高純石英的概念及其原料品級劃分

汪靈

成都理工大學(xué), 四川 成都 610059

前言

石英（SiO2）是一種架狀結(jié)構(gòu)的硅的氧化物，α-石英（低溫石英，三方晶系）和β-石英（高溫石英，六方晶系）的總稱。α-石英和β-石英的轉(zhuǎn)變溫度為573 ℃，未加說明時，常指α-石英。在礦物晶體化學(xué)分類中，石英歸屬于氧化物類、石英族。由于SiO2是硅酸鹽最重要的成分，可將石英視為硅酸鹽的端元位置，有時也被歸入硅酸鹽類架狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽亞族[1]。

SiO2在地殼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)60%～65%，由此決定了石英是一種非常重要的造巖礦物，它在地殼中的分布僅次于長石，是自然界中最常見的礦物之一。石英作為一種傳統(tǒng)的重要的工業(yè)礦物，廣泛應(yīng)用在玻璃、陶瓷、鑄造、建筑、寶玉石裝飾等傳統(tǒng)行業(yè)。20世紀(jì)60 年代以來，計算機(jī)、新材料、新能源等新興產(chǎn)業(yè)對石英原材料產(chǎn)品的純度提出更高要求，產(chǎn)生了高純石英的概念。

高純石英是石英玻璃、硅材料及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于電子信息、光伏、光通信和電光源等行業(yè)，在新材料、新能源戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中具有重要地位和作用。其中，SiO2純度≥99.998%（4N8）的高純石英高端產(chǎn)品不僅是一種新材料和礦物功能材料，而且是半導(dǎo)體、光伏、電子信息和高端電光源等生產(chǎn)必不可少的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，也是我國芯片發(fā)展（晶圓制造與芯片封裝等）不可或缺的關(guān)鍵材料之一，在電子信息、新材料和新能源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)以及國防軍工、國家安全中具有非常重要的作用和地位。目前，我國用于單晶硅生產(chǎn)的石英坩堝通常采用雙層或三層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)層砂等必需的高純石英高端產(chǎn)品仍需要高價從美國、挪威等進(jìn)口，而質(zhì)量要求略低的石英坩堝中外層砂，其礦石原料也需要從印度等國進(jìn)口解決。

光伏、半導(dǎo)體、光纖等行業(yè)下游需求的持續(xù)高景氣，帶動了石英坩堝產(chǎn)品的旺盛需求，高純石英砂供應(yīng)緊俏、價格也不斷走高。由于我國的4N8 高純石英高端產(chǎn)品一直處于被“卡脖子”狀態(tài)，高純石英引起了各界持續(xù)高度關(guān)注，成為近年來石英行業(yè)內(nèi)外的一個熱門話題。那么，什么是高純石英？高純石英原料有哪些？原料品級如何劃分？這些都是高純石英產(chǎn)業(yè)的基本概念和基本問題。關(guān)于高純石英的概念，盡管前人在相關(guān)文獻(xiàn)中有所涉及[1-5]，但仍然缺少專門的研究報道，由于認(rèn)識模糊，在業(yè)內(nèi)外產(chǎn)生一定的混亂。關(guān)于高純石英原料及其品級劃分，目前還未見較深入的研究成果報道。本研究基于作者科研團(tuán)隊已獲授權(quán)的高純石英砂提純加工專利技術(shù)以及高純石英質(zhì)量檢測分析方法[6]，對天然水晶和脈石英等典型高純石英原料進(jìn)行了較深入的研究，在高純石英的概念及其原料品級劃分方面取得了新的認(rèn)識，這對我國高純石英產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展具有重要理論和實(shí)際意義。

1 高純石英的概念

石英在自然界中分布非常廣泛，但未經(jīng)加工的天然石英難以達(dá)到高純石英的質(zhì)量要求。也就是說，高純石英（high purity quartz）是以天然石英礦為原料，經(jīng)過比較復(fù)雜的提純工藝加工獲得的SiO2純度極高的石英砂產(chǎn)品。同時，高純石英產(chǎn)品還對產(chǎn)品粒度和礦物相等都有嚴(yán)格的要求。關(guān)于高純石英的概念，應(yīng)同時具備純度、粒度、物相三個特征。

