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        【原創(chuàng)】如何界定高純石英砂?


        來源:中國粉體網(wǎng)   黑金

        [導讀]  在下游產(chǎn)業(yè)帶動下,高純石英砂產(chǎn)業(yè)鏈備受業(yè)內(nèi)追捧。那么,高純石英砂到底是如何界定的?

        中國粉體網(wǎng)訊  高純石英砂廣泛用于電光源、光纖通信、太陽能電池、半導體集成電路、精密光學儀器、醫(yī)用器皿、航天航空等高科技行業(yè),對一個國家的科技發(fā)展具有重要作用,是具有戰(zhàn)略性意義的資源。而受制于高品質(zhì)礦源,國內(nèi)高純石英砂市場在下游產(chǎn)業(yè)帶動下,處于供不應(yīng)求的狀況,市場長期被國外壟斷著。尤其近些年半導體、光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,使得高純石英砂供需矛盾凸顯,成為業(yè)內(nèi)熱議的話題,高純石英砂產(chǎn)業(yè)鏈備受業(yè)內(nèi)追捧。那么,高純石英砂到底是如何界定的?



        來源:石英股份


        標準的角度


        目前國內(nèi)對于高純石英砂沒有統(tǒng)一的標準界定。


        湖南省曾于2016年公布地方標準DB43/T1167-2016高純(SiO2≥99.997%)石英砂,標準適用于以天然石英礦物為原料,經(jīng)酸浸、煅燒、水淬、烘干、粉碎、篩分、提純、色選、磁選等工序加工而成的石英砂。


        產(chǎn)品按二氧化硅的含量分為一級、二級、三級。并對產(chǎn)品技術(shù)指標做了如下要求。




        國家標準GB/T32649-2016光伏用高純石英砂于2016年11月1日開始實施,標準適用于光伏用高純石英砂,產(chǎn)品用于多晶硅、單晶硅光伏生產(chǎn)用的擴散管、承載器及電弧法坩堝等石英制品。該標準從外觀、粒度、二氧化硅含量、雜質(zhì)元素含量等方面作出了如下技術(shù)要求。




        此外,行業(yè)標準SJ/T3328-2016電子產(chǎn)品用高純石英砂標準中規(guī)定了電子產(chǎn)品的技術(shù)條件、分析方法通則、灼燒矢量的測定、二氧化硅的測定、鐵的測定、銅的測定、鉻的測定、鋁的測定以及鉛的測定。




        其中,SJ/T3328.1-2016電子產(chǎn)品用高純石英砂第1部分技術(shù)條件適用于電子產(chǎn)品用高純石英砂,可用于制造半導體石英器件的管、棒、塊、板、片以及坩堝等器件。技術(shù)要求如下:


        外觀:電子產(chǎn)品用高純石英砂為具有一定透明度的白色顆粒,應(yīng)無異色、肉眼可見的雜質(zhì)。


        二氧化硅含量:應(yīng)符合表1規(guī)定。




        粒度:粒徑應(yīng)在70μm~350μm。


        雜質(zhì)元素含量:應(yīng)符合表2規(guī)定。




        政策的角度


        鑒于硅材料在現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)以及能源產(chǎn)業(yè)中的地位,以及在國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)和支柱性產(chǎn)業(yè)發(fā)展進步過程中發(fā)揮的不可替代的作用,國家出臺了系列政策支持石英砂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,尤其是具有較高附加值及發(fā)展前景的高純石英砂。


        工信部《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南(2017年)》中提出石英玻璃可持續(xù)制備技術(shù)的主要技術(shù)內(nèi)容包括:優(yōu)質(zhì)石英礦產(chǎn)開發(fā)技術(shù);高純石英原料提純技術(shù);高純石英原料粒度級配及形貌等與熔制工藝(電熔和氣煉等)適應(yīng)性技術(shù)等等。


