原创

【原创】4N8高纯石英矿产资源的稀缺性是大家的信心所在——访成都理工大学汪灵教授

初末

2024.11.29 | 点击 246次

导读 中国粉体网邀请到了我国矿物材料学及石英原材料行业的著名专家、成都理工大学汪灵教授就高纯石英坩埚料、高纯石英原料及其对我国芯片光伏产业高质量发展的重要作用等问题进行了访谈交流。

中国粉体网讯 始于2017年的全国石英大会，创造并保持了国内单品种非金属矿物材料会议的最大规模纪录，极大地促进了产学研的交流和产业链上下游之间的融合协作。一年一度的石英盛会，已成为行业发展的风向标与晴雨表，新技术、新产品、新观点的闪耀，引领着行业潮流也壮大了石英产业的新质生产力，推进了全体石英人共享硅时代发展的红利。

11月21-22日，由中国粉体网主办的“2024第八届全国石英大会暨展览会”在江苏徐州成功举办！在本次大会期间，中国粉体网邀请到了我国矿物材料学及石英原材料行业的著名专家、成都理工大学汪灵教授就高纯石英坩埚料、高纯石英原料及其对我国芯片光伏产业高质量发展的重要作用等问题进行了访谈交流。

汪灵教授简介

汪灵，教授，博士生导师，四川省学术和技术带头人，享受国务院政府特殊津贴专家，《矿物学报》《岩石矿物学杂志》等期刊编委。出版有迄今为止国内外第一本关于矿物的材料属性与应用的基础性、实用性和系统性理论著作《矿物材料学原理》（2021），该书被誉为矿物材料学的奠基之作；以该专著为基础，出版了迄今为止国内外第一部基于矿物材料学的系统性理论和学科知识体系的《矿物材料学》高校教材（2023）；在重庆市城口县发现超大型陶粒页岩矿，探明资源量的潜在经济价值超200亿元；在我国发现了能够满足工业生产需要的高纯石英优质矿（A级矿），并以此为原料主持建成我国首条全自动4N8高纯石英砂高端产品生产线，该专利产业化成果获评2022年度四川省高校院所知识产权市场化运营典型案例。

中国粉体网：汪教授，从用途上来看，高纯石英砂产品应该如何划分？

汪教授：高纯石英砂产品有两种划分方法，一种是生产企业普遍采用的方法，即根据它的用途可分为拉管料、打砣料和坩埚料三大类系列产品；另外一种划分方法是按照组成结构即根据它的二氧化硅的纯度或杂质含量来划分，可以分为高纯石英低端产品（二氧化硅纯度为99.9%以上，3N）、中端产品（二氧化硅纯度为99.99%以上，4N）、中高端产品（二氧化硅纯度为99.995以上，4N5）以及高端产品（二氧化硅纯度为99.998以上，4N8）。根据组成结构对高纯石英进行划分的方式与拉管料、打砣料可以大致对应，高纯石英高端产品相当于拉管料和打砣料的一级品，中高端产品相当于二级品，中端产品相当于三级品。从根源上来说，这两种划分方法其实是殊途同归的，因为石英的组成结构决定了其物化性能，物化性能又决定了其用途。

中国粉体网：我们应该如何定义坩埚料，光伏和半导体行业对对坩埚料技术指标要求是怎样的？

汪教授：坩埚料属于高纯石英高端产品，在整个高纯石英原料中，其难度是最大的。石英原材料应用范围广泛，二氧化硅纯度为99%左右的产品主要应用在石英传统工业领域，包括各种光伏玻璃、浮法玻璃、日用玻璃和平板玻璃等各种石英制品；二氧化硅纯度为99%-99.9%的产品也是近年来石英的重要应用领域之一，主要是各种硅微粉，用于电工、电子和集成电路覆铜板等应用领域；坩埚料是指用于制备石英坩埚的高纯石英砂。由于单晶硅棒生长时间长、工艺条件苛刻，对坩埚料技术指标提出了极高的要求，除要求气液包裹体极少外，还要求二氧化硅纯度≥99.998%，对其它杂质的分项指标也有严格的要求。

