石英的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值與二氧化硅純度有何關(guān)聯(lián)？

石英的工業(yè)應(yīng)用十分廣泛，使用量和工業(yè)產(chǎn)值巨大，尤其是在電子信息、新材料和新能源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。與其他非金屬礦相比，石英礦物原料工業(yè)應(yīng)用的一個(gè)顯著特點(diǎn)是同時(shí)存在三種形式：利用礦物晶體固有的物理和化學(xué)性質(zhì)，如3D打印砂、結(jié)晶硅微粉等;提供有用化學(xué)成分，是硅酸鹽材料的最基本原料;冶煉提取有用元素Si，目前是金屬硅及其提純加工產(chǎn)物多晶硅和單晶硅的唯一原料。

石英礦物原料工業(yè)應(yīng)用的三種形式與應(yīng)用實(shí)例示意圖

據(jù)了解，目前我國(guó)每年各種石英礦物原料的用量1億t左右。石英工業(yè)應(yīng)用的最重要特點(diǎn)是，應(yīng)用十分廣泛，產(chǎn)品種類繁多，用量巨大，工業(yè)產(chǎn)值很大，不同品種的價(jià)格懸殊巨大，一些品種的附加值很高。隨著戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展，石英的工業(yè)應(yīng)用大大超越傳統(tǒng)應(yīng)用范圍，尤其是在電子信息、新材料和新能源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，并由于石英是硅產(chǎn)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，SiO2純度≥99.998%的高純石英和高純球形硅微粉分別是晶圓用單晶硅生長(zhǎng)和芯片封裝所需的關(guān)鍵材料，因此石英已成為一種重要的戰(zhàn)略性非金屬礦產(chǎn)。

石英的工業(yè)應(yīng)用和價(jià)值與SiO2的純度有著密切的關(guān)系。目前，根據(jù)石英SiO2純度及其工業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)，本文作者將石英及相關(guān)產(chǎn)品歸納為三大類：w(SiO2)99%±產(chǎn)品，w(SiO2)99%～99.9%產(chǎn)品，w(SiO2)>99.9%產(chǎn)品。

石英礦物原料的 SiO2 純度與價(jià)格的關(guān)系: IOTA-STD為美國(guó)尤尼明公司 ( Unimin Corp.) 生產(chǎn)的SiO2純度≥99.998% ( 4N8)的高純石英高端產(chǎn)品

01、w(SiO2)99%±產(chǎn)品

w(SiO2)99%±產(chǎn)品應(yīng)用：主要包括各種浮法玻璃、日用玻璃(如玻璃杯、酒瓶等)、玻璃纖維、陶瓷、鑄造(型砂和覆膜砂)、耐火材料、冶金等;同時(shí)還包括金屬硅(工業(yè)硅)、石油壓裂支撐劑和3D打印砂等新的應(yīng)用領(lǐng)域。

特點(diǎn)：一般單價(jià)不高，單位質(zhì)量產(chǎn)品的附加值不大，但其用量很大，工業(yè)產(chǎn)值十分可觀。

玻璃：據(jù)市場(chǎng)調(diào)查分析資料，僅四川玻璃工業(yè)對(duì)石英砂需求為600萬(wàn)t/a，而我國(guó)日用玻璃制品(玻璃器皿、玻璃保溫容器、玻璃包裝容器等)總產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到3000萬(wàn)t，工業(yè)總產(chǎn)值已經(jīng)達(dá)到2000多億元。目前我國(guó)人均日用玻璃制品的消費(fèi)量還不足15kg，而歐美國(guó)家的人均日用玻璃制品消費(fèi)量已達(dá)50kg，說(shuō)明還有很大市場(chǎng)潛力。

鑄造：鑄造用石英砂是用量最大的鑄造原砂，是一種重要的造型礦物材料，廣泛用于鋼鐵和有色金屬的鑄造。我國(guó)鑄件總產(chǎn)量已連續(xù)多年位居世界首位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)1t合格鑄件，需要1～1.3t的石英砂，全國(guó)每年消耗的新砂在2000萬(wàn)t以上。

值得一提的是，在目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上w(SiO2)99%±的石英砂產(chǎn)品中，根據(jù)其TFe含量有w(TFe)≦0.08%的普砂，w(TFe)≦0.05%的精砂，以及w(TFe)≦0.01%的低鐵石英砂等品種。如圖3最右邊所示，它們所對(duì)應(yīng)的價(jià)格范圍相差好幾倍。其中，低鐵石英砂是近年來(lái)用量增長(zhǎng)較快的品種，主要用于生產(chǎn)超白玻璃和五糧液水晶瓶等。超白玻璃一種透明度很高的玻璃，在光伏新能源產(chǎn)業(yè)和特殊裝飾等方面有廣泛應(yīng)用。

