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独家专访汪灵教授:石英原料企业如何做大做强


来源:中国粉体网   平安

[导读]  汪灵教授是我国矿物学及矿物材料学的知名专家,在石英矿物学与应用领域取得了丰硕的研究成果。

中国粉体网讯


中国粉体网:大家好!我是中国粉体网的编辑记者安振华。“2019全国石英大会”这两天在徐州隆重召开。在此期间,我们将会邀请来自科研院所、高等院校的多位专家学者做客我们的对话栏目,并就石英的深度提纯技术、高纯石英行业如何做强、粉体技术工艺的重要性以及产学研协作等一系列议题发表他们的看法和建议,同时也介绍他们近期的一些科研成果。现在坐在我身边的这位是来自成都理工大学的汪灵教授,汪灵教授是我国矿物学及矿物材料学的知名专家,在石英矿物学与应用领域取得了丰硕的研究成果。汪老师您好!

汪灵教授(以下简称“汪教授”):你好。


© Song Weidong / Cnpowder.com.cn
汪灵教授


中国粉体网:通过您的研究,您认为哪种类型的石英矿石资源比较适合提纯?以及评价原矿提纯效果的指标有哪些?

汪教授:石英是一种非常重要的工业矿物,也是一种非常重要的造岩矿物,分布很广,矿物的成因非常多样,但是目前能够被工业利用的、能够达到工业化规模利用的有7种,这7种不能说哪一种好提纯、哪一种不好提纯,它们既然都是作为一种矿床工业类型,各自都有各自的用途,因为提纯是一个相对概念,它们在各自的应用领域的提纯是有效的。比如说,石英砂岩,它是我们目前玻璃工业用石英砂、铸造用型砂、部分3D打印砂、以及现在压裂用石英砂主要的原料。它的化学成分指标通常是SiO2含量为2N(两个9,即99%,下同)左右,按照这个标准,许多石英砂岩还是好提纯的,它是按照工业产品的要求来进行相对的提纯。

有两种矿床的工业类型,可能在提纯上不适宜做太多的工作。第一种就是石英岩,石英岩实际上是石英砂岩等经过后期重结晶等变质作用而形成的,在变质过程中原岩中的杂质就被交结或包裹进去了,由于它的工业用途一般是瞄准SiO2含量2N左右的,简单去除表面或开采过程中带入的泥土等杂质是必要的,但如果过度地去提纯也没有什么意义。所以一般来讲,石英岩一般不做更多的深度提纯。还有一个天然的粉石英,超细的粉石英是一种含硅质的岩石,受到风化作用,能带走的都被带走了,二氧化硅比较稳定就留下来了,天然超细粉石英由于很细,也不好深度提纯。

每一种矿床工业类型在它的用途范围内都有好提纯的,也有一些比较难提纯的。比如说脉石英,一般原矿的SiO2含量是2N甚至3N以上,如果按照普通玻璃对原料的要求,3N的脉石英根本就不需要提纯了,但是脉石英有个特点就是,分布较广,但储量一般不大,不适合像石英砂岩、石英岩用于加工玻璃工业等大综用途的石英砂,如果用它的话很快就用完了。脉石英需要进一步提纯为像硅微粉用2N到3N的,甚至是3N以上的高纯石英,这个时候就涉及到提纯问题了,这里面也有一些好提纯的,也有一些不好提纯的。实事上,根据我们的研究,同样是脉石英,不同矿床或矿点的提纯效果差别也非常大。

中国粉体网:高纯石英技术都包括哪些方面,换句话说,石英砂企业应当从哪些方面入手来有效地提高石英砂产品的纯度?另外,粉体的性质及粉体加工工艺对于高端石英材料有什么影响?

汪教授:高纯石英是一个大概念,按我的理解和定义,只要SiO2的纯度能够达到3N以上,就应该很纯了,这个时候就可以定义为高纯石英。但是根据它的提纯加工的难易程度或用途和销售价格,高纯石英还可以划分为低端、中端、高端的产品。我们一般根据国外的产品情况,把SiO2含量为3N到4N的划分为低端产品,许多脉石英的原料经过一定的加工基本都能达到这个要求;4N到4N8的为中端产品,这个就不是所有的脉石英能够达到要求的,其中一部分能够达到要求。另外,4N8以上的被定义为高端产品,国内还不能批量生产,还靠进口解决,目前几乎被美国尤尼明公司所垄断。

这里面很大程度在于原料问题,过去我们老是觉得我们的提纯技术问题,不如国外先进,老在在这一块儿做文章,后来发现进入了一个误区,实际上我们应该转变思维,应该是去找天生丽质、杂质含量少、容易提纯的原矿,美国尤尼明就是因为他们这样的一个好矿,如果换成另一个矿,也就不一定能生产出尤尼明产品来。