中国粉体网：汪教授，能加工成高纯石英砂的高纯石英原料有哪些？其中，哪些能加工成坩埚料？

汪教授：石英是地球上分布极为广泛的矿物，从地质成因的角度来讲，其成因有很多种。石英矿床工业类型有7种，它们分别是天然水晶、石英岩、石英砂岩、脉石英、粉石英、天然石英砂（含砾岩）以及花岗伟晶岩石英。研究和实验结果证明，能做高纯石英的是其中的一些类型。高纯石英最早是以一、二级天然水晶为原料，再经精选提纯加工而成。天然水晶由于受自身特点限制，如矿床规模小、储量少、生长条件比较苛刻等，已不再适合用作高纯石英原料，现主要作为水晶工艺品原料。其余能做高纯石英尤其是坩埚砂的高纯石英原料主要集中在花岗伟晶岩石英（如美国尤尼明、挪威TQC的高纯石英矿）和脉石英（如印度的部分高纯石英矿）这两种矿物类型上，另外，特殊背景下的石英岩也能做出高纯石英高端产品。

需要特别注意的是，并不是所有的花岗伟晶岩石英、脉石英以及石英岩都能做成高纯石英高端产品，根据我们的调研和大量资料显示，能做坩埚砂的矿床仅是极少数。因此我们的任务不应该只是找到这些矿床工业类型，我们不仅仅要找到这片“森林”，更重要的是要找到这片“森林中的参天大树”，这颗“参天大树”正是我们奋斗的目标。总而言之，高纯石英原料从分布、储量上看具有一定的稀缺性，而能够做成高纯石英高端产品尤其是坩埚砂的高纯石英原料则更加稀缺。

中国粉体网：汪教授，目前国内花岗伟晶岩和脉石英找矿和开发利用情况是怎样的？

汪教授：目前大家都在朝着这个方向努力，取得了不错的进展。如花岗伟晶岩石英，一些单位也介入了一些小试的样品，也有一些相关报道提到，二氧化硅纯度达到了相关指标。但是我认为把实验室一个小的矿点或矿石的数据变成工业批量化生产，从而通过厂商对坩埚产品以及拉晶质量的验证，道路还是比较漫长的。

脉石英分布很广泛，各个省市和地区都有找矿的报道，但是能够做到坩埚用高纯石英砂，即二氧化硅纯度99.998以上且气液包裹体少的原料仍然极少。另外还有石英岩，进口的印度矿石中也有部分能加工成高纯石英甚至高端高纯石英产品的石英岩，这一矿床类型也应该引起重视。

中国粉体网：在您今年发表的《纯净胜瑾瑜，贵若冠上珠——解读高纯石英》这一文章中，您将高纯石英比作石英原材料行业中的“皇冠”，将4N8高纯石英高端产品比作皇冠上的明珠，这是为何？目前4N8高纯石英砂的需求和供应情况如何？

汪教授：高纯石英系列产品是近年来石英附加值最高和最热门的领域。无论是从制造难度和重要性还是从矿产资源的稀缺性看，高纯石英可比作石英原材料行业中的“皇冠”。

4N8高纯石英高端产品的市场价值和市场前景是显而易见的，上面我提到了，以目前的加工技术水平，能够加工4N8高纯石英高端产品的矿石原料只是极少数，甚至是极个别，具有很高的稀缺性，目前我们还处在一个要么产品进口（石英坩埚内层砂），要么矿石进口（石英坩埚中外层砂）的状态。虽然受到光伏行业去库存、去产能的影响，但是光伏行业始终是要长期发展的，它对石英坩埚和高纯石英砂的需求是长期存在的，因此，我们要对这个市场有充分的信心。

坩埚内层砂公认的主流品种还是美国的尤尼明（矽比科）和挪威TQC的高纯石英砂产品，它们的组成结构、纯度以及其它工艺性能都是非常优越的；另外还有从印度等国家进口的一些批次的脉石英矿加工出来的高纯石英砂也能达到要求，但是矿床小而且质量不稳定，只能满足一小部分内层砂需求。如果生产坩埚完全采用进口内层砂，其价格昂贵，成本非常高，因此我们可以通过用坩埚中外层砂来降低成本，和内层砂相比，中外层砂质量要求略低（主要指产品的一致性），但其矿石原料也需要从印度等国进口。我们用印度进口的矿石，用国内的装备可以生产，也能满足部分需求，但是矿源问题以及高端高纯石英产品被美国垄断的问题，一直都是悬在中国高纯石英产业以及它所支撑的光伏产业和芯片产业中的大问题，因此我们现在还不能掉以轻心。

去年我接受采访的时候提到了一个观点，我认为这个观点还需要继续强化，高纯砂尤其是坩埚用高纯石英砂，不是资金推动型产品，它不是有钱就可以去生产，它也不是简单的技术推动型产品，它的确有比较高的技术含量和壁垒，但仅仅靠技术也不行；它应该是矿石+技术推动型产品，因此从事坩埚用高纯石英砂的生产，最核心的问题是要保证矿源的稳定性。

中国粉体网：当前，光伏行业处于下行周期，您认为这会对高纯砂带来怎样的影响？行业要如何面对挑战?

