中国粉体网讯 在光伏产业链中，随着光伏装机量的不断增长，石英坩埚需求量与日俱增，石英坩埚用高纯石英砂的供给引起了广泛关注。如何选择合适的高纯石英原料，生产高质量的石英产品自然也就成了关键。
目前国内对于高纯石英没有统一的标准界定。就石英矿物本身而言，除了化学成分，天然石英中杂质元素赋存状态、石英嵌布特征、包裹体数量大小位置、晶格杂质等所决定的杂质可选性是判断高纯石英原料的重要标准。
杂质元素含量
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。杂质元素对高纯石英产品的质量影响很大，碱金属、过渡金属、Al 及 P 等元素含量是高纯石英原料的关键指标。
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 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 。
矿物组成与嵌布特征
石英中杂质的赋存状态可分为三类：脉石矿物类杂质、气液包裹体类杂质、类质同象类杂质。脉石矿物类杂质是与石英出现在同一空间上的矿物，不同地质条件下伴生矿物不尽相同，与之伴生的矿物有长石、云母、金红石、方解石、萤石以及磁铁矿和赤铁矿等含铁类矿物，脉石矿物是制约最终石英产品质量的重要因素之一。石英与脉石矿物嵌布特征直接影响石英单体解离度，进而影响选矿提纯效果。石英受成岩作用和变质作用改造强度越大，石英与脉石矿物的嵌布差异越明显，嵌布特征也逐渐由毗邻型转变为缝状、甚至包裹型，在粉碎过程中单体解离难度依次增加，被加工为高纯石英的可能性也逐渐降低。
石英中杂质赋存状态
包裹体和类质同象类杂质都是在石英成矿过程中由于地质作用产生的杂质，包裹体是包裹在石英矿内部的某些固体矿物或气液杂质，类质同象类杂质是其他金属或非金属离子取代石英晶格中的某些位点形成的杂质。其中气液包裹体和晶格内部类质同象杂质是制约高纯石英产品制备的关键性因素。
流体包裹体
流体包裹体的种类、尺寸和含量对高纯石英质量有着显著影响。石英中流体包裹按内含物质状态可以分为:纯气体、纯液体、气液混合包裹体和三相包裹体。流体包裹体在形成过程中所捕获的流体属过饱和溶液，当温度降低时会从溶液中结晶形成包括石盐、钾盐以及一些硅酸盐矿物的子矿物，因此流体包裹体中含有 Na、K、Ca 等杂质，是高纯石英产品中杂质主要来源之一。
流体包裹体的存在一方面是微量杂质的主要来源，一方面也改变石英原料的熔融性，是石英玻璃产生气泡的主要原因。
晶格杂质
石英晶体在形成过程中，一些元素会替代硅元素进入石英晶体中，形成了石英的结构性杂质。这些杂质含量虽然很低，但从石英中分离难度大，是制约高纯石英质量最关键性因素。
石英中晶体结构杂质分为晶格杂质和非晶格杂质。晶格杂质主要以他类原子以类质同象的方式取代硅氧四面体中的硅原子，主要杂质元素有Al3+、Ti4+、Ge4+等。其中，微量元素替代石英中的硅原子主要有三种方式：（1）等价替代，如Ti4+、Ge4+替代Si4+；（2）离子团替代，如Al3+与P5+或Al3+与Na+替代Si4+；（3）电荷补偿替代，如Al3+、Fe3+所形成的[AlO4/M+]0或[FeO4/M+]0结构中心。由于Al3+和Si4+半径相近，Al3+替代硅原子最为常见，Al3+替代Si4+后为了达到电荷平衡，首先由正一价碱金属离子（如Li+、Na+、K+）以及H+来补偿，如果碱金属离子不足，有时用正二价的Ca2+、Mg2+离子及部分过渡金属离子来补偿，从而碱金属离子（如Li+、Na+、K+）以及H+等可作为电荷补偿离子进入石英晶格而赋存于石英晶格间隙中，因此可以通过石英中Al的含量判断石英原料的质量。
综上，在现有技术条件下，能被用于加工高纯石英的天然石英矿物应具备以下矿物学特征：石英晶粒化学成分纯净，晶格杂质少甚至是没有，嵌布粒度大，矿物包裹体和流体包裹体少，共伴生脉石矿物少等。此外，除了明确合适的高纯石英原料之外，还需经过一系列的提纯工艺最终获得符合应用领域目标要求的高纯石英砂产品。2024年3月29日，由中国粉体网主办的“2024第二届光伏行业用石英砂技术与市场交流大会”将在安徽芜湖召开，西南科技大学孙红娟教授将做《高纯石英原料判别方法及坩埚用高纯石英砂工艺技术特征》的报告，届时，她将对石英坩埚用高纯石英原料的评价标准及加工工艺进行详细解读。
参考来源：
孙红娟.坩埚用石英砂的工艺特征及高纯石英砂制备技术
马超等.高纯石英原料矿物学特征与加工技术进展
张海啟等.高纯石英中杂质特征及深度化学提纯技术研究进展
王云月等.高纯石英原料特征和矿床成因研究现状综述
（中国粉体网编辑整理/初末）
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