高纯石英技术,不只是高纯石英提纯加工技术,而是由四大技术组成,一是高纯石英原料的遴选技术,怎么样去判断什么样的矿是最好的;第二才是提纯加工技术;第三是工业化技术,因为还有设备放大问题;第四是质量检测技术。这里面最难的、目前首先需要解决的是高纯石英的原料选择技术,或者说是高纯石英优质原料的找矿问题。这个行业现在面临的问题,过去我们以为它是选矿问题,现在我们应该换个思维,应该是优质原料的找矿问题。很高兴的是,我提出这个看法后,业内已开始注意到这个问题,我们正在齐心协力地往这个方面攻关,现在已经取得比较好的进展了。

另外,在石英原料的应用领域中涉及粉体的有一段,就是SiO2含量2N到3N的,主要做硅微粉,是正儿八经的粉体,其余的主要是砂,砂是有一定颗粒粒度要求的,粉体是很微细的。硅微粉这些年得益于我国产橡胶、塑料、电工等行业尤其是集成电路、电子信息等战略性新兴产业的不断发展,是石英比较新的用途,而且用量逐年增大、品种不断丰富,目前国内在满足电工绝缘、普通集成电路需要的硅微粉方面解决得比较好。

我们国家今后还有一块儿是需要努力的,就是芯片封装用的硅微粉,进口的芯片是已经封装好了的,目前芯片封装级的硅微粉这块的市场在国内还没有体现出来。但是随着我国攻克芯片的技术难点,这块的问题也将随之提出来。目前来讲,芯片封装级的硅微粉是特殊的硅微粉,是球形的、不定形的、高纯的二氧化硅粉体材料,也是粉体里极品级的材料。

中国粉体网:石英有哪些应用领域的市场需求是比较大的?

汪教授:我们国家作为第二大经济体,对石英的需求量已经超过美国,截至2018年4月份的数据,美国石英原料的用量是8000万吨左右,但是他们有一半甚至超过一半的原料用在压裂支撑剂用石英砂。我国去年同期有1亿吨左右的石英使用量,第一主要是用在玻璃行业,因为我们国家是玻璃产能世界第一;第二是用在铸造行业,因为我们国家是钢铁产能世界第一;还有一部分用在陶瓷、建筑装饰和工业硅等,多晶硅、单晶硅都是以工业硅为基础进行深加工纯化而来的。

在高纯石英这块儿,受价格等制约,我们的高端产品用量还不大,而是大多是中低端的产品。4N8以上的高端高纯石英没有稳定批量的工业化产品出来,目前几乎全部进口美国尤尼明的产品。

中国粉体网:您认为我国整个石英产业链要向更高层次、更高质量方向上发展,目前比较缺乏的是什么?

汪教授:这次在徐州召开的2019石英大会,表明这方面的我国石英相关企业单位是相当多的,仅仅以石英为主题,这样一个会议有七八百人注册参加,这在国内所有其它非金属矿种当中,目前可能是罕见的,也可能是唯一的。

实际上来参会的大多是与硅产业相关的上游的、提供石英的企业,如果把下游的全都算进来可不得了,比如就以玻璃为例,各种玻璃制品全部加起来就有两三千个亿的产值,我们目前玻璃的人均用量大概是15公斤,如果按照欧美的人均45公斤来算,我们的产能还要增加两倍,我们的石英砂原料还要翻几倍才够,这还仅仅是普通玻璃。

高纯石英是重要的基础原材料,其中的高端产品是国家关键基础材料,也是一种矿物功能材料。以它为原料加工的下游的产品,各种各样的石英制品、石英材料,那些产值可能还要大得很多。如果把单晶硅、多晶硅也算进去的话,生产出的芯片的产值那就更大了。据有关资料,去年我们进口芯片所花的外汇超过进口石油和铁矿石的总和。所以,我在2018全国石英大会上提出我们现在处于“硅时代”,并据此提出硅产业是硅时代最重要的产业之一,石英是硅时代最重要的矿物资源之一,这是很有道理的。

搞石英上游原材料这一块儿,是支撑硅酸盐工业和新材料以及电子信息等产业发展等很基础的东西,但是,在上游还真没有一家像样的、全国性有影响的、乃至国际上有影响的世界级公司。但是在中下游的石英玻璃制品领域,已经有一些企业崛起了,比如说菲利华,以高纯石英为原料,做成石英玻璃制品,尤其是石英玻璃纤维,还有太平洋,它是用高纯石英为原料主要做光电源用石英制品等。也就是说,有一些中下游企业是做得比较好的。

但是,以石英原料这个角度来看就没有一家,目前供应商企业还处在比较小、比较散、生产还比较落后、甚至对环境还有一定影响的阶段。这方面要适应我们国家硅产业整个大的发展,可能今后上游石英这一块儿要通过技术、资源(包括资本和矿山)的整合才有可能。我也想过这个问题:为什么说没有一家做得像尤尼明这么大型的石英原料公司?