        《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄(2019年本)》鼓勵信息、新能源、國防、航天航空等領(lǐng)域用高品質(zhì)人工晶體材料、制品和器件,功能性人造金剛石材料生產(chǎn)裝備技術(shù)開發(fā);純石英原料(純度大于等于99.999%)、半導體用高端石英坩堝、化學氣相合成石英玻璃等制造技術(shù)開發(fā)與生產(chǎn);航天航空等領(lǐng)域所需的特種玻璃制造技術(shù)開發(fā)與生產(chǎn);高純納米級球形硅微粉與高純工業(yè)硅的生產(chǎn)、應(yīng)用及其技術(shù)裝備開發(fā)與應(yīng)用。


        《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導目錄(2018年版)》提出高純石英砂,性能要求:Fe、Mn、Cr、Ni、Cu、Mg、Ca、Al、Na、Li、K、B共12種元素總含量<6ppm。應(yīng)用領(lǐng)域:高品質(zhì)石英制品。


        半導體用大尺寸高純石英擴散管,規(guī)格:外徑300~400mm,偏壁厚≤0.6mm,金屬雜質(zhì)含量13ppm,長期使用溫度:1150℃。應(yīng)用領(lǐng)域:半導體領(lǐng)域、集成電路。


        半導體級電弧石英坩堝,規(guī)格:14~24寸;內(nèi)層純度:所有金屬雜質(zhì)含量<12ppm;強度:1500度高溫變形率<2%;壽命可達200小時。應(yīng)用領(lǐng)域:集成電路。


        《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導目錄(2019年版)》對高純石英砂、半導體用大尺寸高純石英擴散管的性能要求與2018年版相同。光纖預(yù)制棒燒結(jié)用石英爐管,性能要求:外徑>200mm,長度>2000mm,高溫區(qū)壁厚偏差±0.5mm,羥基含量<20ppm金屬雜質(zhì)含量<20ppm,高溫區(qū)域的部分應(yīng)能承受2000℃高溫。應(yīng)用領(lǐng)域:光纖預(yù)制棒制造。


        《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導目錄(2021年版)》沒有列舉高純石英砂,但對半導體用高純石英玻璃制品作出的性能要求是:


        (1)石英擴散管:外徑300~400mm,偏壁厚≤0.6mm,金屬雜質(zhì)含量<13ppm;

        (2)石英外管、內(nèi)管、工藝管、石英舟:羥基含量<30ppm,垂直度<1mm,管口平面度<0.1mm,壁厚偏差<0.5mm。


        企業(yè)的角度


        受業(yè)內(nèi)認可的高純石英砂生產(chǎn)商主要有三家:美國尤尼明UNIMIN、挪威TQC以及國內(nèi)的石英股份。


        美國的UNIMIN以Spruce Pine的花崗偉晶巖為原料提純高純石英砂,壟斷了80%的高純石英砂市場,是眾多高端石英玻璃材料企業(yè)的供應(yīng)商。產(chǎn)品主要有四種規(guī)格,即IOTA-CG、IOTA-4、IOTA-6、IOTA-8,被業(yè)內(nèi)視為標準。


        挪威TQC,2011年,由IMERYS和NORSK MINERAL合資成立。有兩種規(guī)格:NC-4A和NC-4X,主要用來生產(chǎn)單晶硅拉制用石英玻璃坩堝。


        UNIMIN和TQC產(chǎn)高純石英砂的雜質(zhì)元素含量(ppm)



        南京大學和江蘇太平洋石英股份有限公司聯(lián)合研發(fā)的高純度石英砂項目,于2009年建成了年產(chǎn)9000噸的高純石英砂生產(chǎn)線,產(chǎn)品的純度超過了CG砂標準。依據(jù)石英股份2021年度報告,公司高純石英砂2021年銷售量23,611 噸,其中外銷部分14,067 噸,自用部分9,544噸。


        半導體級高純石英砂



        太陽能級高純石英砂



        2014年石英股份首次公開發(fā)行股票招股意向書中提到高純石英砂為總體雜質(zhì)含量在22ppm以下,單類堿金屬(鉀、鈉、鋰)含量均小于1ppm的石英砂。


