中國粉體網訊 石英玻璃具有純度高、化學穩(wěn)定、光譜透過寬、抗熱沖擊、耐高溫變形、耐宇宙射線和耐輻射、電絕緣等特點，被新材料領域專家譽為“玻璃之王”，廣泛應用于半導體、航空航天、激光核技術、光纖通信、慣性導航等領域，是國家戰(zhàn)略性產業(yè)和支柱型產業(yè)發(fā)展中不可代替的高純基礎材料。
根據制備原料的不同，石英玻璃可以分為天然石英玻璃和合成石英玻璃。其中，天然石英玻璃是采用天然石英礦物資源為原料制備，其傳統(tǒng)的原料是天然水晶。隨著多年的開采與利用，我國水晶資源已近枯竭，因此人們不斷探索新的石英玻璃原料礦種。迄今發(fā)現(xiàn)可用于制備熔融石英玻璃的原料按照不同成因主要分為巖漿巖型石英（花崗巖型石英）、高溫變質巖型石英和高溫偉晶巖型石英。這些類型的石英分布廣泛、儲量巨大，是生產熔融石英玻璃原料的豐富來源。
石英玻璃對石英原料的應用需求
熔融石英玻璃原料的提純和熔制實踐經驗表明，影響石英玻璃質量的原料特征主要是雜質元素的種類與含量、包裹體、粒度分布與晶體形狀等。
石英原料的純度
熔融石英玻璃的SiO2含量在99.9%以上，這就要求其原料必須是高純石英砂。判斷熔融石英玻璃原料純度高低的指標是原料中堿金屬（Li、Na、K）、過渡金屬元素（Fe、Cr、Mn、Ni、Cu）以及Al、B和Ti等金屬元素含量的多少。如果原料的純度不夠，則生產出來的熔融石英玻璃會產生各種問題，如氣泡氣線、雜質、羥基含量高、析晶嚴重，以至于其各種性能都不能達標。
不同應用領域的熔融石英玻璃雜質和羥基含量要求
原料中的包裹體
石英雜質的另一個來源是包裹體。天然石英中通常含有礦物包裹體、熔融包裹體和流體包裹體，包裹體的種類和含量主要取決于礦物的成巖環(huán)境和結晶學的變化。其中，流體包裹體主要是CO2、CH4、H2O、H2S的液態(tài)、氣態(tài)及氣液混合體，Na、K、Cl和Ca是主要的雜質元素。
流體包裹體對高純石英的影響首先表現(xiàn)在流體包裹體中富含金屬離子，是影響石英純度的主要因素之一。其次流體包裹體在石英熔融過程中不會完全爆裂，熔化前未爆裂的流體包裹體會在熔融石英玻璃中形成氣泡缺陷。因此，熔融石英玻璃制備需選用包裹體數(shù)量少或已爆破、雜質含量低的原料。
原料的粒度分布和顆粒形狀
原料的粒度分布不均勻會導致石英玻璃的氣泡和微量晶核的產生。比如在熔制過程中，由于表面活化能的不同，小顆粒石英比大顆粒石英優(yōu)先熔化，先熔化的石英熔液包覆于未熔化的石英砂表面，使大顆粒不易徹底熔化，形成顆粒缺陷，產生顆粒晶核，加速析晶。此外，小顆粒間隙所包含的氣體量多，增大了熔化排氣難度。不同的石英玻璃熔制工藝所需的原料粒度分布不同，一般熔融石英玻璃制品的等級越高，所需的粒度分布范圍越窄。
原料的顆粒形狀也是影響石英玻璃產生工藝氣泡的原因之一。在高純石英砂的熔制過程中，長徑比大的針狀顆粒易形成架棚現(xiàn)象，使下料不暢，導致玻璃制品出現(xiàn)工藝氣泡。為了減少架棚現(xiàn)象，增加石英砂的流動性，要求石英砂為粒狀，長徑比盡量接近1∶1，近似球形。因此，必須對原料的粒度分布與顆粒形狀進行嚴格控制。
石英原料提純技術
不同石英原料的礦石性質差異較大，提純潛力受礦石的化學成分、嵌布粒度特征、脈石礦物、包裹體和晶格雜質等性質的影響。高純石英的提純方法主要分為物理法和化學法。不同的共伴生礦物采用不同的分選技術，物理法提純主要有擦洗、重選、浮選、磁選和色選等工藝，可以去除幾乎所有以單體存在的礦物雜質，除雜后雜質元素的含量處于較低水平。此時，氣液包裹體和晶格內部類質同象雜質是主要的雜質來源，而這些雜質是制約高純石英產品制備的關鍵性因素。物理法提純無法去除這些雜質，需要進行化學法深度提純。
化學深度提純主要包括酸（堿、鹽）處理法和熱處理法，酸（堿、鹽）處理主要去除以包裹體形式存在石英砂顆粒表面或鑲嵌于顆粒中的雜質，熱處理法主要是利用高溫去除包裹體或晶格中類質同象類雜質。相對于物理提純方法而言，化學提純操作復雜、成本較高，但在制備高純石英時，化學處理是最有效的，也是必不可少的。
隨著戰(zhàn)略性新興產業(yè)的發(fā)展，石英玻璃作為特殊新材料，在新能源、半導體、航空航天、光纖通信等領域的需求量逐漸增大，市場空間也在不斷擴大。熔融石英玻璃由于具有原料來源廣泛、制備工藝成熟、尺寸可控等優(yōu)點，其產量占全部石英玻璃產品的70％～80％。但由于采用天然石英礦物原料，所以原料中流體包裹體和雜質產生的石英玻璃品質問題不能得到根本解決，且我國高純石英資源先天品質不甚理想，提純技術較落后，導致熔融石英玻璃原料大量依賴進口，嚴重阻礙了國內相關行業(yè)的發(fā)展。
2023年9月15日，中國粉體網聯(lián)合東海縣人民政府將于東海縣嘉臣國際大酒店舉辦“2023全國集成電路及光伏用高純石英材料產業(yè)發(fā)展大會”，屆時，來自中國建筑材料科學研究總院石英與特種玻璃研究院的教授級高工王玉芬將作《高端石英玻璃對石英原料的應用需求與提純工藝》報告。王教授曾任中國建筑材料科學研究總院石英與特種玻璃研究院院長，主持及參與國家級科研項目20余項，獲部級科技發(fā)明獎1項、科技進步獎2項，獲授權專利20項，發(fā)表論文20余篇，出版《石英玻璃》專著1部，制修訂標準3項，同時還榮獲“第四屆全國建材行業(yè)十大女杰”和“中國建材集團五有干部”等榮譽稱號。
參考資料：
譚琦等：熔融石英玻璃制備工藝研究進展，自然資源部高純石英資源開發(fā)利用工程技術創(chuàng)新中心
張海啟等：高純石英中雜質特征及深度化學提純技術研究進展，國家非金屬礦資源綜合利用工程技術研究中心
（中國粉體網編輯整理/平安）
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