1.1 純度特征

高純石英產(chǎn)品的第一個特征，即最顯著特征是它們的SiO2純度高。實(shí)際上，石英砂的工業(yè)應(yīng)用和價格都與SiO2的純度有著密切的關(guān)系。汪靈[1]根據(jù)石英SiO2純度及其工業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)，將石英及相關(guān)產(chǎn)品歸納為三大類：w(SiO2) 99%±產(chǎn)品，w(SiO2) 99%～99.9%產(chǎn)品，w(SiO2)＞99.9%產(chǎn)品。

高純石英中，除SiO2以外的其他任何成分都是有害雜質(zhì)。雜質(zhì)含量或者SiO2純度是高純石英產(chǎn)品質(zhì)量分類的主要依據(jù)，如英國工業(yè)礦物手冊定義高純石英雜質(zhì)總含量＜50×10-6，挪威地調(diào)局提出高純石英雜質(zhì)總含量應(yīng)＜50×10-6、Al＜30×10-6、Ti＜10×10-6[5]。在三大類石英及相關(guān)產(chǎn)品中，高純石英屬于w(SiO2)＞99.9%大類產(chǎn)品，它是SiO2純度大于99.9%的石英砂系列產(chǎn)品的總稱[4]。如表1 所示，根據(jù)我國高純石英產(chǎn)品生產(chǎn)及應(yīng)用情況，按SiO2純度將高純石英產(chǎn)品劃分為4 個等級，即高端ω(SiO2) ≥99.998%（4N8），中高端ω(SiO2) ≥99.995%（4N5）， 中 端 ω(SiO2) ≥99.99%（4N）， 低 端ω(SiO2) ≥99.9%（3N）；或以產(chǎn)品中Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni 等13 種雜質(zhì)元素總量進(jìn)行劃分，即高端≤20×10-6，中高端≤50×10-6，中端≤100×10-6，低端≤1 000×10-6[1]。

表1 高純石英產(chǎn)品分類與礦石原料品質(zhì)要求Table 1 Product classification of high purity quartz and quality requirement of ore raw materials

表2 和表3 是美國尤尼明公司(Unimin Corp)IOTA 系列高純石英高端產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)，這些指標(biāo)已成為公認(rèn)的國際標(biāo)準(zhǔn)。IOTA 標(biāo)準(zhǔn)只有雜質(zhì)元素含量或SiO2純度要求，其特征是：在Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni 等13 種（表2）或15種（表3）雜質(zhì)元素中，除了Al 和Ti 含量＞1×10-6［分別為（7～16.2）×10-6和（1.1～1.4）×10-6］外，其余含量均＜1×10-6。近年來，美國尤尼明公司公布的數(shù)據(jù)增加了上述產(chǎn)品的Ti、P 和Zn 含量，其SiO2純度有一定的變化；同時，新增了IOTA-CG（坩堝級）、IOTA-STDSV 和IOTA-6-SV 等三種產(chǎn)品（表3）。目前，美國尤尼明公司IOTA 系列高純石英產(chǎn)品主要應(yīng)用于半導(dǎo)體級熔融石英坩堝、單晶硅生長用石英坩堝和石英照明設(shè)備等高技術(shù)領(lǐng)域。

需要說明的是，在高純石英的各種工業(yè)應(yīng)用中，氣液包裹體是危害較大的雜質(zhì)。盡管美國高純石英質(zhì)量指標(biāo)中沒有對氣液包裹體提出明確要求，但作者科研團(tuán)隊大量的樣品檢測結(jié)果表明，如果能夠達(dá)到表2和表3 的雜質(zhì)元素含量或SiO2純度要求，樣品中的氣液包裹體也必然是很少的。也就是說，雜質(zhì)元素含量指標(biāo)中已包含了對氣液包裹體的要求。

