高纯石英砂晶格杂质去除，突破！

中国粉体网讯  高纯石英原料矿石是特定成矿条件下形成的、稀缺的战略性资源，高纯石英原料矿石品质通常受脉石矿物及晶界杂质、包裹体、晶格杂质等因素影响。其中晶格杂质元素有Al、Ti、Li、Na、K、Ge、OH等多种，这些杂质元素含量通常超过1×10^-6，关键是这些杂质很难利用经济的选矿手段和化学提纯方法除去。

1、外来的杂质元素深入石英晶格之中

为什么晶格杂质难以去除？其实这是由于微量元素在石英晶格中的存在方式决定的。 

♦等价替代：如Ti⁴⁺、Ge⁴⁺、Si⁴⁺等离子类质同象替代。 

♦离子团替代：如Al³⁺和相邻的P⁵⁺替代Si⁴⁺，以平衡总电荷。 

♦电荷补偿替代：如Al³⁺、Fe³⁺替代Si⁴⁺形成了［AlO₄/M⁺］0或［FeO₄/M⁺］0结构中心，M⁺充当电价补偿离子平衡电荷。一般为碱金属离子，有时也可以为正2价离子(Be²⁺、B²⁺、Ｒb²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺)。 

石英晶体中的晶格取代形式

2、Al的研究和分析

石英晶格的外来元素中，Al的研究和分析是最重要的，是判断高纯石英矿物原料品质的重要标志物，这是因为其相较天然石英中其他杂质元素，Al含量往往最高，也最容易通过测试分析方法分析出来。当石英中存在大量Al杂质时，Li、K、Na等杂质元素的含量会增加。

Al进入石英晶格，会产生较强的化学键，影响石英制品的导电性，同时，增强了石英玻璃的析晶作用，降低了使用寿命。少量的AI不会影响到高纯石英产品的质量，IOTA标准砂要求Al元素含量(12~18)x10^-6，但光导纤维中微量的Al便会降低石英玻璃的光传导。

3、Ti的研究和分析

除Al外，Ti也是判断高纯石英矿物原料品质的重要标志物之一，由于Ti-O键非常稳定，不易破坏，无论是晶格间Ti还是包裹体中的含Ti矿物，均很难通过常规的选矿手段和化学提纯方式经济合理除去，因此当石英中Ti含量超过一定程度时，其也很难加工成高纯石英。

4、碱金属元素Li、K、Na的研究和分析

碱金属元素Li、K、Na能降低石英玻璃的使用温度和机械强度，在高温下对石英玻璃的析晶起催化作用，导致石英玻璃出现失透、高温变形等现象；降低碱金属元素的含量有利于提高高纯石英坩埚的软化点，增强石英坩埚的抗变形性，提高单晶的成品率。 

5、从晶格杂质元素突破4N8级高纯石英砂制造瓶颈

4N8级高纯石英砂是一种纯度要求高、粒度分布均匀、包裹体含量极低的高端高纯石英制品。高纯石英砂生产具有较高的资源和技术壁垒属性特征,由于国内高纯石英矿产资源稀缺、基础研究不足、提纯技术落后,导致4N8级高纯石英砂无法自主生产。美国尤尼明公司在矿产资源、工艺技术、生产设备和产品精度等方面占据绝对优势，一度垄断着国际上4N8及以上的高端石英砂产品。据了解，美国尤尼明公司可通过氯化焙烧技术脱除石英杂质中最难除的Ti，即通过去除晶格杂质实现产业突破，但是该技术核心部分受到封锁。

6、国内对高纯石英砂晶格杂质也实现了突围

（1）一种高纯石英砂晶格杂质及包裹体同步深度脱除方法

9月20日，国家知识产权局公布了中南大学申请的名为“一种高纯石英砂晶格杂质及包裹体同步深度脱除方法”的专利。

该发明公开了一种高纯石英砂晶格杂质及包裹体同步深度脱除方法，该方法是将4N级石英砂装入旋转式焙烧炉中，采用电加热与微波加热的复合加热方式进行加热焙烧，并导入气态氯化剂进行氯化反应，即得4N8级石英砂。本发明基于石英基体与晶格杂质和包裹体吸波性能差异，在电加热基础上通过微波加热靶向促进晶格杂质活化以及包裹体吸热膨胀爆裂，通过氯化剂与活化的晶格杂质及包裹体杂质反应将杂质组分挥发，实现石英砂的深度除杂。

(2)两次焙烧-酸浸联合工艺制备高纯石英的方法及高纯石英

本发明提供了两次焙烧-酸浸联合工艺制备高纯石英的方法及高纯石英，方法包括以下步骤：将石英原矿进行预处理，得到第一石英颗粒；将第一石英颗粒进行第一次焙烧，得到第二石英颗粒；将第二石英颗粒进行第一次酸浸，得到第三石英颗粒；将第三石英颗粒与焙烧助剂混合后进行第二次焙烧，得到第四石英颗粒；以及将第四石英颗粒进行第二次酸浸，水洗烘干后得到高纯石英。高纯石英通过上述方法制备得到，高纯石英中SiO₂含量大于99.99％，最高可达99.998％。本发明采用了活化焙烧-热压酸浸-助剂焙烧-常压酸浸联合工艺实现石英的高效提纯，并将助剂焙烧中热能回用，有效地去除了常规工艺中难除的晶格杂质和惰性杂质，且焙烧助剂环保、耗酸量小、产品纯度高。

（3）一种超高纯石英砂的提纯方法

为克服现有石英砂提纯工艺存在杂质残留，影响石英砂纯度的问题，本发明提供了一种超高纯石英砂的提纯方法，包括以下操作：获取石英砂；对石英砂进行动态冲击压缩，使石英砂处于无序亚稳态；使用化学溶液处理石英砂以去除杂质，清洗后得到高纯度石英砂。本发明提供的超高纯石英砂的提纯方法通过对石英砂进行动态冲击压缩，使石英砂处于结构松散的无序亚稳态，从而使得化学溶液可以充分渗入，去除深层杂质，提纯效果更好。该方法可以结合氯化焙烧等其他石英晶格杂质提纯步骤，实现半导体制造业所需的4N8、5N级别的超高纯石英砂制取。

参考来源：

赵海波等.天然石英矿物微量元素赋存特征研究进展及对高纯石英找矿的指示

王云月等.高纯石英原料特征和矿床成因研究现状综述，地质论评2021.9

施娅颖等.高纯石英的杂质类型及深度提纯技术研究进展

国家知识产权局

（中国粉体网编辑整理/九思）  

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