中國粉體網(wǎng)訊 高純石英原料礦石是特定成礦條件下形成的、稀缺的戰(zhàn)略性資源，高純石英原料礦石品質(zhì)通常受脈石礦物及晶界雜質(zhì)、包裹體、晶格雜質(zhì)等因素影響。其中晶格雜質(zhì)元素有Al、Ti、Li、Na、K、Ge、OH等多種，這些雜質(zhì)元素含量通常超過1×10-6，關(guān)鍵是這些雜質(zhì)很難利用經(jīng)濟的選礦手段和化學(xué)提純方法除去。
1、外來的雜質(zhì)元素深入石英晶格之中
為什么晶格雜質(zhì)難以去除？其實這是由于微量元素在石英晶格中的存在方式?jīng)Q定的。
♦等價替代：如Ti4+、Ge4+、Si4+等離子類質(zhì)同象替代。
♦離子團替代：如Al3+和相鄰的P5+替代Si4+，以平衡總電荷。
♦電荷補償替代：如Al3+、Fe3+替代Si4+形成了［AlO4/M+］0或［FeO4/M+］0結(jié)構(gòu)中心，M+充當(dāng)電價補償離子平衡電荷。一般為堿金屬離子，有時也可以為正2價離子(Be2+、B2+、Ｒb2+、Sr2+、Ba2+)。
石英晶體中的晶格取代形式
2、Al的研究和分析
石英晶格的外來元素中，Al的研究和分析是最重要的，是判斷高純石英礦物原料品質(zhì)的重要標(biāo)志物，這是因為其相較天然石英中其他雜質(zhì)元素，Al含量往往最高，也最容易通過測試分析方法分析出來。當(dāng)石英中存在大量Al雜質(zhì)時，Li、K、Na等雜質(zhì)元素的含量會增加。
Al進入石英晶格，會產(chǎn)生較強的化學(xué)鍵，影響石英制品的導(dǎo)電性，同時，增強了石英玻璃的析晶作用，降低了使用壽命。少量的AI不會影響到高純石英產(chǎn)品的質(zhì)量，IOTA標(biāo)準(zhǔn)砂要求Al元素含量(12~18)x10-6，但光導(dǎo)纖維中微量的Al便會降低石英玻璃的光傳導(dǎo)。
3、Ti的研究和分析
除Al外，Ti也是判斷高純石英礦物原料品質(zhì)的重要標(biāo)志物之一，由于Ti-O鍵非常穩(wěn)定，不易破壞，無論是晶格間Ti還是包裹體中的含Ti礦物，均很難通過常規(guī)的選礦手段和化學(xué)提純方式經(jīng)濟合理除去，因此當(dāng)石英中Ti含量超過一定程度時，其也很難加工成高純石英。
4、堿金屬元素Li、K、Na的研究和分析
堿金屬元素Li、K、Na能降低石英玻璃的使用溫度和機械強度，在高溫下對石英玻璃的析晶起催化作用，導(dǎo)致石英玻璃出現(xiàn)失透、高溫變形等現(xiàn)象；降低堿金屬元素的含量有利于提高高純石英坩堝的軟化點，增強石英坩堝的抗變形性，提高單晶的成品率。
5、從晶格雜質(zhì)元素突破4N8級高純石英砂制造瓶頸
4N8級高純石英砂是一種純度要求高、粒度分布均勻、包裹體含量極低的高端高純石英制品。高純石英砂生產(chǎn)具有較高的資源和技術(shù)壁壘屬性特征,由于國內(nèi)高純石英礦產(chǎn)資源稀缺、基礎(chǔ)研究不足、提純技術(shù)落后,導(dǎo)致4N8級高純石英砂無法自主生產(chǎn)。美國尤尼明公司在礦產(chǎn)資源、工藝技術(shù)、生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品精度等方面占據(jù)絕對優(yōu)勢，一度壟斷著國際上4N8及以上的高端石英砂產(chǎn)品。據(jù)了解，美國尤尼明公司可通過氯化焙燒技術(shù)脫除石英雜質(zhì)中最難除的Ti，即通過去除晶格雜質(zhì)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)突破，但是該技術(shù)核心部分受到封鎖。