目前，高純石英SiO2的純度檢測方法主要采用ICP-OES[6]。其實(shí)，它是一種間接法，即根據(jù)高純石英的國際標(biāo)準(zhǔn)，先檢測出樣品Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni 等13 種（表2）或15 種（表3）痕量雜質(zhì)元素含量，SiO2的純度或含量是通過減去這13 種或15 種痕量雜質(zhì)元素的總量后得到的差值。需要特別指出的是，對于高純石英這類特殊產(chǎn)品來說，這13 種或15 種雜質(zhì)元素對產(chǎn)品質(zhì)量都有直接的不利影響。因此，對于高純石英的SiO2純度一定是這13種或15 種雜質(zhì)元素全部都檢測后得到的純度，在檢測內(nèi)容上不能有人為取舍。否則，其檢測結(jié)果對研究與應(yīng)用都不具有參考價值。

表2 美國尤尼明公司（Unimin Corp） IOTA 系列高純石英高端產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo) /10-6 Table 2 Quality indicators of high grade high purity quartz of USA Unimin Corp's IOTA series products

表3 美國尤尼明（Unimin Corp）IOTA 高純石英系列產(chǎn)品（2019）的化學(xué)成分 /10-6 Table 3 Quality indicators of high grade high purity quartz of Unimin Corp's IOTA series products（2019）

需要說明的是，汪靈[4]曾按SiO2純度將高純石英產(chǎn)品劃分為3 等級，即高端ω(SiO2) ≥99.998%（4N8），中端ω(SiO2) ≥99.99%（4N）， 低 端ω(SiO2) ≥99.9%（3N）。后來，汪靈[1]又增加了一個等級，即中高端ω(SiO2) ≥99.995%（4N5）。這是對高純石英產(chǎn)品的一個新認(rèn)識，也是對產(chǎn)品品級劃分的進(jìn)一步完善。其主要原因是，脈石英是目前我國加工高純石英的主要原料，有的可用作加工4N5 高純石英產(chǎn)品的原料。更重要的是，4N5 產(chǎn)品不僅用于石英玻璃拉管材料的制備，而且在芯片封裝用球形硅微粉方面大有作為。因?yàn)椋M管球形硅微粉最終產(chǎn)品的SiO2純度在3N 左右，但這是最終產(chǎn)品，其制備有超細(xì)、分級、球化、分級等若干道工序，或多或少會產(chǎn)生一些新的雜質(zhì)。所以，若要保證最終的產(chǎn)品在3N 左右，原料沒有4N5 以上是很難做到的，因?yàn)槲廴臼遣豢杀苊獾摹?/p>

1.2 粒度特征

高純石英產(chǎn)品第二個重要特征是它們的粒度要求，即加工的產(chǎn)品是砂，是具有一定粒度組成的產(chǎn)品（圖1）。粒度作為高純石英一個重要指標(biāo)，其粒度范圍一般是40～150 目，具體粒度應(yīng)根據(jù)工業(yè)應(yīng)用確定。如表4 所示，采用真空氣氛下電熔工藝制備石英玻璃，粒度要求40～80 目；提拉法制備單晶硅的石英坩堝，粒度要求80～140 目；以氫氣與氧氣為能源的氣煉工藝制備石英玻璃，粒度要求100～200 目。

表4 高純石英砂產(chǎn)品主要粒度范圍與工業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)Table 4 Main particle size range and industrial application characteristics of high purity quartz products

圖1 美國和挪威高純石英砂的體視鏡照片F(xiàn)ig. 1 Stereomicroscopic images of high purity quartz sand from USA and Norway

顯然，高純石英的主要工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品并不是“超細(xì)粉”，更不是“納米”顆粒。即使是用作加工包括球形硅微粉在內(nèi)的各種超細(xì)的硅微粉原料，也是先提純加工成具有一定粒度組成的石英砂，然后進(jìn)行超細(xì)粉碎和分級加工。

1.3 物相特征

高純石英產(chǎn)品第三個重要特征是它們的物相為晶相，即石英礦物晶體。圖2 是美國和挪威高純石英砂的X-射線粉晶衍射分析（XRD）譜圖，可以看出：它們都是結(jié)晶度非常高的石英單礦物晶體。其主要原因是，所有高純石英原料均來源于天然石英礦，而且實(shí)踐表明，石英的密度、硬度和表面平整度等物化性質(zhì)以及由此決定的產(chǎn)品使用效能更適合以上工業(yè)應(yīng)用。

