中國粉體網訊 石英玻璃以天然結晶石英（水晶或高純硅石）或硅化合物為原料，在潔凈環境中經高溫熔制而成，具有一系列優良的物理化學性能，如良好的透光性、耐高溫性、低膨脹系數、電真空性能、耐腐蝕等，被業內譽為“玻璃王”。石英玻璃是現代信息產業、光學、光伏、半導體等戰略性新興產業和航空航天等國防領域發展中不可或缺的重要基礎性材料。
石英玻璃的優良性能
來源：菲利華招股說明書、中國電子信息產業統計年鑒、民生證券研究院
石英玻璃的生產工藝
高純石英玻璃制備方法分類
石英玻璃的制備方法可以分為兩大類。第一類是以天然石英晶體或硅石為原料進行熔制得到，稱為天然石英玻璃。根據熱源和工藝的不同可以將其細分為電熔法、氣煉法、等離子體熔制法等。其中，電熔法出品率高且經濟，是國內最為普遍的工藝方法，電熔法的成品率除了取決于工藝，更大程度上跟原材料有關。氫氧焰制備的石英玻璃雖然能減少雜質含量，但是成品的羥基含量過高。等離子體沉積法能同時解決雜質和羥基含量，但是成本高，所以實現大量產業化較為困難。
石英玻璃的生產工藝對比
張玉等.石英玻璃的現狀及發展趨勢
第二類是以含硅化合物（包括鹵化硅、氧化硅以及有機硅等）為原料通過化學反應合成得到，稱為合成石英玻璃。根據反應原理的不同可以將第二類方法分為三種：（1）含硅化合物在無水環境中發生熱氧化作用生成SiO2，常見的為等離子體化學氣相沉積法(PCVD)；（2）含硅化合物在氫氧火焰中發生水解反應（往往同時伴隨有氧化反應），稱為火焰水解沉積法(FHD)；（3）含硅化合物在水介質中發生水解反應，稱為溶膠-凝膠法。
另外，實際工業應用中往往對石英玻璃的產品的形狀有要求，如半導體產業中經常用到高純石英玻璃管、石英玻璃棒等，因此石英玻璃產品的改型主要采用的是熱改型法，即通過加熱石英玻璃使其軟化，然后根據實際需要對其形狀進行改變。
下面分別選取三類方法中的典型制備方法做具體介紹。
電熔法
在電熔法中，首先通過電加熱將坩堝內的粉末狀石英原料進行熔化，隨后經過快速冷卻的玻璃化過程形成石英玻璃。電加熱的方式包括電阻加熱、電磁感應加熱等。在熔化過程中石英晶體的結構歷經從β-石英到α-石英，再到α-方石英（同時伴隨有非晶相的產生）的轉變，直到加熱約1723℃時開始形成石英熔體。石英粉料的熔化過程通常是在高度真空（0.1~10Pa）環境下進行，以去除該過程釋放中產生的氣體和降低石英玻璃中的氣泡含量。
兩步CVD法
化學氣相沉積法本來是一類方法的統稱，嚴格來說等離子體化學氣相沉積法(PCVD)、管外氣相沉積法(OVD)和氣相軸向沉積法(VAD)都是基于化學氣相沉積法(CVD)，但是在工業界CVD法往往特指采用火焰水解沉積法直接制備石英玻璃錠的技術。CVD法的原理是將含硅化合物在載料氣體的帶動下送入氫氧焰噴燈，在高溫作用下發生化學反應生成SiO2顆粒。采用CVD法制備石英玻璃從本質上避免了金屬雜質的引入。由于工藝的原因，在國內工業界采用SiCl4為原料制備石英玻璃依然是目前的主流技術。
電熔法和兩步CVD法制備石英玻璃錠的流程對比圖
來源：馬千里.高純石英玻璃制備制備過程的研究和工藝優化
熱改型法
熱改型法首先通過將石英玻璃母材加熱軟化，然后通過槽沉、拉制等方法獲得所需要的產品。爐體的加熱方式為電磁感應加熱，爐內感應線圈中通入的交變電流在空間中產生的交變電磁場，電磁場作用于發熱體產生電流和熱量。隨著溫度升高，石英玻璃母材發生軟化，此時通過牽引器下拉即可形成石英玻璃棒/管。通過調節爐內溫度和下拉速度，可以拉制出不同直徑石英玻璃棒/管。電磁感應加熱爐的線圈布置和爐體結構對于爐內溫度場有很大的影響，在實際生產中需要嚴格控制爐內的溫度場來保證石英玻璃產品的質量。
