中國粉體網(wǎng)訊  高純石英砂是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)不可替代的礦物原料，通過加工成石英玻璃等相關(guān)制品廣泛應(yīng)用于新一代信息產(chǎn)業(yè)、節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)、高端裝備產(chǎn)業(yè)、生物產(chǎn)業(yè)以及新材料產(chǎn)業(yè)等。而純度、不同雜質(zhì)含量是決定高純石英砂應(yīng)用的核心指標(biāo)。

來源：石英股份

目前制約高純石英砂應(yīng)用的雜質(zhì)元素主要有13種：鋁（Al）、鈣（Ca）、鐵（Fe）、鈉（Na）、鉀（K）、鋰（Li）、鎂（Mg）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、硼（B）、錳（Mn）、銅（Cu）、鈦（Ti）。

雜質(zhì)元素對高純石英砂應(yīng)用有何影響？

堿金屬元素的影響

堿金屬K、Na、Li離子和堿土金屬Ca、Mg離子等對石英玻璃的析晶起催化作用，影響石英玻璃的熱穩(wěn)定性和熱學(xué)、光學(xué)特性同時，降低了石英玻璃的使用溫度和機械強度，増大石英玻璃的介電系數(shù)和介電損失；高溫下堿金屬的存在起到了助溶作用，導(dǎo)致石英玻璃常出現(xiàn)失透、高溫變形等現(xiàn)象。

過渡金屬元素的影響

過渡金屬Cr、Cu、Fe、Ni、Mn、Ti能使石英玻璃產(chǎn)生色斑或引起石英玻璃的高溫變色，影響光透過率。

鋁和硼元素的影響

石英中的鋁和硼元素進(jìn)入石英骨架中，會產(chǎn)生較強的化學(xué)鍵，影響石英制品的導(dǎo)電性，同時，增強了石英玻璃的析晶作用，降低了使用壽命。硼元素的存在嚴(yán)重影響了單晶硅的拉制。

此外，石英砂中存在的水或者羥基可減低石英玻璃的高溫粘度，從而降低耐溫性；同時，羥基會改變石英玻璃的析晶性、透過率，熱膨脹系數(shù)等一系列物理參數(shù)。

雜質(zhì)元素的賦存狀態(tài)

天然石英礦物中雜質(zhì)元素賦存狀態(tài)是決定能否成為高純石英的重要制約因素，同時也是制定最佳石英提純方案的重要參考。

雜質(zhì)元素主要來自石英巖礦本身和加工過程，主要以共（伴）生礦物、包裹體、類質(zhì)同象的形式賦存。

石英中雜質(zhì)賦存狀態(tài)

影響高純石英砂應(yīng)用的關(guān)鍵雜質(zhì)及賦存形式

晶格雜質(zhì)

石英中晶體結(jié)構(gòu)雜質(zhì)分為晶格雜質(zhì)和非晶格雜質(zhì)，晶格雜質(zhì)主要以他類原子以類質(zhì)同象的方式取代硅氧四面體中的硅原子，主要雜質(zhì)元素有Al³⁺、Ti⁴⁺、Ge⁴⁺等。這些雜質(zhì)含量很低，但從石英中分離難度較大，是制約高純石英質(zhì)量關(guān)鍵性因素之一。

石英晶格中微量元素的結(jié)構(gòu)圖

在石英結(jié)構(gòu)性雜質(zhì)中，Al雜質(zhì)元素含量一般最高。由于Al是以Al³⁺替代Si⁴⁺的形式存在，引起了石英晶格內(nèi)部電荷不平衡，當(dāng)石英中存在大量Al雜質(zhì)時，Li、K、Na等雜質(zhì)元素的含量會增加。晶格中鋁雜質(zhì)過多也會因強化學(xué)鍵導(dǎo)致石英制品發(fā)生析晶作用，從而影響其性能。

在現(xiàn)有加工技術(shù)下，石英原料中晶格雜質(zhì)幾乎不能被除去。以晶格雜質(zhì)形式存在的Al元素含量雖然極低但除去難度極大，是制約高純石英最終質(zhì)量的關(guān)鍵之一。

流體包裹體

礦物或巖石中廣泛存在流體包裹體，每立方厘米中含有流體包裹體數(shù)量大約為10²-10⁹個，直徑一般小于50μm。流體包裹體的種類、尺寸和含量對高純石英質(zhì)量有著顯著影響。石英中流體包裹按內(nèi)含物質(zhì)狀態(tài)可以分為：純氣體、純液體、氣液混合包裹體和三相包裹體。流體包裹體在形成過程中所捕獲的流體屬過飽和溶液，當(dāng)溫度降低時會從溶液中結(jié)晶形成包括石鹽、鉀鹽以及一些硅酸鹽礦物的子礦物，因此流體包裹體中含有堿金屬K、Na、Li離子和堿土金屬Ca、Mg離子。

石英制品在高溫下具有變成二氧化硅的晶體（方石英）的趨向，通常稱為析晶。析晶會影響石英制品的產(chǎn)品性能，而堿金屬雜質(zhì)會誘發(fā)析晶現(xiàn)象。相比于雜質(zhì)元素，流體包裹體除去難度更大，是影響最終石英產(chǎn)品質(zhì)量及應(yīng)用的關(guān)鍵性因素之一。

小結(jié)

石英理論化學(xué)組成是SiO₂，但是在自然界不存在純SiO₂石英，或多或少都包含一些雜質(zhì)元素，而雜質(zhì)含量及賦存狀態(tài)是決定石英晶體能否成為高純石英的重要制約因素，也是影響高純石用砂應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

另一方面，高純石英砂純度與原料中雜質(zhì)元素含量高低并不是簡單的對應(yīng)關(guān)系，而是與原料工藝礦物學(xué)特征所決定的雜質(zhì)可選性密切相關(guān)。對此應(yīng)加強對石英礦物學(xué)的基礎(chǔ)研究，詳細(xì)查明雜質(zhì)元素在石英晶體內(nèi)部的賦存狀態(tài)、數(shù)量和分布特征；并改進(jìn)共伴生獨立礦物分選、包裹體雜質(zhì)分離和晶格雜質(zhì)脫除加工高純石英技術(shù)，從而提升高純石英砂的純度及應(yīng)用。

參考資料：

楊曉勇等.高純石英的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢

魏奎先等.高純石英砂制備技術(shù)研究進(jìn)展

馬超等.高純石英原料礦物學(xué)特征與加工技術(shù)進(jìn)展

劉加威.石英砂焙燒－酸洗除雜工藝研究

侯清麟等.石英砂結(jié)構(gòu)組成性雜質(zhì)剔除技術(shù)現(xiàn)狀

趙動.去除微小氣液包裹體制備高純石英砂的研究

張洪武.石英礦中Al/Fe/氣液包裹體強化去除制備高純石英砂實驗研究

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）

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