中国粉体网讯 2025年3月27日，由中国粉体网主办的“2025第三届集成电路及光伏用高纯石英材料产业发展大会”在江苏东海成功召开！在本次大会现场，中国粉体网记者有幸邀请到宜宾学院材料与化学工程学院袁小武博士做客我们的“对话”栏目。
宜宾学院材料与化学工程学院袁小武博士
中国粉体网：袁博士您好，据了解，您在新能源材料领域研究成果颇丰，其中高纯石英砂技术也是您的研究方向之一。对于制备5N2及以上纯度的高纯石英砂，从您的专业视角看，核心的技术难点集中在哪些方面？
袁博士：其实在高纯石英砂中不应该叫5N2以上应该叫4N8以上，4N8其实是个分水岭，它相当于工业硅或者说是物理法熔炼硅，它的极限是到6N以下（接近6N）。实际上我们国内传统石英砂技术的极限基本上4N5，然后纯度再高那就是矿好。
我实际上是95年开始做单晶硅的生长的，在这个领域里，我深刻领会到坩埚质量好坏对单晶硅生长造成的影响。就坩埚用石英砂而言，存在两个相互矛盾的关键问题。一方面，要求包裹体小、杂质少；另一方面，按传统技术，将石英矿粉碎至30μm以下时，包裹体尺寸和密度能达到预期，可粒径却难以满足要求。
内层的石英砂实际上更偏向于110-120μm范围内，所以说进口的矽比科或者说是挪威TQC的产品主要以120μm为正态分布，其中90%以上是在100-150μm的范围内，因此，若要涉足该领域，就必须要注意怎样来破解粒径尺寸和包裹体尺寸以及包裹体密度的矛盾。
在这种情况下，业界现在采取了很多办法。包括去年，工信部给中建材的年产50吨的中试线，三年内量产15吨的重大专项，实际上也是为了针对这个问题。但是这个问题目前难度很大。
中国粉体网：原料的品质对高纯石英砂的最终纯度具有重大影响。以您的研究经验，适合生产5N2及以上高纯石英砂的原料应具备哪些关键特性？
袁博士：我的看法是，我们目前国内用于高纯石英砂原料其实3N5以上已经足够了，问题在于，我们目前的提纯技术还达不到。因为光伏和半导体产业中，我们的主材料是晶硅，晶硅最初的原材料也是石英砂，它的纯度只是95%-98%就可以了。晶硅为什么可以达到9个9甚至11个9，而高纯石英砂却难以达到这一纯度标准，原因并非原材料本身纯度不足，而是我们的技术水平受限。回想我在一线从事生产工作时，国内晶硅纯度仅能达到9个9，现在已经可以达到11个9了，这就是我们的技术的进步。
因此我认为，原材料的寻找并不是迫在眉睫的事情，迫在眉睫的事情应该是我们技术的进步。
中国粉体网：您在过往研究中，主持或参与了多项与高纯材料相关的项目。在这些项目里，针对4N8及以上高纯石英砂，采取了哪些创新的工艺或方法？与传统工艺相比，有哪些显著优势，实际生产效果如何？
袁博士：与传统工艺相比，我们新增了水热化学合成环节，利用这一技术将粒径较小的粉体变大。目前，这项技术已经取得成果，相关情况我会在报告的PPT中展示。此前，我向浙江美晶新材料有限公司送样100公斤。美晶是晶盛机电旗下子公司，专注于半导体坩埚生产。同时，我们还以协作企业的名义，向菲利华送样100公斤。美晶的样品由我外协企业直接送达。
不过，我们在技术应用过程中仍面临两个问题：一是碱金属含量的控制问题；二是许多外协厂家在生产过程中存在酸碱使用不当的问题。如今，粉体行业普遍避免使用酸碱，这与生产高纯石英砂的要求相矛盾。过去几年，我走访了近十家传统石英砂企业，发现他们大多采用干法生产，研磨后仅进行水洗。在这种情况下，石英砂表面的金属杂质很难被彻底去除。部分企业采用酸浸、浮选、磁选等工艺，但是由于很多杂质处于晶格内部，这些打破键能的难度较大，因而提纯的效率较低。
中国粉体网：您刚才所提到的水热化学合成法，它用的原料是天然的高纯石英吗？还是一些含硅的化合物？
袁博士：我们以天然石英矿作为原材料，对天然石英砂开展一系列处理。通过前期处理，将3N5纯度的矿提升到4N2。在此基础上，借助水热化学合成技术，进一步把纯度提升至5N2。
中国粉体网：从产业发展角度看，随着光伏、半导体等行业对4N8及以上高纯石英砂需求的持续增长，您预测未来该领域的技术发展趋势会是怎样的？在工艺优化、设备升级等方面，可能会出现哪些新突破？
