反應(yīng)劇烈，中間過程難以管控,，粉體易團聚,，形成的石英粉致密度較低。因此，為了滿足產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),，該法仍需更深入地探究其工藝控制（如水解控制,、干燥及燒結(jié)過程等），有效減少顆粒團聚現(xiàn)象的發(fā)生,。

氟硅酸法

氟硅酸是磷酸和無水氫氟酸生產(chǎn)的副產(chǎn)品,，用以生產(chǎn)氟硅酸鹽、氟化鹽,、氟硼酸酸鹽、無水氟化氫,、四氟化硅等,。氟硅酸氨化法是氟硅酸與氨反應(yīng)，生成氟化銨與二氧化硅,；氟硅酸鹽法是氟硅酸精制后與氯化鈉反應(yīng),，生成氟硅酸鈉和稀鹽酸，清洗氟硅酸鈉,，再和氫氧化鈉反應(yīng),，得到氟化鈉和二氧化硅；氟硅酸濃硫酸法是用濃硫酸奪去氟硅酸中的水分,，氟硅酸釋放出四氟化硅和氟化氫,，四氟化硅用水吸收，生成氟硅酸和二氧化硅,。

合成高純石英砂的產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

日本三菱化學(xué)：市場上僅有日本三菱一家生產(chǎn)的合成非晶體石英砂產(chǎn)品,，三菱化學(xué)合成石英砂是采用醇硅法制成的超純合成二氧化硅粉末，其產(chǎn)品純度達到7N級別,，金屬雜質(zhì)總量小于1ppm,，是高度集成半導(dǎo)體制造的重要材料。它是高純度石英坩堝和硅晶片制造的原材料,，也用于高端光學(xué)玻璃的生產(chǎn),。

國內(nèi)合成石英砂尚處于研究階段，幾種方法均處于實驗室小試階段,，目前仍沒有大型生產(chǎn)線建成生產(chǎn),。

中建材金格蘭石英：在合成石英砂純度方面達到6N級，建有年產(chǎn)50噸合成石英砂中試線,，目前在籌建擴產(chǎn)合成砂生產(chǎn)線,，合成砂產(chǎn)品已開展熔制石英坩堝和石英碇的批量應(yīng)用。

江瀚新材：依托現(xiàn)有硅烷產(chǎn)品為原料合成超高純6N級石英砂,，金屬離子總量＜0.1ppm,，羥基含量＜60ppm，可用于生產(chǎn)包括石英坩堝在內(nèi)的各種石英制品。公司稱目前中試線成功,，預(yù)計于2025年12月建成投產(chǎn),。

仕凈科技：與無錫惟忻元電力合作的6N石英砂項目，其產(chǎn)品應(yīng)用范圍包括但不限于芯片的拋光材料,、光伏坩堝材料,、半導(dǎo)體用封裝材料和醫(yī)藥制作材料等。

凱盛科技：用工業(yè)硅制備有機硅烷,，再以溶膠-凝膠法,，制備納米級石英粉和微米級石英砂，公司開發(fā)的合成石英砂產(chǎn)品純度可達6N-7N,，目前正在建設(shè)5000噸生產(chǎn)線,。

三豐智能：與武漢工程大學(xué)簽署了《關(guān)于人工合成超高純硅溶膠及超高純石英項目合作協(xié)議》，共同在超高純（6N以上級別）硅溶膠制備,、人工合成超高純石英材料研發(fā)及生產(chǎn)領(lǐng)域開展深入合作,。

德鑫科技：德鑫合成石英砂具有純度高、包裹體少,、低羥基,、可進行均勻有效摻雜等特點。是高性能石英玻璃的原料,，可將各種金屬元素控制在極低水平,，亦可對金屬元素進行精準雜以滿足產(chǎn)品特殊需求。

晶芯源新材料：公司年產(chǎn)4000噸高純合成石英砂生產(chǎn)項目總投資5億元,，項目高純石英砂主要用于光伏系列產(chǎn)品,。

硅研電子：公司主營產(chǎn)品包括超高純硅溶膠、電子級硅酸酯高純合成石英砂等,，其高純合成石英砂SiO₂含量在99.999%以上,，雜質(zhì)含量極低，具有強度大,、純度高,、耐腐蝕性能強、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點,，可用于工業(yè),、電子、光學(xué),、半導(dǎo)體,、機械、航空等領(lǐng)域,。

結(jié)語

半導(dǎo)體,、光伏行業(yè)、光學(xué)技術(shù)要求提高，對石英砂要求不斷提升,，天然石英礦受本身伴生物質(zhì),、生長環(huán)境的影響，純度幾乎到天花板,，受礦產(chǎn)資源不可再生的影響,，以化學(xué)合成工藝制備石英砂，被認為是未來技術(shù)發(fā)展的主要方向之一,。

化學(xué)合成石英砂純度高于天然礦提純石英砂,，但是現(xiàn)有各類合成方法所得石英砂成品粒徑太小或者過大，不滿足熔制石英玻璃所需粒徑,；制備石英砂過程中容易出現(xiàn)顆粒團聚和包裹體,，需對合成過程中的各類因素進行調(diào)控。另外,，受限于合成成本、設(shè)備材質(zhì),、生產(chǎn)周期,、產(chǎn)品穩(wěn)定性等因素，國內(nèi)合成石英砂尚處于研發(fā)階段,，未見規(guī)�,；�上市產(chǎn)品。

從技術(shù)的長期持續(xù)性看,，天然砂提純在去除鋁,、鈦元素方面存在瓶頸，利用合成工藝可以提高石英玻璃產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量水平,，探索更尖端,、更精密的應(yīng)用，合成石英砂能一定程度上解決石英砂緊缺的問題,，但能否替代天然砂,，關(guān)鍵還要看未來的合成砂生產(chǎn)工藝能否將成本降到足夠低。

參考來源：

花寧.合成石英砂制備技術(shù)及應(yīng)用

張鵬遠.合成石英砂工藝概況及幾種石英砂的檢測數(shù)據(jù)對比分析

李愛民.高純合成石英的制備技術(shù)和應(yīng)用

中國粉體網(wǎng)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初末）

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