圖2 美國和挪威高純石英砂的X-射線粉晶衍射分析（XRD）譜圖Fig. 2 XRD patterns of high purity quartz from USA and Norway

鑒于高純石英高端產(chǎn)品的制備難度，有人提出采用其他方法制備非晶態(tài)SiO2粉體進(jìn)行替代的技術(shù)路線[8]。事實(shí)是，即使SiO2粉體的純度能達(dá)標(biāo)，但其粒度、密度和硬度等也難以達(dá)到與高純石英及其加工產(chǎn)品（如球形硅微粉）一致的質(zhì)量要求，因而并不具有高純石英及其加工產(chǎn)品相應(yīng)的使用效能（如流動性和機(jī)械強(qiáng)度等）。

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式（1）和（2），可采用人工合成方式制備純度更高的石英玻璃[9]。目前，這類石英玻璃大量用于光纖制造等。除此之外，在高純石英用量更大的其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中（如石英坩堝），人工合成石英玻璃不僅沒有價格優(yōu)勢，而且由于采用SiCl4為原料和/或氫氣為燃料，在制備工藝中會產(chǎn)生羥基等雜質(zhì)，限制了它在一些領(lǐng)域的應(yīng)用。

因此，從粒度特征、物相特征和使用效能上講，人工合成的非晶態(tài)SiO2粉體和石英玻璃都不屬于高純石英。

2 高純石英原料

地殼中SiO2主要以石英等礦物的形式存在，石英在地殼中分布是僅次于長石的礦物，占到地殼質(zhì)量的12.6%。石英的成因多種多樣，但其礦床工業(yè)類型有天然水晶、石英砂巖、石英巖、粉石英、脈石英、天然石英砂和花崗偉晶巖石英等7 種。目前，能夠用作高純石英原料的礦床工業(yè)類型只有其中的天然水晶、脈石英和花崗偉晶巖石英等3 種[4]。

2.1 天然水晶

高純石英最初是以一、二級天然水晶為原料，再經(jīng)精選提純加工而成。天然水晶成因的特殊性決定了它存在兩個先天不足：一是儲量小，開采條件差，資源匱乏，價格昂貴，難以滿足大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的需要；二是受到形成環(huán)境變化的影響，礦物晶體化學(xué)成分不穩(wěn)定，在大批量的工業(yè)應(yīng)用中導(dǎo)致原料化學(xué)成分波動較大，原料標(biāo)準(zhǔn)化困難，難以滿足大批量、穩(wěn)定化高純石英高端產(chǎn)品生產(chǎn)的需要。目前，由于天然水晶的色彩豐富、晶瑩剔透、美麗純正、寓意美好，主要用作水晶工藝品原料。同時，質(zhì)地純凈的天然水晶仍然用作生產(chǎn)光學(xué)水晶材料（石英晶體旋光料、雙折射濾波器）和壓電水晶材料的原料。

2.2 脈石英

脈石英是指地質(zhì)產(chǎn)狀呈脈狀產(chǎn)出的石英礦產(chǎn)資源的總稱。它是以SiO2純度高為特色的一種石英礦床工業(yè)類型。長期以來，我國脈石英的工業(yè)價值一直未引起人們的重視，其主要原因是：與使用量很大的玻璃、陶瓷和鑄造型砂等原料相比，由于脈石英儲量一般相對較小，開采成本較高，難以作為這些傳統(tǒng)用途的工業(yè)礦物加以利用。21 世紀(jì)以來，由于石英在電子信息、新材料和新能源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，尤其是高純石英在集成電路和芯片制造中的關(guān)鍵作用，使人們開始重新審視和評價脈石英的工業(yè)價值[1]。

