【原创】“硅”世界:硅、二氧化硅和石英


来源:中粉体网   黑金

[导读]  “硅”是什么?它与二氧化硅、石英又有何关系?

中国粉体网讯  提及硅,你会想到什么?石英?手表?玻璃?光伏?半导体?“硅”是什么?它与二氧化硅、石英又有何关系?


硅:自然界中分布很广的一种元素


硅,英语Silicon、中国大陆译为硅〔ɡuī〕、台港澳译为矽〔xī〕,是一种化学元素,其化学符号为Si,原子序数为14,原子量为28.085u。


硅是元素周期表上第三周期IVA族的非金属元素



硅是地壳中第二丰富的元素,仅次于氧,其丰度值为27.72%。


地壳中的元素丰度



硅以元素型态分布在地壳是非常罕见的,它常以二氧化硅(Silicon dioxide)或硅酸盐(Silicates)等多样的形式分布于土壤和岩石中。


二氧化硅


SiO2在地壳中所占的质量分数高达60%-65%。SiO2存在形态有结晶形和无定形两大类,统称硅石。


二氧化硅天然矿物通常包括结晶态二氧化硅矿物石英、脉石英、粉石英和无定形矿物硅藻土


二氧化硅晶体结构是SiO4(硅-氧四面体)的连续框架,其中每个氧在两个四面体之间共享,得到SiO2的总化学式。


二氧化硅晶体结构示意图



此外,二氧化硅不仅包括天然矿物,也包括各种合成产品。合成产品主要是白炭黑(无定形二氧化硅),包括气相白炭黑(气相二氧化硅)、沉淀白炭黑(沉淀二氧化硅)。


硅酸盐


由硅、氧、金属元素等元素组成的化合物的总称。大多数硅酸盐都难溶于水,少数可溶,最常见的可溶的硅酸盐是:Na2SiO3,俗称水玻璃、泡花碱。


硅酸盐组成表示:活泼金属氧化物-较活泼金属氧化物-二氧化硅-水。高岭石Al(Si2O5)(OH)4,镁橄榄石Mg2SiO4,钙沸石Ca(Al2Si3O10)▪3H2O,云母KAl2(AlSi3O10)(OH)2等都属于硅酸盐。


三大传统硅酸盐工业为:玻璃、陶瓷、水泥。


石英


地壳中二氧化硅主要以石英(Quartz)等矿物的形式存在,石英在地壳中分布是仅次于长石的矿物,占到地壳重量的12.6%。


石英依据形态分为结晶形的显晶质石英和隐晶质石英/微晶质石英以及非晶质石英三类。


石英(SiO2)的不同形态



依自然结晶的晶体结构不同,石英有三种同质多晶变体,石英、鳞石英和方石英。又根据成矿温度的高低分成,将这三种同质多晶变体各自分成α和β两组、共七个变体。高温β石英生成温度大于(573–870℃),属六方晶系;低温α石英生成温度低于573℃,属三方晶系。


石英的多晶转变



此外,SiO2还有多个人工合成变体,如柯石英(Coesite)、斯石英(Stishovite)、凯石英(Keqtite)和W-SiO2(亦称纤维二氧化硅)等。而我们常说、也常见的石英就是低温α石英



α石英(左)和β石英(右)的晶体结构图


目前能够作为工业应用的石英矿物资源主要有7种矿床工业类型: 天然水晶、石英砂岩、石英岩、脉石英、粉石英、天然石英砂和花岗岩石英。


硅-石英的应用


从自然界的沙子到生活中的石英表,从晶莹剔透的水晶玛瑙到古朴典雅的陶瓷,从工业到科技,从原子到航天宇宙……这些都是以硅为中心的物质。可以说硅是自然界最全能的材料。


石英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。




石英矿物原料工业应用的一个显著特点是同时存在三种形式:利用矿物晶体固有的物理和化学性质,如3D打印砂、结晶硅微粉等;提供有用化学成分,是硅酸盐材料的最基本原料;冶炼提取有用元素Si,目前是金属硅及其提纯加工产物多晶硅和单晶硅的唯一原料。


石英工业应用的三种形态



工业上利用石英一般是把它们磨成各种规格的“石英砂”。石英砂按品质可分为:普通石英砂、精制石英砂、高纯石英砂、熔融石英砂及硅微粉等。




由硅矿石和碳质还原剂在矿热炉内冶炼成的产品工业硅是硅产业的基础材料,是光伏、有机硅、合金等下游产业的核心原料。


含硅材料产业链流程图


除了传统玻璃、建材、铸造、研磨、橡胶、油漆、电子、陶瓷等领域的应用,国内重点区域安徽、新疆等均在大力发展硅基新材料产业,如半导体材料、新型显示材料、新能源材料等。



来源:安徽省“十四五”新材料产业发展规划


可以说,基于硅资源深加工的硅材料产业是全球性的朝阳产业和战略性产业,发展势头迅猛。


参考资料:

汪灵.石英的矿床工业类型与应用特点

汪灵.石英矿物学与物化性质

RockLee.硅、二氧化硅和石英

百度文库:无机非金属材料的主角-硅

新疆科协.硅:自然界最全能的材料


(中国粉体网编辑整理/黑金)

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