石英这件事情看似简单,但技术含量蛮高,石英本身的矿床工业类型就很复杂,每一种类型里又有不一样的成矿地质背景,一般人进入这个行业还是一头雾水,搞这个产业的人既要求有地质学的知识,又要有材料学的知识,又要有选矿的知识,现在这些方面还没有被整合起来。比如说,要做一个大的企业如果有资金、没技术就不行,有技术、但没矿山也不行,所以还是需要整合。

现在国家集成电路和芯片产业投资基金二期成立,这是很好的事情,石英属于集成电路和芯片卡脖子的点位之一、技术攻关点之一、要突破的瓶颈之一,现在需要把资金、技术、还有矿山结合起来,才有可能做出像尤尼明这样一个大型的企业出来,彻底突破高纯石英高端产品的技术瓶颈。

高纯石英的四个技术关键是找矿技术,我们在努力,现在如果结合国家的集成电路和芯片发展战略,有两块儿东西是需要攻克的,一个是用于晶圆用单晶硅,是特殊纯度的,今天肖所长讲到,这种单晶硅的纯度是12N,石英和硅是两个概念,硅是石英提纯出来的,石英是硅的氧化物SiO2,这12N的单晶硅不可能是在2N的石英坩埚里生长出来,SiO2纯度4N8以上是最基本的要求,只有它的污染最小,并能经受单晶硅生长制备条件的考验,这是一个方面。

另外,晶圆做出来以后需要封装,封装需要球形硅微粉,球形硅微粉也是以高纯石英为原料经过后续加工得到的,这方面由于市场不在国内,目前这个产品是日本技术领先。随着我们国家在这一块儿的突破,我们不可能指望用其它国家的球形硅微粉,这些都应该作为集成电路和芯片的一套思路一并来布局。如果能够纳入这个计划,加上我们科研人员多年持之以恒地研究积累,应该说中国解决高纯石英高端产品这种关系国家的重大问题是能够解决的,我们也有这个信心!
 

中国粉体网:我们在走访企业调研过程中,发现有实力的石英砂企业表示很需要学术界的技术指导或者提供一些创新的思路,请问您的科研成果在企业中的应用情况?以及您对我国的产学研协作的现状是怎样看的?

汪教授:上游石英原料企业整体还是比较散,小型的企业多,比如说做玻璃用石英砂的企业做得顺风顺水,它可能就没有想过做其它产品,而一些高端产品还没有开展起来,没有竞争实力的企业也不会介入,所以这方面还是比较薄弱的。

我们在做这件事情的时候,基于我们对前面的攻克这个问题的基本的技术路径,我们暂时没有走产学研这一步,因为我最担心的是,某个企业说自己有一百万吨的矿,委托我们做,然后,花了三五年,因为每一个矿都有一个提纯极限,当企业雄心勃勃把钱给你以后,本来只能做低端产品,他说要做成中端产品,你是做不出来的。你会为了他这一点所谓的协作费耽误很多年,回过头,你会被别人甩远了。

这些年,我们之所以能够做得很好,有了突破,是因为我们摆脱了这个东西。现在我们国家自然科学基金也是蛮好的,我目前做这个工作主要是靠国家自然科学基金在资助,连续做了两个高纯石英的科研项目。这样能够使我不被不应该做的事情牵着鼻子走,坚持做了十多年,这样我们把时间和精力腾出来,统揽全局,潜心钻研,从真正的国家需求和国家战略问题入手去解决卡脖子的问题。

但是我想,最后这些成果的推广应用当然还是要走产学研之路,科研人员不可能自己有矿、有那么多资本,只有产学研合作才可能成果转化,这也国家高校双一流学科建设的基本要求。但是目前这个行业尽管都很重视,但还是没有真正起来。所以从我课题组的角度,瞄准的是更高端的,国家的关键需求和关键用途方面。我们期待与有关方面合作,做大做强石英原料企业,共同实现这个石英行业的中国梦!

中国粉体网:感谢汪教授接受我们的采访,今天的采访到此结束。谢谢。

(本文由中国粉体网编辑记者依据采访视频整理而成,经汪教授审订。)

附:汪灵教授简介

汪灵,国家二级教授,博士生导师;国务院政府津贴专家,四川省学术与技术带头人;先后任《矿物学报》、《矿物岩石》和《矿物岩石地球化学通报》编委;中国地质学会矿物学专委会委员,中国矿物岩石地球化学学会矿物岩石材料专委会副主任、矿物物理矿物结构专委会副主任、工艺矿物学专委会副主任、新矿物及矿物命名专委会委员,中国硅酸盐学会工艺岩石学分会副理事长;先后主持国家自然科学基金面上项目7项,国家科技攻关重点项目课题和国家公益性行业科研专项课题等多项;以第一发明人获授权国家发明专利33项(其中高纯石英发明专利7项),发表学术论文157篇,获中国科学院院长奖学金特别奖和湖南省科技进步奖等科技奖多项,先后培养博、硕士研究生63名。


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