6、國內(nèi)對高純石英砂晶格雜質(zhì)也實現(xiàn)了突圍
（1）一種高純石英砂晶格雜質(zhì)及包裹體同步深度脫除方法
9月20日，國家知識產(chǎn)權(quán)局公布了中南大學(xué)申請的名為“一種高純石英砂晶格雜質(zhì)及包裹體同步深度脫除方法”的專利。
該發(fā)明公開了一種高純石英砂晶格雜質(zhì)及包裹體同步深度脫除方法，該方法是將4N級石英砂裝入旋轉(zhuǎn)式焙燒爐中，采用電加熱與微波加熱的復(fù)合加熱方式進行加熱焙燒，并導(dǎo)入氣態(tài)氯化劑進行氯化反應(yīng)，即得4N8級石英砂。本發(fā)明基于石英基體與晶格雜質(zhì)和包裹體吸波性能差異，在電加熱基礎(chǔ)上通過微波加熱靶向促進晶格雜質(zhì)活化以及包裹體吸熱膨脹爆裂，通過氯化劑與活化的晶格雜質(zhì)及包裹體雜質(zhì)反應(yīng)將雜質(zhì)組分揮發(fā)，實現(xiàn)石英砂的深度除雜。
(2)兩次焙燒-酸浸聯(lián)合工藝制備高純石英的方法及高純石英
本發(fā)明提供了兩次焙燒-酸浸聯(lián)合工藝制備高純石英的方法及高純石英，方法包括以下步驟：將石英原礦進行預(yù)處理，得到第一石英顆粒；將第一石英顆粒進行第一次焙燒，得到第二石英顆粒；將第二石英顆粒進行第一次酸浸，得到第三石英顆粒；將第三石英顆粒與焙燒助劑混合后進行第二次焙燒，得到第四石英顆粒；以及將第四石英顆粒進行第二次酸浸，水洗烘干后得到高純石英。高純石英通過上述方法制備得到，高純石英中SiO2含量大于99.99％，最高可達99.998％。本發(fā)明采用了活化焙燒-熱壓酸浸-助劑焙燒-常壓酸浸聯(lián)合工藝實現(xiàn)石英的高效提純，并將助劑焙燒中熱能回用，有效地去除了常規(guī)工藝中難除的晶格雜質(zhì)和惰性雜質(zhì)，且焙燒助劑環(huán)保、耗酸量小、產(chǎn)品純度高。
（3）一種超高純石英砂的提純方法
為克服現(xiàn)有石英砂提純工藝存在雜質(zhì)殘留，影響石英砂純度的問題，本發(fā)明提供了一種超高純石英砂的提純方法，包括以下操作：獲取石英砂；對石英砂進行動態(tài)沖擊壓縮，使石英砂處于無序亞穩(wěn)態(tài)；使用化學(xué)溶液處理石英砂以去除雜質(zhì)，清洗后得到高純度石英砂。本發(fā)明提供的超高純石英砂的提純方法通過對石英砂進行動態(tài)沖擊壓縮，使石英砂處于結(jié)構(gòu)松散的無序亞穩(wěn)態(tài)，從而使得化學(xué)溶液可以充分滲入，去除深層雜質(zhì)，提純效果更好。該方法可以結(jié)合氯化焙燒等其他石英晶格雜質(zhì)提純步驟，實現(xiàn)半導(dǎo)體制造業(yè)所需的4N8、5N級別的超高純石英砂制取。
參考來源：
趙海波等.天然石英礦物微量元素賦存特征研究進展及對高純石英找礦的指示
王云月等.高純石英原料特征和礦床成因研究現(xiàn)狀綜述，地質(zhì)論評2021.9
施婭穎等.高純石英的雜質(zhì)類型及深度提純技術(shù)研究進展
國家知識產(chǎn)權(quán)局
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/九思）
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