金屬硅：目前，我國(guó)金屬硅的產(chǎn)能世界第一。石英的另一個(gè)新用途是用于硅產(chǎn)業(yè)所需金屬硅生產(chǎn)。戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)所需要的多晶硅和單晶硅就是以金屬硅為原料進(jìn)一步提純加工得到的。金屬硅是石英和焦炭的冶煉產(chǎn)品，主要成分Si含量在98%左右(近年來(lái)w(Si)99.99%的也在金屬硅之列)，其余雜質(zhì)為鐵、鋁、鈣等。據(jù)了解，金屬硅對(duì)石英礦物原料的純度要求并不高(w(SiO2)>99.2%，w(TFe)<0.5%)，但對(duì)石英原料塊度和高溫防爆性還有一定要求。

02、w(SiO2)99%～99.9%產(chǎn)品

w(SiO2)99%～99.9%產(chǎn)品應(yīng)用：主要是用于電工電子和集成電路等各種二氧化硅微粉。

硅微粉：硅微粉產(chǎn)品系列比較復(fù)雜，應(yīng)用十分廣泛，除大型集成電路和芯片用硅微粉對(duì)SiO2純度有更高要求外，其它硅微粉通常要求w(SiO2)99%～99.9%，w(TFe)<100ppm。如表1所示，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)SJ/T10675—2002和筆者研究認(rèn)識(shí)，硅微粉有多種分類和品種。

由此可見，硅微粉是以二氧化硅為主要成分的粉體系列產(chǎn)品的總稱。其特征是：(1)其形態(tài)是細(xì)小的粉體，而不是砂粒狀;(2)其物相有可能是石英(如結(jié)晶硅微粉)，也可能不是石英(如方石英硅微粉、熔融非晶態(tài)硅微粉、非晶態(tài)球形硅微粉、復(fù)合硅微粉等)，但都是以石英礦物為原料加工制備的;(3)其化學(xué)成分以二氧化硅為主要成分，但也可含較多的其它成分(如普通硅微粉w(SiO2)≥99.40%，復(fù)合硅微粉w(SiO2)55%左右);(4)其應(yīng)用主要是作電工、電子等聚合物產(chǎn)品的填料。

硅微粉的一個(gè)重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域是集成電路覆銅板(CCL)。集成電路產(chǎn)業(yè)作為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國(guó)家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。覆銅板作為集成電路的最主要載體，在集成電路中充當(dāng)工業(yè)基礎(chǔ)材料。目前應(yīng)用于集成電路覆銅板的硅微粉主要有結(jié)晶型硅微粉、熔融型(無(wú)定型)硅微粉、球形硅微粉、復(fù)合硅微粉、活性硅微粉等五個(gè)品種。它們各有優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。我國(guó)擁有全球規(guī)模最大的集成電路產(chǎn)能和市場(chǎng)，需求將繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)。其中，復(fù)合硅微粉作為一種復(fù)合改性的新品種，已表現(xiàn)出較好使用效能和市場(chǎng)前景。

硅微粉另一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域是芯片封裝材料。芯片從設(shè)計(jì)到制造非常不易，芯片封裝顯得尤為重要。據(jù)了解，由于芯片相當(dāng)小且薄，如果不在外施加保護(hù)，就很容易被刮傷損壞。由于芯片的尺寸微小，如果不用一個(gè)較大尺寸的外殼，人工難以安置在電路板上。全世界95%以上的芯片封裝材料主要為環(huán)氧塑封料，其在生產(chǎn)過(guò)程中需大量使用具有特殊性質(zhì)的超細(xì)高純球形硅微粉作封裝填料。目前，我國(guó)芯片產(chǎn)能在全球市場(chǎng)份額的占比還較少，芯片用球形硅微粉主要用戶也在國(guó)外，日本的技術(shù)和產(chǎn)品均處于領(lǐng)先水平。

硅微粉加工制備技術(shù)主要包括提純、超細(xì)、分級(jí)、球化、復(fù)合改性、表面改性等。目前，如何進(jìn)一步提高提純、超細(xì)、分級(jí)加工的性價(jià)比，如何針對(duì)集成電路覆銅板和電子電工聚合物材料特點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性地表面改性，以及如何針對(duì)應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行復(fù)合改性等，還有大量工作要做，尤其是芯片封裝所需的超細(xì)高純球形硅微粉我國(guó)還處于空白。近幾年來(lái)，本文作者側(cè)重開展了集成電路覆銅板用復(fù)合硅微粉等研發(fā)工作，相關(guān)成果已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化實(shí)施階段。