我國脈石英礦產(chǎn)資源分布廣泛[10-12]，其礦床主要特點(diǎn)是：（1）脈石英礦產(chǎn)資源優(yōu)勢明顯，但由于成因主要與花崗巖巖漿熱液作用有關(guān)，其礦床規(guī)模一般不大，通常為中小型礦床。（2）與其他石英礦床工業(yè)類型相比，脈石英開采難度相對較大，開采成本較高。其主要原因是脈石英礦體呈不規(guī)則脈狀，地質(zhì)產(chǎn)狀較陡，厚度一般幾米至幾十米，長度一般為十幾米至幾百米，一個礦區(qū)可由一條礦脈或由多條礦脈組成。（3）脈石英礦物成分單一，幾乎全部為石英，但礦石中普遍存在氣液包裹體、礦物包裹體和類質(zhì)同象等多種雜質(zhì)，而且尺寸＜10 μm 的氣液包裹體的提純工藝難度極大。（4）盡管天然脈石英的w(SiO2)通常＞3N。但根據(jù)石英高端產(chǎn)品質(zhì)量要求，以提純可選性指標(biāo)進(jìn)行評價，不同產(chǎn)地、不同礦區(qū)的脈石英在SiO2純度上存在很大差別。

高純石英是目前脈石英最具吸引力的應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)國際成功案例和我國研究實(shí)踐[4]，脈石英是加工高純石英的理想原料之一，其工業(yè)價值和應(yīng)用優(yōu)勢是：（1）高純石英的附加值高，絕對用量少，過去按傳統(tǒng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，是小礦；而今，按新用途標(biāo)準(zhǔn)，則是大礦。（2）與石英巖和石英砂巖相比，脈石英幾乎都由石英組成，SiO2純度一般都在3N 及以上，其他雜質(zhì)含量相對較少，有利于高純石英的提純加工。（3）與天然水晶相比，同一礦區(qū)的脈石英礦石質(zhì)量相對比較穩(wěn)定，為礦物原料均一化加工創(chuàng)造了條件。

2.3 花崗偉晶巖石英

花崗偉晶巖石英，又叫花崗巖石英或偉晶巖型石英。日本于20 世紀(jì)90 年代，采用細(xì)粒偉晶巖為原料加工透明的高純石英[13-14]。美國PPCC 公司于20 世紀(jì)80 年代，采用英國西北海岸Foxdale 地區(qū)花崗巖加工4N 高純石英，作為西歐石英玻璃的原料。

美國尤尼明公司（Unimin Corp）和挪威石英公司（The Quartz Corp）生產(chǎn)的高純石英高端系列產(chǎn)品能獲得國際壟斷地位的根本原因是，擁有世界上迄今為止唯一發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特的高純石英優(yōu)質(zhì)原料-花崗偉晶巖石英。該原料為產(chǎn)自美國北卡羅來納州Spruce Pine 地區(qū)的花崗偉晶巖（曾稱為白崗巖）[7]，該特殊類型石英礦床的發(fā)現(xiàn)頗具傳奇性：20 世紀(jì)初，該地區(qū)主要的礦物資源目標(biāo)是偉晶巖質(zhì)的長石類和云母類礦物，因?yàn)榫Я４执?，可以直接通過人工手選的方式進(jìn)行選礦[15]。起初，花崗偉晶巖中的石英并未很好利用，作為長石浮選和高嶺土回收的尾料，每月產(chǎn)出數(shù)千噸的晶體石英砂。一些石英砂被加工后賣給附近的陶瓷工廠用作普通陶瓷原料，而大部分和石榴子石、黑云母以及其他長石、高嶺石中的雜質(zhì)礦物一樣被丟棄掉。20 世紀(jì)70 年代，由于石英玻璃原料-天然水晶的日漸枯竭，尋找可替代水晶的天然石英成為當(dāng)時許多國家亟需攻克的目標(biāo)。在此背景下，美國尤尼明公司采用經(jīng)過改進(jìn)的浮選技術(shù)，利用Spruce Pine 地區(qū)花崗偉晶巖中的石英替代了天然水晶，生產(chǎn)出了高純石英砂[1,16]。

目前，偉晶巖型石英已引起國內(nèi)的關(guān)注，并在新疆阿爾泰[17]、北秦嶺[18]等地區(qū)的找礦方面取得初步進(jìn)展。在開發(fā)利用方面，李育彪等[19]以北秦嶺偉晶巖石英為原料，采用破碎、篩分、浮選、高溫焙燒、水淬和熱壓酸浸等方法，制備出4N 高純石英砂；王安書等[20]以河南某地花崗偉晶巖為原料，采用粗碎、煅燒水淬、細(xì)碎、磁選、浮選和酸浸等方法，制備出4N5 高純石英砂（只檢測了Al、Fe、K、Ti、Ca、Mg 等6 種元素）。