石英玻璃的應用領域
憑借優異的物理化學性能，石英玻璃被廣泛應用于需要高溫、潔凈、耐蝕、透光、濾波等特定的高新產品生產工藝環境中，是半導體、航空航天、光通訊等領域不可或缺的重要材料。根據QYResearch數據，2019年，全球石英玻璃市場總值超過250億元，市場規模呈現穩定增長狀態，預計到2025年，市場規模將突破270億元。
半導體領域
2021年，半導體石英玻璃制品占石英玻璃制品市場的68%，半導體領域是石英玻璃下游市場中占比最大的應用領域。石英玻璃材料及制品廣泛應用于半導體芯片制程中，是半導體蝕刻、擴散、氧化等工序所需的承載器件與腔體耗材。
石英玻璃在半導體工藝流程中的應用
來源：《石英礦物資源的提純及在戰略性新興產業中的應用技術分析》、民生證券研究院
美國半導體行業協會(SIA)發布的報告顯示，2021年全球半導體市場規模達到5559億美元，創歷史新高，與2020年的4404億美元相比增長了26.2%。中國仍然是全球最大的半導體應用市場，2021年銷售總額達到1925億美元，同比增長27.1%。根據菲利華招股說明書披露，每生產1億美元的電子信息產品，平均需要消耗價值50萬美元的石英玻璃材料，預計2022-2023年全球石英玻璃市場規模預計可達31.66-33.12億美元，中國石英玻璃市場規模預計可達10.96-11.46億美元。
光通訊領域
石英棒是光纖制造的主要原材料。光纖預制棒中95%以上的組分為高純度的石英玻璃，且在光纖制棒和拉絲等光纖生產過程中需要消耗大量的石英玻璃材料，如把持棒、石英罩杯等。
5G建設帶動光纖光纜市場快速發展。5G網絡架構下的光纖使用量將是4G網絡的16倍，同時5G時代基站規模將是4G基站的2-3倍，基站互聯將為光纖光纜市場帶來較多需求。三大運營商積極加強光纖光纜采購，以推進5G商用進程。根據CRU數據，預計2022年我國光纖光纜需求將達到2.61億芯公里。
光學領域
合成石英玻璃材料用作高端光學領域的透鏡、棱鏡，TFT-LCD高清顯示器和IC用光掩膜基板材料。智研咨詢發布報告顯示，2021年中國光學儀器制造行業主營收入為852.1億元，同比增長4%。伴隨5G、AIoT技術及全球數字化進程的加速發展，消費類電子產品滲透率持續提升，新場景新應用推動IT產品多元化發展，新能源車市場快速成長帶動顯示面板需求持續成長。2021年，全球新型顯示行業產值和產量均再創新高，根據中國光學光電子行業協會液晶分會(CODA)的數據顯示，2021年全球新型顯示面板產值約1500億美元。
小結
石英玻璃產品是各領域關鍵耗材和原材料，制約下游行業產品生產，當前無可替代產品，因此石英玻璃的需求是長期存在的。在下游各行業尤其是半導體和光伏行業的加速發展中，石英玻璃行業的景氣度將不斷提高。
參考來源：
馬千里.高純石英玻璃制備制備過程的研究和工藝優化
湖北菲利華石英玻璃股份有限公司2021年年度報告
民生證券.新材料系列#4：高端石英材料龍頭，產業優勢地位突出菲利華（300395.SZ）首次覆蓋報告
東亞前海證券.下游需求多重共振，石英高潛力龍頭未來可期——菲利華（300395.SZ）首次覆蓋報告
（中國粉體網編輯整理/初末）
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