中国粉体网讯 2022年11月22-23日，由中国粉体网主办的“2022第六届全国石英大会”于江苏徐州成功召开。会议期间，我们邀请到业内专家学者、优秀企业代表做客“对话”栏目，围绕“高效利用 高端突破”主题，进行访谈交流。本期为您分享的是中国粉体网对成都理工大学汪灵教授的专访。
“芯”势力用中高端高纯砂产品大有可为
石英砂是重要的工业矿物原料，用途广泛。近年来光伏的火热使得石英砂备受关注，相关报道也是铺天盖地。
据汪教授介绍，石英（quartz）SiO2，是一种架状结构的硅的氧化物，α-石英（低温石英，三方晶系）和β-石英（高温石英，六方晶系）的总称。
石英砂是石英矿物原料加工所得的产品，依据纯度，有玻璃工业用石英砂、硅微粉、高纯石英砂等。其中高纯石英砂是指二氧化硅含量在3个9以上的石英矿物原料产品。SiO2纯度≥99.998%（4N8）的高端高纯石英是芯片发展（晶圆制造与芯片封装等）必需的关键基础材料之一，在信息技术、新材料和新能源等战略性新兴产业中具有十分重要的地位和作用。
石英砂的工业应用和价格都与SiO2的纯度有着密切的关系。汪教授分析说，目前，根据石英SiO2纯度及其工业应用特点，可将石英及相关产品分为三大类：
w(SiO2)=99%±产品；
w(SiO2)=99%～99.9%产品；
w(SiO2)>99.9%产品。
而对于高纯石英，在以往的低端、中端、高端产品，汪教授增加了一个中高端产品（4N5）类别。
高纯石英产品分类与矿石原料品质要求
据汪教授分析，3N产品加工难度不大，利用一般的脉石英矿即可加工，目前已经国产化。4N产品矿产资源满足的条件同样比较多，也已国产化。4N5产品在高端覆铜板，尤其是芯片封装用硅微粉方面大有作为，所以建议做一个品种的划分。这是对高纯石英砂产品的一个新认识。汪教授表示尽管这种高端的硅微粉最终的二氧化硅纯度并不是很高，在3个9左右，但这是最终产品，期间陆续有若干道超细、球化、分级等工艺，或多或少会产生一些新的杂质。所以，若要保证最终的产品在3个9左右，原料没有4个9.5以上是很难做到的，因为不污染是不可能的。
石英矿提纯加工存在一定的局限性
在问及石英是否存在一定的提纯定律时，汪教授表示石英的提纯定律存在两个前提。
一个前提是：目前的提纯都是以天然石英矿物资源来加工的。目前主要矿物工业类型有7种：天然水晶、石英砂岩、石英岩、粉石英、脉石英、天然石英砂、花岗伟晶岩石英。既然是天然形成的，或多或少的都会存在一定的杂质。
第二个前提是：加工的产品是砂，是有一定粒度的产品。而粒度是我们工业上应用的一个重要指标。石英砂粒度大的范围上说一般是40-150目。有的产品可到200目，往上可在30目左右。而石英砂所含的一些杂质的尺寸大小是远远小于石英砂产品的粒度。
汪教授通过长期的大量的石英提纯加工实验研究，发现和总结出石英的提纯定律，即：对于具有一定粒度的石英砂产品来说，任何一种石英矿都存在一定的提纯加工局限性，在现有经济技术条件下都有一个提纯极限值。换句话说，一个石英矿能够加工什么纯度的石英砂产品是天生注定的。
正确认识“纯度”，有针对性的开展工作
目前，对于石英的纯度和品级很难通过原矿直接测定，一般是通过检测原矿提纯前后的杂质含量来界定纯度和矿石的质量品级。石英中的杂质元素包括Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni等。这些杂质元素的赋存状态，大概分为三种：
杂质矿物：薄膜状金属氧化物，粒内杂质矿物（矿物包裹体），粒间杂质矿物；
气液包裹体：原生包裹体，次生包裹体；
类质同像：晶格质点替换元素，电荷补偿元素。
据汪教授介绍，以上三类杂质中都有一部分是可分离提纯的，这就是石英提纯加工可能性的理论依据；有一部分是不可分离提纯的，这也是石英提纯加工局限性或石英提纯定律的产生机理。
天然石英矿中的杂质类型及其可提纯加工性
其中，石英砂不可提取或者说比较难提取的杂质包括：
杂质矿物：石英晶体粒内矿物包裹体或矿物嵌入体，以及石英晶体颗粒之间不能够解离的矿物颗粒物。
气液包裹体：石英晶体内绝大多数＜10μm气液包裹体。
类质同像：石英晶体晶格质点替换元素，如Al3+，Fe3+，B3+，Ti4+，Ge4+和P5+等以类质同像的形式与硅氧四面体中的Si4+发生元素替换。
在本次江苏徐州石英大会上，汪教授带来一个最新的重要研究成果是，发现了石英的提纯定律及其产生机理。正是由于石英的提纯定律的存在，可根据提纯加工效果对高纯石英原料进行品级划分，并将高纯石英原料可划分为与高纯石英砂系列产品等级相对应的4个等级，即：A级，又叫优质矿或优质原料，可用于提纯加工SiO2纯度4N8的高端高纯石英砂产品；B级，又叫上等矿或上等原料，可用于提纯加工SiO2纯度4N5的中高端高纯石英砂产品；C级，又叫中等矿或中等原料，可用于提纯加工SiO2纯度4N的中端高纯石英砂产品；D级，又叫下等矿或下等原料，可用于提纯加工SiO2纯度3N的低端高纯石英砂产品。
了解高纯石英原料纯度和品级划分，有利于正确认识自家石英矿的价值和高效开发利用。可以说，一个石英矿在开发利用前，如果能够事先知道能够加工什么品级的石英原材料产品，对每一个石英矿或企业来说都是十分重要的。
在访谈中，汪教授特别提请大家注意的是，对于高纯石英的纯度一定是Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni等13种杂质元素全部测完以后的纯度，不能有人为取舍，产生误导。汪教授表示，高纯石英看似简单，但其矿床工业类型比较多、杂质的状态也比较多、又有砂这种粒度的限制，所以相对来说还是挺复杂的，进入这个行业也相对困难。如何针对矿石的特点，在细节上、配方上、酸浓度上、工艺参数上等针对性的工作，是有一定讲究的。
今年，汪教授带领研究团队完成的高纯石英新材料加工成套科技成果（国家发明专利），通过挂牌交易方式以525万元高价成交。这对于企业脉石英矿产资源的高效利用，提高产品核心竞争力，占领该高新技术领域的制高点，都具有十分重要意义。目前，专利权人国大新材在该成套专利科技成果的支撑下，开展具有完全自主知识产权的国产化千吨级高纯石英砂高端产品科研生产线的建设工作。
（中国粉体网编辑整理/黑金）
