石英的工业应用价值与二氧化硅纯度有何关联

石英的工业应用十分广泛，使用量和工业产值巨大，尤其是在电子信息、新材料和新能源等战略性新兴产业中得到广泛应用。与其他非金属矿相比，石英矿物原料工业应用的一个显著特点是同时存在三种形式：利用矿物晶体固有的物理和化学性质，如3D打印砂、结晶硅微粉等；提供有用化学成分，是硅酸盐材料的最基本原料；冶炼提取有用元素Si，目前是金属硅及其提纯加工产物多晶硅和单晶硅的唯一原料。

石英矿物原料工业应用的三种形式与应用实例示意图

据了解，目前我国每年各种石英矿物原料的用量1亿t左右。石英工业应用的最重要特点是，应用十分广泛，产品种类繁多，用量巨大，工业产值很大，不同品种的价格悬殊巨大，一些品种的附加值很高。随着战略新兴产业的兴起和发展，石英的工业应用大大超越传统应用范围，尤其是在电子信息、新材料和新能源等战略性新兴产业中得到广泛应用，并由于石英是硅产业的物质基础，SiO2纯度≥99.%的高纯石英和高纯球形硅微粉分别是晶圆用单晶硅生长和芯片封装所需的关键材料，因此石英已成为一种重要的战略性非金属矿产。

石英的工业应用和价值与SiO2的纯度有着密切的关系。目前，根据石英SiO2纯度及其工业应用特点，本文作者将石英及相关产品归纳为三大类：w（SiO2）99%±产品，w（SiO2）99%～99.9%产品，w（SiO2）＞99.9%产品。

石英矿物原料的SiO2纯度与价格的关系:IOTA-STD为美国尤尼明公司(UniminCorp.)生产的SiO2纯度≥99.%(4N8)的高纯石英高端产品

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w（SiO2）99%±产品

w（SiO2）99%±产品应用：主要包括各种浮法玻璃、日用玻璃（如玻璃杯、酒瓶等）、玻璃纤维、陶瓷、铸造（型砂和覆膜砂）、耐火材料、冶金等；同时还包括金属硅（工业硅）、石油压裂支撑剂和3D打印砂等新的应用领域。

特点：一般单价不高，单位质量产品的附加值不大，但其用量很大，工业产值十分可观。

玻璃：据市场调查分析资料，仅四川玻璃工业对石英砂需求为万t/a，而我国日用玻璃制品（玻璃器皿、玻璃保温容器、玻璃包装容器等）总产量已经达到万t，工业总产值已经达到多亿元。目前我国人均日用玻璃制品的消费量还不足15kg，而欧美国家的人均日用玻璃制品消费量已达50kg，说明还有很大市场潜力。

铸造：铸造用石英砂是用量最大的铸造原砂，是一种重要的造型矿物材料，广泛用于钢铁和有色金属的铸造。我国铸件总产量已连续多年位居世界首位。据统计，每生产1t合格铸件，需要1～1.3t的石英砂，全国每年消耗的新砂在万t以上。

值得一提的是，在目前国内市场上w（SiO2）99%±的石英砂产品中，根据其TFe含量有w（TFe）≦0.08%的普砂，w（TFe）≦0.05%的精砂，以及w（TFe）≦0.01%的低铁石英砂等品种。如图3最右边所示，它们所对应的价格范围相差好几倍。其中，低铁石英砂是近年来用量增长较快的品种，主要用于生产超白玻璃和五粮液水晶瓶等。超白玻璃一种透明度很高的玻璃，在光伏新能源产业和特殊装饰等方面有广泛应用。

金属硅：目前，我国金属硅的产能世界第一。石英的另一个新用途是用于硅产业所需金属硅生产。战略性新兴产业所需要的多晶硅和单晶硅就是以金属硅为原料进一步提纯加工得到的。金属硅是石英和焦炭的冶炼产品，主要成分Si含量在98%左右（近年来w（Si）99.99%的也在金属硅之列），其余杂质为铁、铝、钙等。据了解，金属硅对石英矿物原料的纯度要求并不高（w（SiO2）＞99.2%，w（TFe）＜0.5%），但对石英原料块度和高温防爆性还有一定要求。

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w（SiO2）99%～99.9%产品

w（SiO2）99%～99.9%产品应用：主要是用于电工电子和集成电路等各种二氧化硅微粉。

硅微粉：硅微粉产品系列比较复杂，应用十分广泛，除大型集成电路和芯片用硅微粉对SiO2纯度有更高要求外，其它硅微粉通常要求w（SiO2）99%～99.9%，w（TFe）＜ppm。如表1所示，根据国家标准SJ/T—和笔者研究认识，硅微粉有多种分类和品种。

由此可见，硅微粉是以二氧化硅为主要成分的粉体系列产品的总称。其特征是：（1）其形态是细小的粉体，而不是砂粒状；（2）其物相有可能是石英（如结晶硅微粉），也可能不是石英（如方石英硅微粉、熔融非晶态硅微粉、非晶态球形硅微粉、复合硅微粉等），但都是以石英矿物为原料加工制备的；（3）其化学成分以二氧化硅为主要成分，但也可含较多的其它成分（如普通硅微粉w（SiO2）≥99.40%，复合硅微粉w（SiO2）55%左右）；（4）其应用主要是作电工、电子等聚合物产品的填料。

