中国粉体网讯 高纯石英是高档石英制品的原料，是硅产业高端产品的物质基础。其具有耐腐蚀、耐高温、高度绝缘性、低热膨胀性和透光性等优异的物理化学性质，在国家高新技术产业、经济安全和国防安全领域都具有重要作用。
近日发表的《高纯石英原料特征和矿床成因研究现状综述》一文中，王云月等介绍了高纯石英原料杂质元素的含量和赋存状态的分析方法。中国粉体网小编将其整理分享与石英行业内的朋友。
1、杂质元素的含量分析
杂质元素含量的高低是直接决定普通石英原料能否加工提纯成高纯石英的关键。我国《重点新材料首批应用示范指导目录（2019版）》中明确指出高纯石英砂应用于高品质石英制品领域的性能要求是：Fe、Mg、Cr、Ni、Cu、Mn、Ca、Al、Na、Li、K和B共12种杂质元素总量小于6PPM（6×10-6）。Al和Fe是石英中危害最大的杂质，是高纯石英品质非常重要的指标。高纯石英加工要求是几乎不含Al、Fe、B、Ca、Mg、K、Na等杂质元素，总杂质含量不超过50×10-6。
当前可以提供高纯石英原料矿物组分和微量元素研究的微区测试分析方法主要有电子探针、LA-ICP-MS、SIMS、X射线衍射光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪等，通过数据对比即可直观地看到各不同质量等级的高纯石英原料矿物的杂质元素含量，便于进行原料的选择和下一步的研究。
（1）电子探针(EPMA)
电子探针是目前最适合分析石英微量元素的原位微束分析技术，具有最高的空间分辨率(几微米)，采样体积最小，能够实现高准确度无损分析，即便是在如加大加速电压及束流的特殊测试条件下，其对石英样品的损伤也是微不足道的。此外，也已建立该技术的数据简化程序和定量校准方法，可以最大程度获取石英中具有重要指示意义的Ti和Al的高精度成分信息。
其缺点是检测限较高，在常规测试条件下，主量元素分析精度约1%～2%(相对误差)，检测限为100×10-6级。在特殊测试条件下，部分元素的检测限可以降至10×10-6级，但都存在分析时间较长的缺陷，导致分析效率降低。
（2）二次离子质谱仪(SIMS)
二次离子质谱仪具有最高的灵敏度和分析精度，允许在低ppm水平下测定许多元素，并能分析石英中重要元素H。然而，与电子探针相比，二次离子质谱仪空间分辨率较低。另外，目前缺乏高质量的基体匹配外标参考样品，分析时间较长并且分析成本较高。
（3）激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪(LA-ICP-MS）
LA-ICP-MS能够同时分析几十种元素且具有较低的检测限(10-9至10-6)和足够高的精度。与传统化学分析相比，分析快速且经济。激光器的显微光学系统能够对要烧蚀的采样区域进行光学控制，从而可以避免流体和矿物微夹杂物包裹体污染分析。其缺点是其受不同元素的干扰、分馏效应以及记忆效应的影响较大，空间分辨率相对较低，且为破坏性分析。
以上方法可以提供具有高灵敏度和良好空间分辨率的原位元素数据。除此之外，X射线衍射光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪，能谱仪(EDS)也是常用的对高纯石英原料的矿物组分和元素进行定性分析的测试方法，通过对比特征峰数据可以辨别原料的主要成分。
2、杂质元素的赋存状态分析
石英中矿物伴生杂质根据其大小、赋存形式等特性可分为3类：脉石矿物杂质、流体包裹体杂质、晶体结构杂质。晶体结构杂质是指杂质离子以类质同象替代形式进入石英晶体的晶格中。
在石英结构性杂质中：Al杂质元素含量一般最高，由于Al以Al3+替代Si4+的形式存在，引起了石英晶格内部电荷不平衡，当石英中存在大量Al杂质时，Li、K、Na等杂质元素的含量会增加，这些杂质从石英中分离难度大，是制约高纯石英质量最关键性因素。
晶格结构杂质是加工高纯石英产品难以突破的最终瓶颈。要选择正确的高纯石英原料和制定最佳的石英提纯方案，须明确石英中杂质元素的赋存状态。
石英中元素的赋存状态和存在形式( 来源：郭文达、马超等；转引：王云月等)
（1）X射线衍射数据拟合精修分析
当晶体内部有离子发生类质同象替换时，会使实际成矿的石英晶体的晶胞参数大于理想晶体。故晶胞参数越大，表明类质同象杂质越多。通过对石英原料的X射线衍射数据进行拟合精修，计算其晶胞参数，与理想晶体进行对比分析，即可分析其发生类质同象的程度大小。
（2）LA-ICP-MS面扫描图像分析
如果元素在矿物中呈面状分布，可能是均匀分布于矿物晶格中，难以提纯。若元素有异常团块富集，指示元素可能以包裹体形式存在于矿物中，杂质元素容易提纯。
（3）红外吸收光谱分析
类质同象置换会使原子间距、原子间的键力、电价等发生改变，因此原子间的振动也会发生相应的变化。红外光谱的吸收峰可以反映发生类质同象替换的程度，可能表现为吸收峰的强度增大、出现新的吸收峰或是特征吸收峰有规律的移动。
晶格杂质含量较少的脉石英，其红外光谱特征峰的位置相对靠近低波数。Al、Fe和碱金属倾向于形成微小的原子团簇，这些原子团簇沿着特定的生长轴被合并，低温石英尤其如此。若红外光谱观察到相对丰度高的H补偿Al缺陷和结构键水分子则可能表明存在这种微团簇。傅里叶变换红外光谱仪也是唯一能确定石英中水的定量分布和形态的方法。
（4）电子探针及能谱分析
电子探针(EPMA)是常规的化学成分分析技术，包括X射线能谱定量分析技术等，其结合能谱仪能够在光薄片上直接进行显微形态观察与测定，矿物包裹体、类质同象矿物研究和全岩快速分析。通过分析矿物包裹体的成分以及包裹体内的元素种类，即可判断哪些元素是以矿物包裹体的形式存在于石英中，查明某些元素的赋存状态。
（5）阴极发光特征分析
阴极发光(CL)可以灵敏地反映晶体种类、晶格缺陷、有序度、微观结构、杂质元素、晶体生长的物化条件，以及各种相关的外界影响因素等多方面信息，具有很大的利用价值。石英具有或多或少均匀的、微弱的暗红棕色发光，一些石英颗粒在CL图像中可见不同的灰度，灰度对比是由晶格缺陷(如Si和O空位、断裂的键)和晶格微量杂质元素(如原子取代)的不均匀分布引起的，暗发光石英通常被认为是晶格缺陷和微量元素含量低的石英，纯净石英晶粒内部几乎不发出可见光。
研究表明，只有进入到石英的晶格中的微量元素才能够影响CL环带的亮度，Al和Ti是常见的影响石英CL环带亮度的元素。光学显微镜下观察到Al、Fe、Mn、Ti等杂质元素及晶格缺陷受激发后发出的色彩，一般Al、Ti呈现蓝色，Fe3+呈褐色，Fe2+、Mn呈紫色等，在电子显微镜下则呈现不同灰阶的阴极发光，结合探针分析可揭示矿物中杂质元素的分布形式(如环带等)。
资料来源：王云月等: 高纯石英原料特征和矿床成因研究现状综述，地质论评2021.9
（中国粉体网编辑整理/平安）
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