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石英的礦物學特征及關鍵性質
石英（quartz），SiO2，是一種架狀結構的硅的氧化物，α-石英（低溫石英，三方晶系）和β-石英（高溫石英，六方晶系）的總稱。α-石英和β-石英的轉變溫度為573℃，未加說明時，常指α-石英。
α-石英和β-石英
在礦物晶體化學分類中，石英歸屬于氧化物類、石英族。由于石英處于硅酸鹽的端元位置，有時也歸入硅酸鹽類。石英族包括石英、方石英、鱗石英、柯石英、斯石英等SiO2同質多象變體，其中柯石英和斯石英屬高壓相。
石英的理論化學成分(wB%)：SiO2 100，或Si 46.74，O 53.26。天然石英成分比較純凈，但由于類質同像替代作用，可含有少量Al、K、Na、Li、Ca、Fe、Mg、Mn、Ti、Cu、Zn、Cr、Ni、B、P等雜質元素。
石英SiO2的架狀基型晶體結構，決定了它的結構比較開闊，相對密度2.65，但[SiO4]四面體的Si-O鍵力強，所以硬度7，耐酸（除HF），微溶于KOH溶液中，熔點高（熔化溫度1710～1756℃），冷卻后即變為石英玻璃。
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石英是一種堅硬、耐磨、化學性能穩定的硅酸鹽礦物。通常為無色或乳白色，因各種雜質的混入可呈現不同的顏色，半透明，硬度7，性脆，無解理，貝殼狀斷口，油脂光澤，相對密度2.65，具旋光性、壓電性，傳熱性差，不導電，其電學、熱學和某些機械性能均具有明顯的異向性。
前世：石英七大礦產資源類型
石英在自然界中的分布十分廣泛，成因多種多樣，但目前能夠作為工業應用的石英礦物資源主要有7種礦床工業類型：天然水晶、石英砂巖、石英巖、脈石英、粉石英、天然石英砂和花崗巖石英。
天然水晶
一種無色透明的大型石英結晶體礦物，主要成份為二氧化硅。水晶的自然生長環境多是在巖洞、巖石裂縫或節理、斷層中，其生長條件比較苛刻，必須同時滿足四個條件：充裕的生長空間，能夠提供富含二氧化硅的熱液，一定的溫度和壓力，足夠生長時間。
石英砂巖
石英砂巖是一種固結的砂質沉積巖，其石英和硅質碎屑含量一般>95%，副礦物多為長石、云母和粘土礦物，重礦物很少，膠結物一般為硅質。
石英巖是由石英砂巖或其他硅質巖經區域變質作用或熱接觸變質作用而形成的變質巖石，伴生礦物除長石、云母和粘土礦物以外，往往還含有微量的電氣石、赤鐵礦和鋯英石等。與石英砂巖相比，其礦石致密堅硬，硬度較高。我國石英巖資源十分豐富，開發利用量大。
脈石英
主要是與花崗巖有關的巖漿熱液作用形成，致密塊狀構造，其礦物成分單一，幾乎全部為石英，SiO2含量一般在99%以上。脈石英礦床規模一般不大，產狀陡，厚度一般幾米至幾十米，長度一般為十幾米至幾百米，一個礦區可由一條礦脈或由多條礦脈組成。
粉石英
是一種顆粒極細，SiO2含量高的天然粉狀石英礦。主要是由硅質母巖風化解體而成的沉積風化型礦床。在特殊的地質構造條件下，在溫濕的古氣候、地形平緩古地理等因素作用下，促使硅質巖不斷碎裂解體，并在水力作用下將雜質帶走，最終形成礦床。
天然石英砂
是由花崗巖、石英巖、石英砂巖和脈石英等母巖經過自然界長期風化而形成的一種以石英為主要礦物成分的砂狀石英礦物原料，其伴生礦物包括長石、巖屑、云母、粘土礦物及鋯英石、電氣石、鈦鐵礦和角閃石等重礦物。主要為海相沉積砂礦床和河湖相沉積砂礦床。常見的地區有內蒙通遼，福建晉江，海南文昌等。
花崗巖石英
矽比科IOTA高純石英系列產品能獲得國際壟斷地位的根本原因是，擁有世界上迄今為止發現的獨特的高純石英優質原料——花崗巖石英。該原料為產自美國北卡羅來納州Spruce Pine地區的偉晶花崗巖，該特殊類型石英礦床的發現頗具傳奇性。
該礦最初是用來生產長石和白云母，石英是尾礦中的廢棄物。在上世紀70年代，由于石英玻璃原料水晶的日漸枯竭，尋找可替代水晶的天然石英成為當時許多國家急需攻克的難題。在此背景下，經過改進浮選技術，利用花崗質偉晶巖中的石英替代了水晶，生產出了高純石英砂，直到今天美國仍然壟斷著國際高純石英砂高端產品的市場。
今生：石英的那些典型應用
石英的應用十分廣泛，在經過一系列生產加工過程之后，被應用于玻璃工業、鑄造業、陶瓷工業、耐火材料工業、化工工業、石油開采、凈水材料、建筑材料、新能源光伏、電子半導體、光纖、光學、電光源、高端纖維材料、工業填料都眾多傳統與新興產業領域。