需要指出的是，我國并不缺少中低端高純石英生產(chǎn)的原料，極為稀缺的是能夠加工4N8 高純石英高端產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)原料。根據(jù)本文作者研究結(jié)果，盡管天然水晶和脈石英可作為加工高純石英的原料，但是能夠提純加工4N8 高純石英高端產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)原料也只是其中的極個別。據(jù)此可以推斷，能夠成為4N8 高純石英高端產(chǎn)品的花崗偉晶巖石英優(yōu)質(zhì)原料，也應(yīng)當(dāng)是眾多礦床或礦點(diǎn)中的極個別。

3 高純石英原料提純加工試驗(yàn)與品級劃分

石英原料品級劃分是高純石英找礦、評價和遴選的重要依據(jù)，對于正確認(rèn)識石英礦產(chǎn)資源價值和高效開發(fā)利用都具有十分重要的理論和實(shí)際意義?？梢哉f，一個石英礦在開發(fā)利用前，如果能夠事先知道可加工什么品級的石英原材料產(chǎn)品，對每一個石英礦或企業(yè)來說都是十分重要和關(guān)鍵的。為了給高純石英原料的品級劃分提供科研依據(jù)，作者科研團(tuán)隊開展了天然水晶和脈石英高純石英原料的提純加工試驗(yàn)研究。

3.1 天然水晶提純加工試驗(yàn)

如上所述，天然水晶是最早采用的高純石英原料，盡管現(xiàn)在已被脈石英和花崗偉晶巖石英所替代，但天然水晶提純效果試驗(yàn)結(jié)果，仍然可為高純石英優(yōu)質(zhì)原料的識別、評價和選擇提供借鑒。提純加工試驗(yàn)的研究對象是采自我國不同產(chǎn)地的18 件天然水晶典型樣品，表5 是這些天然水晶提純前后的SiO2含量和13 種微量元素雜質(zhì)總量的ICP-OES 檢測結(jié)果，可以看出：

表5 我國天然水晶典型樣品提純前后的SiO2 含量(wB/%)和雜質(zhì)元素總量(×10-6)的ICP-OES 檢測結(jié)果Table 5 ICP-OES detection results of SiO2 contents (wB/%) and total amounts of 13 trace element impurities (×10-6) of natural quartz crystals from China before and after purification

（1）提純前，我國天然水晶的SiO2含量在99.9%以上，具體地說，優(yōu)質(zhì)、上等、中等和下等天然水晶，其平均SiO2含量分別為99.976 01%、99.971 01%、99.979 50%和99.954 37%。由此可見，不同品質(zhì)水晶原礦的化學(xué)成分差別并不明顯，而且有的上等或優(yōu)質(zhì)原料樣品的ω(SiO2)并不一定都是最高的。

（2）提純后，試驗(yàn)樣品出現(xiàn)了明顯分化，可根據(jù)提純加工效果和高純石英系列產(chǎn)品的等級，將我國天然水晶原料分為4 個品級：A 級礦（優(yōu)質(zhì)礦或優(yōu)質(zhì)原料），提純后SiO2平均含量為99.998 51%；B 級礦（上等礦或上等原料），提純后SiO2平均含量99.996 51%；C 級礦（中等礦或中等原料），提純后SiO2平均含量為99.992 96%；D 級礦（下等礦或下等原料），提純后SiO2平均含量99.992 64%。

3.2 脈石英提純加工試驗(yàn)

如上所述，我國脈石英礦產(chǎn)資源分布廣泛，也是我國目前高純石英生產(chǎn)的主要原料。為此，對采自我國不同產(chǎn)地的礦床或礦點(diǎn)的100 多件脈石英樣品開展了提純加工試驗(yàn)研究。表6 是我國脈石英20 件典型樣品提純前后的SiO2含量和13 種微量元素雜質(zhì)總量的ICP-OES 檢測結(jié)果，可以看出：