03、w(SiO2)>99.9%產(chǎn)品

w(SiO2)>99.9%產(chǎn)品應(yīng)用：主要包括高純石英及其玻璃制品等。

高純石英：高純石英是石英制品的原料，是硅產(chǎn)業(yè)高端產(chǎn)品的物質(zhì)基礎(chǔ)，廣泛運(yùn)用于光伏、電子信息、光通訊和電光源等行業(yè)，在電子信息、新材料和新能源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中具有重要地位和作用。

高純石英(high-purityquartz)是SiO2純度大于99.9%的石英系列產(chǎn)品的總稱。如表2所示，其產(chǎn)品等級(jí)可按SiO2純度或Al、B、Li、K、Na、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni等雜質(zhì)元素總量進(jìn)行劃分，每個(gè)等級(jí)的高純石英可按粒度分為不同粒度大小的品種。

高純石英具有與硅微粉完全不同的特征：(1)其形態(tài)是具有一定粒度的砂粒狀，而不是細(xì)小的粉體;(2)其產(chǎn)品品種相對(duì)較少，其物相100%為石英晶體材料;(3)其化學(xué)成分SiO2純度大于99.9%;(4)如表3所示，高純石英高端產(chǎn)品主要用于光伏行業(yè)、電子信息行業(yè)、光通訊行業(yè)和高端電光源行業(yè)等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)域。其中，SiO2純度≥99.998%(4N8)的高純石英高端產(chǎn)品不僅是一種礦物功能材料，而且是半導(dǎo)體、光伏、電子信息和高端電光源等生產(chǎn)必不可少的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，也是我國(guó)芯片(晶圓用單晶硅)發(fā)展必需的關(guān)鍵材料之一，在電子信息、新材料和新能源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)以及國(guó)防軍工、國(guó)家安全中具有十分重要的地位和作用。

我國(guó)光伏、高端電光源和電子信息等行業(yè)對(duì)高純石英需求很大。由于我國(guó)高純石英技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平的差距依然很大，所生產(chǎn)的石英制品大部分為中低端產(chǎn)品，主要用于低端電光源等行業(yè)。高純石英高端產(chǎn)品還需從國(guó)外高價(jià)進(jìn)口，以滿足光伏、電子信息及高端電光源等行業(yè)的生產(chǎn)需要;或直接進(jìn)口由高純石英高端產(chǎn)品制備的石英棒和石英錠，以滿足高檔石英玻璃制品和器件產(chǎn)生的品質(zhì)需求?？偟膩?lái)看，我國(guó)是高純石英消費(fèi)大國(guó)，中低端產(chǎn)品自給有余，部分出口，高端產(chǎn)品仍然依賴進(jìn)口嚴(yán)重。高純石英的進(jìn)口量遠(yuǎn)大于出口量，對(duì)外依存度高，近年來(lái)進(jìn)口總量總體呈上升趨勢(shì)。

目前，我國(guó)高純石英技術(shù)已經(jīng)取得一定進(jìn)展，主要標(biāo)志是初步具有4N高純石英中端產(chǎn)品的批量生產(chǎn)能力，并基本掌握了高純石英質(zhì)量檢測(cè)技術(shù);但我國(guó)目前還沒有4N8及以上高端產(chǎn)品生產(chǎn)能力，表明與國(guó)際先進(jìn)水平的差距依然很大。高純石英技術(shù)包括原料選擇技術(shù)、提純工藝技術(shù)、加工裝備技術(shù)和質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)等四個(gè)方面，它們是既相互獨(dú)立，又相互聯(lián)系和相互制約的技術(shù)整體。

發(fā)展我國(guó)高純石英技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。我們研究團(tuán)隊(duì)多年研究和實(shí)踐證明，高端產(chǎn)品生產(chǎn)必須采用高純石英優(yōu)質(zhì)原料，因?yàn)槿魏我环N天然石英原料都存在一定雜質(zhì)和提純加工局限性;依目前的技術(shù)水平，能夠提純加工高純石英高端產(chǎn)品的只是極少數(shù)，甚至是極個(gè)別。所謂高純石英優(yōu)質(zhì)原料是指在一定的工藝條件下，能夠提純加工出SiO2純度大于99.998%(4N8)的高純石英高端產(chǎn)品的天然石英礦物原料。我國(guó)高純石英技術(shù)仍然落后的根本原因是，迄今為止還沒有發(fā)現(xiàn)能夠穩(wěn)定滿足工業(yè)生產(chǎn)需要的高純石英優(yōu)質(zhì)原料，并在原料選擇、提純工藝和加工裝備等方面存在盲目性。

 

原標(biāo)題：石英的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值與二氧化硅純度有何關(guān)聯(lián)？