硅微粉的一个重点应用领域是集成电路覆铜板（CCL）。集成电路产业作为信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。覆铜板作为集成电路的最主要载体，在集成电路中充当工业基础材料。目前应用于集成电路覆铜板的硅微粉主要有结晶型硅微粉、熔融型（无定型）硅微粉、球形硅微粉、复合硅微粉、活性硅微粉等五个品种。它们各有优势和缺点。我国拥有全球规模最大的集成电路产能和市场，需求将继续保持快速增长。其中，复合硅微粉作为一种复合改性的新品种，已表现出较好使用效能和市场前景。

硅微粉另一个重要的应用领域是芯片封装材料。芯片从设计到制造非常不易，芯片封装显得尤为重要。据了解，由于芯片相当小且薄，如果不在外施加保护，就很容易被刮伤损坏。由于芯片的尺寸微小，如果不用一个较大尺寸的外壳，人工难以安置在电路板上。全世界95%以上的芯片封装材料主要为环氧塑封料，其在生产过程中需大量使用具有特殊性质的超细高纯球形硅微粉作封装填料。目前，我国芯片产能在全球市场份额的占比还较少，芯片用球形硅微粉主要用户也在国外，日本的技术和产品均处于领先水平。

硅微粉加工制备技术主要包括提纯、超细、分级、球化、复合改性、表面改性等。目前，如何进一步提高提纯、超细、分级加工的性价比，如何针对集成电路覆铜板和电子电工聚合物材料特点进行有针对性地表面改性，以及如何针对应用特点进行复合改性等，还有大量工作要做，尤其是芯片封装所需的超细高纯球形硅微粉我国还处于空白。近几年来，本文作者侧重开展了集成电路覆铜板用复合硅微粉等研发工作，相关成果已进入产业化实施阶段。

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w（SiO2）＞99.9%产品

w（SiO2）＞99.9%产品应用：主要包括高纯石英及其玻璃制品等。

高纯石英：高纯石英是石英制品的原料，是硅产业高端产品的物质基础，广泛运用于光伏、电子信息、光通讯和电光源等行业，在电子信息、新材料和新能源等战略性新兴产业中具有重要地位和作用。

高纯石英（high-purityquartz）是SiO2纯度大于99.9%的石英系列产品的总称。如表2所示，其产品等级可按SiO2纯度或Al、B、Li、K、Na、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni等杂质元素总量进行划分，每个等级的高纯石英可按粒度分为不同粒度大小的品种。

高纯石英具有与硅微粉完全不同的特征：（1）其形态是具有一定粒度的砂粒状，而不是细小的粉体；（2）其产品品种相对较少，其物相%为石英晶体材料；（3）其化学成分SiO2纯度大于99.9%；（4）如表3所示，高纯石英高端产品主要用于光伏行业、电子信息行业、光通讯行业和高端电光源行业等战略性新兴产业的领域。其中，SiO2纯度≥99.%（4N8）的高纯石英高端产品不仅是一种矿物功能材料，而且是半导体、光伏、电子信息和高端电光源等生产必不可少的关键基础材料，也是我国芯片（晶圆用单晶硅）发展必需的关键材料之一，在电子信息、新材料和新能源等战略性新兴产业以及国防军工、国家安全中具有十分重要的地位和作用。

我国光伏、高端电光源和电子信息等行业对高纯石英需求很大。由于我国高纯石英技术与国际先进水平的差距依然很大，所生产的石英制品大部分为中低端产品，主要用于低端电光源等行业。高纯石英高端产品还需从国外高价进口，以满足光伏、电子信息及高端电光源等行业的生产需要；或直接进口由高纯石英高端产品制备的石英棒和石英锭，以满足高档石英玻璃制品和器件产生的品质需求。总的来看，我国是高纯石英消费大国，中低端产品自给有余，部分出口，高端产品仍然依赖进口严重。高纯石英的进口量远大于出口量，对外依存度高，近年来进口总量总体呈上升趋势。

目前，我国高纯石英技术已经取得一定进展，主要标志是初步具有4N高纯石英中端产品的批量生产能力，并基本掌握了高纯石英质量检测技术；但我国目前还没有4N8及以上高端产品生产能力，表明与国际先进水平的差距依然很大。高纯石英技术包括原料选择技术、提纯工艺技术、加工装备技术和质量检测技术等四个方面，它们是既相互独立，又相互联系和相互制约的技术整体。

发展我国高纯石英技术是一项系统工程。我们研究团队多年研究和实践证明，高端产品生产必须采用高纯石英优质原料，因为任何一种天然石英原料都存在一定杂质和提纯加工局限性；依目前的技术水平，能够提纯加工高纯石英高端产品的只是极少数，甚至是极个别。所谓高纯石英优质原料是指在一定的工艺条件下，能够提纯加工出SiO2纯度大于99.%（4N8）的高纯石英高端产品的天然石英矿物原料。我国高纯石英技术仍然落后的根本原因是，迄今为止还没有发现能够稳定满足工业生产需要的高纯石英优质原料，并在原料选择、提纯工艺和加工装备等方面存在盲目性。