用量最大的應用領域
玻璃行業是石英資源消費量最大的領域，廣泛應用于建筑、汽車、新能源、醫療等領域，玻璃行業主要產品類型有平板玻璃、器皿玻璃、鋼化玻璃、光伏玻璃、電子玻璃、藥用玻璃等。
（圖源：pixabay）
2021年我國玻璃產量為101665萬重量箱，合計石英砂消耗約3406萬t。據國家統計局數據顯示，2023年我國平板玻璃產量為96941.80萬重量箱，需消耗約為3247萬t石英砂；2023年我國光伏壓延玻璃累計產量2478.3萬t，每生產一噸光伏玻璃大約需要0.71噸低鐵石英砂，因此需消耗約1760萬t石英砂。以此估算，2023年我國僅平板玻璃和光伏玻璃領域就要消耗石英砂超5000萬t，整個玻璃大行業每年所需的石英砂總量應該是遠超過這個數量。
玻璃下游需求主要來自于房地產、汽車、家電、光伏、日用器皿和電子等行業，其中地產以及與地產相關的需求以往占到了玻璃下游需求的75%左右，受房地產等行業下行的影響，未來常規玻璃需求增長緩慢；在“雙碳”目標推動下，全球光伏新增裝機將繼續發展，光伏玻璃需求仍將呈現逐年增加態勢。
最高端的應用領域
半導體領域：半導體集成電路制造最為核心的環節就是芯片制造環節，芯片制造主要由單晶生長、晶圓加工制造、集成電路芯片的生產以及后期封裝四個部分組成，其中最為核心、難度最高、對相關材料要求最嚴苛的為硅片制造和晶圓制程環節。
（圖源：賀利氏）
石英在半導體領域中的應用主要是半導體級別的石英坩堝以及晶圓制造的輔材環節。而石英制品貫穿硅片制造和晶圓加工環節，應用于半導體支撐擴散、氧化、沉積、蝕刻等關鍵過程。其中純度為5N2的高純石英砂可制半導體石英坩堝，純度為4N和4N8的高純石英砂可制硅片氧化、擴散等用的石英材料。
光纖領域：在大規模信息網絡建設需求的帶動下，全球光纖通信行業一直處于高速發展態勢，經過多年的發展，我國已經成為全球光纖光纜生產和消費的第一大國。光纖預制棒作為光纖光纜生產的“源頭”，一直被認為是光纖光纜產業鏈的核心競爭點。而光纖制造的主要基礎材料——光纖用石英玻璃也成為光通信業發展的基礎材料。其中，石英襯管（Substrate Tube）和套管（Jacket Tube）是光纖預制棒制備工藝過程中最常用的高端石英管材，其在光纖預制棒行業不斷發展的歷程中始終發揮著至關重要的作用。
（圖源：賀利氏）
國內的久智光電子材料科技有限公司以及光纖光纜制備技術國家重點實驗室的研究人員，以天然石英粉料為原料，利用等離子固相外沉積方法（PSOD），制備單模光纖預制棒用大尺寸石英套管，產品具有一次成型、羥基含量低、雜質含量少、規格尺寸大(相對于多模套管)及玻璃化程序好等特點，能夠滿足單模光纖預制棒制備所需。為低衰減光纖開發了一種新型的基礎材料和工藝路線，其在下一代超低衰減通信光纖制備中有廣闊的應用前景。
最熱門的應用領域
近年來，以新能源汽車、鋰電池、太陽能光伏電池為代表的“新三樣”，給中國制造增添了新亮色，在出口市場表現尤為亮眼，為中國經濟高質量發展提供新動能。
在光伏產業鏈中，石英制品發揮著舉足輕重的作用。除了以超白低鐵石英砂為原料生產的光伏玻璃以外，以高純石英砂為原料生產的石英坩堝是近些年石英下游應用領域中最為搶眼的產品。
石英坩堝屬于石英玻璃制品中的細分產品，具有潔凈、同質、耐高溫等性能。目前廣泛應用于太陽能和半導體領域提煉晶體硅的生產工藝中，是晶體硅生產過程中的消耗品。
相較于普通石英砂，經過選礦提煉制備而成的高純石英砂具有更好的耐高溫性及熱穩定性。作為石英坩堝的核心原料，石英砂純度是保證石英坩堝具備優良性能的核心指標。
資料來源：
[1]汪靈教授：石英礦物學與物化性質
[2]汪靈教授：石英應用特點與礦床工業類型
[3]中國粉體網：石英砂到底有多少種用途？終于有人說清楚了！
[4]中國粉體網：年產上億噸石英砂，都流向哪了？
[5]中國粉體網：用天然石英砂也能造光纖！但這一指標要求令99.99%的石英砂廠望而卻步
[6]中國粉體網：坩堝用石英砂的工藝技術特征及高純石英砂制備技術
[7]粉體大數據研究：中國半導體用石英材料市場研究分析報告（2024～2027）
(中國粉體網編輯整理/平安)
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