袁博士：我目前正处于实验和研发机构筹建阶段，这是一家新型民办研发机构。机构聚焦于光伏和半导体晶硅用坩埚的高纯石英砂领域，力求实现技术突破。为此，计划搭建一条小型生产线或实验装置，对装置的等级要求较高。
当下，我正在与宜宾高新区方面进行协调，他们已同意提供场地。不过，由于我正在申报的一些国家项目尚未获批，暂时无法和高新区方面确定所需场地的具体面积。
基于目前的研究以及外协成果，我们计划将水热化学合成技术作为核心，同时结合传统石英砂制造工艺，打造一套集成创新技术体系。具体来说，把传统石英砂技术与其他产业中已成熟的技术相互匹配，开辟一条全新的技术路线。这条路线并非单纯追求成本最低，而是致力于充分满足高纯石英坩埚对高纯石英砂的特定需求，确保在技术适配性上达到最优。
中国粉体网：相较于国际先进技术，我国在4N8及以上高纯石英砂技术研究方面，目前的差距主要体现在哪些方面？我们该如何缩小这些差距，实现技术的弯道超车？
袁博士：在材料研究领域，材料四要素是我们做材料研究的重要理论依据。材料的组成决定其构成方式，构成又决定材料性质，而性质最终决定材料的用途。常规的材料研发，往往遵循这一逻辑展开。然而，当面对国家或行业的特定痛点时，我们也可以反向推导——从应用领域出发，倒推所需材料的组成。
就拿高纯石英砂来说，最初，高纯石英砂主要应用于其他领域。在我从事拉单晶工作的那几年，石英坩埚对高纯石英砂的用量极少，每年仅几十吨。由于用量小，当时石英砂价格也不算贵，大概几万美元一吨，所以没多少人专门去研究它，需要时直接进口即可。
2003年，光伏行业兴起，此后历经起伏。直到2022年底至2023年初，高纯石英砂价格突然飙升。一方面，光伏产业爆发式增长，达到了一个临界点；另一方面，中美科技脱钩，导致国内难以从矽比科（原尤尼明）进口内层砂原料。当前，国内矽比科的原料，基本被隆基、TCL中环等大厂，以及美晶等大型坩埚企业，通过长单锁定。
如今，高纯石英砂价格相对较低，这与长单模式密切相关。尽管价格有所波动，但市场对高纯石英砂的需求量一直较为稳定。以去年为例，国内光伏市场实际装机量达到249GW，远超光伏产业协会最乐观预期的220GW。然而，光伏产业却陷入产能过剩的困境。市场需求量每年以20%-30%的幅度增长，而产能扩张幅度却高达70%-80%。持有长单的进口商手中货物积压，为缓解压力，纷纷抛售，加上其他因素的影响，进一步压低了价格。但在国内技术无法替代进口的情况下，其价格最终仍可能回升至20-25万元每吨。
对于光伏和半导体行业而言，晶硅品质、硅片品质以及硅片尺寸的提升，远比坩埚价格更受关注。毕竟，坩埚成本在光伏组件和光伏系统中仅占电站成本的1%左右。试想，如果能将坩埚的使用寿命从目前的350-400小时提升到500-600小时，甚至更长，同样数量的坩埚就能生产出更多单晶。在国内尚未实现大规模量产替代进口的情况下，即便石英砂价格难以回到60万元每吨，维持在20-25万元每吨的区间，只要提升坩埚寿命，下游企业也不会过于在意价格。
因此，当前我们的首要任务并非寻找新矿源，而是突破技术难题。当然，实现这一目标不仅需要攻克技术难题，还需要全体产业同仁的协同配合。
中国粉体网：您刚才说您用水热化学合成法制作的高纯石英砂是4N8及以上吗？还是5N2？那它主要应用在哪几个领域呢？
袁博士：目前，我们的研发重点围绕4N8至5N2纯度的产品展开，首要目标是实现光伏石英坩埚内层材料的进口替代，后续再逐步拓展至整个坩埚。至于5N8纯度的产品，通常应用于半导体坩埚。当下，半导体坩埚完全依赖进口。值得注意的是，并非石英砂纯度越高就越好，一旦超过特定纯度，坩埚的使用寿命会大幅缩短，且容易出现软化现象。
对于坩埚用石英砂而言，不仅要求纯度达标，对杂质含量的控制也十分讲究，部分杂质甚至对坩埚性能有益。因此，要实现进口替代，就必须对标进口砂的指标，展开针对性攻关。从我们前几年的研究成果来看，在碱金属总含量方面，我们的产品略高于进口产品；与之相反，铝含量方面，我们的产品相对偏低。如何进一步降低碱金属含量，是我们正在努力的方向。除了碱金属和铝之外，钙、铁等元素的含量也至关重要，它们都是影响石英砂品质和坩埚性能的关键因素。
中国粉体网：好的，感谢袁老师接受我们的采访。
袁博士：好，谢谢。
