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t/a，而我國日用玻璃制品(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t，工業(yè)總產(chǎn)值已經(jīng)達(dá)到2000多億元。目前我國人均日用玻璃制品的消費(fèi)量還不足15kg，而歐美國家的人均日用玻璃制品消費(fèi)量已達(dá)50kg，說明還有很大市場潛力。

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，全國每年消耗的新砂在2000萬t以上。

值得一提的是，在目前國內(nèi)市場上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用量增長較快的品種，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)勢和缺點(diǎn)。我國擁有全球規(guī)模最大的集成電路產(chǎn)能和市場，需求將繼續(xù)保持快速增長。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，我國芯片產(chǎn)能在全球市場份額的占比還較少，芯片用球形硅微粉主要用戶也在國外，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還處于空白。近幾年來，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)以及國防軍工、國家安全中具有十分重要的地位和作用。

我國光伏、高端電光源和電子信息等行業(yè)對(duì)高純石英需求很大。由于我國高純石英技術(shù)與國際先進(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?？偟膩砜?，我國是高純石英消費(fèi)大國，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，近年來進(jìn)口總量總體呈上升趨勢。

目前，我國高純石英技術(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)量檢測技術(shù);但我國目前還沒有4N8及以上高端產(chǎn)品生產(chǎn)能力，表明與國際先進(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)？