        業(yè)內(nèi)專家的角度


        國外學者主要根據(jù)石英中的有害元素含量對高純石英進行分類。國內(nèi)一部分學者僅基于SiO2的純度對高純石英進行分類;一部分學者則基于SiO2的純度和有害雜質(zhì)元素含量的上限對高純石英進行分類。


        陳培榮教授2017年在《高純石英砂的生產(chǎn)現(xiàn)狀和前景》報告中提出高純石英砂是指由天然石英礦物經(jīng)過一系列物理-化學提純技術(shù)生產(chǎn)的粒度集中分布在0.1~0.45mm的高純石英玻璃原料。國際公認的高純石英砂是等于或高于UNIMIN公司IOTA-CG標準,即12種元素雜質(zhì)(Fe、Mn、Cr、Ni、Cu、Mg、Ca、Al、Na、Li、K、B)的總含量小于20ppm,其中堿金屬(K、Na、Li)分別小于1ppm。


        汪靈教授等提出高純石英是SiO2純度大于99.9%的石英系列產(chǎn)品的總稱。其產(chǎn)品等級可按SiO2純度進行劃分,即低端w(SiO2)≥99.9%(3N),中端w(SiO2)≥99.99%(4N),高端w(SiO2)≥99.998%(4N8);也可以按產(chǎn)品中Fe、Mn、Cr、Ni、Cu、Mg、Ca、Al、Na、Li、K、B、Ti等雜質(zhì)元素總量進行劃分,即低端≤1000×10-6,中端≤100×10-6,高端≤20×10-6。每個等級的高純石英可按粒度分為40~80目、80~140目、80~200目、80~300目等品種。


        侯清麟教授等認為石英砂是一種半透明的硅酸鹽礦物,其主要成分是 SiO2,當SiO2含量高于99.99%時稱其為高純石英砂。


        縱觀國內(nèi)對高純石英砂的研究,業(yè)內(nèi)對普通石英砂與高純石英砂的SiO2純度的下限、有害元素的類別及含量上限的確定尚有分歧。尤其是近年來,新興起的光伏玻璃、Low-E玻璃、超白浮法玻璃等新型玻璃產(chǎn)業(yè),降低了對SiO2的純度要求。而且不同雜質(zhì)元素對石英性能的影響不同,如Al影響石英中的光傳導速率,F(xiàn)e、Mn 等金屬元素降低石英的光透過率,P和 B含量過高的石英不能用于光伏產(chǎn)業(yè)。由于不同產(chǎn)業(yè)需要不同質(zhì)量的石英,使得高純石英砂質(zhì)量沒有統(tǒng)一的標準。


        結(jié)合不同的角度,小編認為狹義上來說(拋開化學合成法),高純石英砂是由天然石英礦物經(jīng)研磨、分級、重選、磁選、浮選、酸浸、高溫氯化焙燒等工序加工而成的石英砂。


        從外觀上,應(yīng)該是具有一定透明度的白色顆粒,無異色。從粒度上,40-160目。從純度上,SiO2含量高于99.99%。Fe、Mn、Cr、Ni、Cu、Mg、Ca、Al、Na、Li、K、B、Ti雜質(zhì)元素總含量小于22ppm,其中堿金屬(K、Na、Li)分別小于1ppm。


        參考資料:

        王自國.我國高純石英產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略布局思考

        李光惠等.高純石英原料作為戰(zhàn)略性礦產(chǎn)的分析及建議

        侯清麟等.高純石英砂制備技術(shù)研究現(xiàn)狀

        汪靈等.中國高純石英技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展前景

        王九一.全球高純石英原料礦的資源分布與開發(fā)現(xiàn)狀

        陳培榮.高純石英砂的生產(chǎn)現(xiàn)狀和前景

        石英股份、工信部、國家標準化管理委員會等


        (中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金)

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        作者:黑金

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