汪教授：实现“双碳”目标是一项长期任务，我们要尽量发展可再生能源，而光伏就是一种很好的清洁可再生能源。近几年，光伏火热，出现了一些盲目扩张的情况，出现了阶段性供需失衡的问题，今年，光伏行业更多的是去库存，加快落后产能“出清”，但其整体发展的大方向是不变的。业内推测，随着国家增量政策的加入，光伏行业会慢慢走出目前的低谷状态。我们应该借此时机提升产品质量，尤其可以在矿石方面，多多进行研究。

中国粉体网：想实现高纯石英矿产资源的高效开发利用，离不开矿物材料学这一专业学科的指导。说到这，我们要热烈祝贺汪教授的著作《矿物材料学》出版！汪教授您能否和我们分享一下这本书？

汪教授：多年以来，出版一部关于矿物材料学的著作是我孜孜以求的奋斗目标之一，我的导师中国科学院院士、中国科学院地质与地球物理研究所叶大年先生曾叮嘱我：“写本好书应该是一位科学家的奋斗目标之一。”

改革开放初期，国家相对比较落后，那时候地质和地矿行业也不景气，而西方发达国家的非金属矿的产值早已经超过了金属和有色金属，我们国家在这方面还比较薄弱。矿物除了资源属性以外，还有一个很重要的属性就是材料属性，因此，迎接“新石器时代”的挑战，发挥矿物的材料属性，开发矿物的材料应用，大力发展矿物材料产业，将非金属矿产的资源优势转化为经济优势，成为我国改革开放和现代化建设事业的必然要求。

国家为了支持行业发展，2002年在一些大学中设立矿物材料学学科专业，成都理工大学也是首批在地质学中设立矿物材料学博士点、硕士点的单位，矿物材料学也是成都理工大学材料科学与工程、地质学专业教学的特色课程之一，但一直缺少具有系统性理论和学科知识体系的矿物材料学专业教材。我根据40余年从事矿物材料学科研与教学工作的经历，通过系统的样品采集、检测与研究，并在总结老一辈科学家和改革开放以来我国科技工作者在该学科领域研究成果的基础上，前后用了十多年时间撰写和出版了迄今为止国内外第一部关于矿物的材料属性与应用的基础性、实用性和系统性理论著作《矿物材料学原理》，这本书于2021年出版。这本书出版后，被中国粉体网等多家媒体报道，获得了中国矿物学界、材料学界和非金属矿行业的高度关注和广泛认可。之后我又将学术专著《矿物材料学原理》进一步精简和优化，三易其稿，终于在2023年2月18日完成了《矿物材料学》这一教材的撰写工作。

《矿物材料学》这一教材能够出版，我要非常感谢大家的支持，希望这本书能够对非金属矿的开发利用，尤其是矿物功能材料、非金属矿高层次人才的培养有所帮助。我的导师叶大年先生也说过：“我以为最基础的知识应该写入教科书中”“写入教科书中的知识是科研成果最好的归宿。”因此，我把《矿物材料学原理》中应该作为基本理论、基本概念、基本方法、基本原理中的内容写入教材，这也是让我人生中感到非常自豪的一件事。

在非金属矿和矿物功能材料领域，我们还有不少产品例如坩埚用高纯石英砂等都需要进口。我们也希望通过我们的工作和努力进一步缩小我们与国外尤其是发达国家的差距，把我们国家的矿产资源利用好。过去我们单纯讲开发利用，觉得只要是卖钱就叫开发利用，到现在发展到高效利用，高效利用就是综合利用、物尽其用，我们要让每一块矿石找到它的位置，让每一粒砂都能发挥它应用的作用。

这些年来，中国粉体网一直很活跃，举办了各种各样的会议，为企业、科研人员、学生乃至整个产业搭建了一个很好的展示、交流和探讨的平台，为我们国家的粉体产业、非金属矿和石英产业的发展作出了很好的贡献。今年我们的石英大会已经召开到第八届了，虽然今年市场有所回落，产品价格有较大幅度的调整，但是仍然有很多厂商和单位来参加这次会议，因此，石英大会既办出了效益，也办出了品牌，非常感谢大家！

（中国粉体网编辑整理/初末）

注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！