表6 我國脈石英20 件典型樣品提純前后的SiO2 含量(wB/%)和雜質(zhì)元素總量(×10-6) 的ICP-OES 檢測結(jié)果Table 6 ICP-OES detection results of SiO2 contents (wB/%) and total amounts of 13 trace element impurities (×10-6) of 20 vein quartz samples from China before and after purification

（1）提純前，我國脈石英原礦的ω(SiO2)含量通常都在99.9%以上，其中優(yōu)質(zhì)、上等、中等和下等脈石英原礦的ω(SiO2)平均含量分別為99.984 44%、99.968 71%、99.957 22%、99.895 63%。由此可見，不同品質(zhì)脈石英原礦的化學(xué)成分差別并不明顯，而且優(yōu)質(zhì)脈石英原礦的ω(SiO2)并不一定都是最高的。

（2）提純后，試驗(yàn)樣品出現(xiàn)了明顯分化，可根據(jù)提純效果和高純石英產(chǎn)品等級，將我國脈石英原料分為4 個品級：A 級礦（優(yōu)質(zhì)礦或優(yōu)質(zhì)原料），提純后SiO2平均含量為99.998 56%；B 級礦（上等礦或上等原料），提純后SiO2平均含量為99.996 64%；C 級礦（中等礦或中等原料），提純后SiO2平均含量為99.993 32%；D級礦（下等礦或下等原料），提純后SiO2平均含量為99.985 27%。

3.3 高純石英原料品級劃分

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，不同產(chǎn)地的天然水晶和脈石英高純石英原料，它們在提純前的差異并不明顯，ω(SiO2)含量通常都在99.9%以上。因此，不能簡單地根據(jù)原礦的化學(xué)成分判斷高純石英原料品質(zhì)的好壞，只有在通過一定雜質(zhì)提純工藝試驗(yàn)，方能得到正確結(jié)論。提純后，它們均出現(xiàn)了明顯分化，均可根據(jù)提純效果和高純石英產(chǎn)品等級，將高純石英原料劃分出優(yōu)質(zhì)、上等、中等和下等4 個品級。顯然，這些結(jié)果為高純石英原料品級劃分提供了試驗(yàn)依據(jù)。

如表1 所示，根據(jù)天然水晶和脈石英高純石英原料的提純加工試驗(yàn)結(jié)果，可將高純石英原料劃分為與高純石英砂系列產(chǎn)品等級相對應(yīng)的4 個品級：A 級礦（優(yōu)質(zhì)礦或優(yōu)質(zhì)原料），可用于提純加工ω(SiO2) ≥99.998%（4N8）的高端高純石英砂產(chǎn)品；B 級礦（上等礦或上等原料），可用于提純加工ω(SiO2) ≥99.995%（4N5）的中高端高純石英砂產(chǎn)品；C 級礦（中等礦或中等原料），可用于提純加工ω(SiO2) ≥99.99%（4N）的中端高純石英砂產(chǎn)品；D 級礦（下等礦或下等原料），可用于提純加工ω(SiO2) ≥99.9%（3N）的低端高純石英砂產(chǎn)品。

盡管目前還缺少不同產(chǎn)地多個花崗偉晶巖石英樣品提純前后試驗(yàn)對比數(shù)據(jù)，但根據(jù)已有的初步研究[17,19-20]，該類型的高純石英原料也應(yīng)當(dāng)具有與天然水晶和脈石英相同或相似的結(jié)果，即仍然存在A 級礦、B 級礦、C 級礦和D 級礦4 個品級。

高純石英技術(shù)包括原料選擇技術(shù)、提純工藝技術(shù)、加工裝備技術(shù)和質(zhì)量檢測技術(shù)等四個方面，它們是既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系和相互制約的技術(shù)整體，其中以高純石英原料的識別、評價與選擇技術(shù)最為關(guān)鍵[1,3]。實(shí)踐證明，高純石英高端產(chǎn)品生產(chǎn)必須采用優(yōu)質(zhì)原料。我國4N8 高純石英高端產(chǎn)品未能國產(chǎn)化的根本原因是，迄今為止還沒有找到能夠穩(wěn)定滿足工業(yè)生產(chǎn)需要的高純石英優(yōu)質(zhì)原料。我們應(yīng)當(dāng)努力的方向是，發(fā)現(xiàn)能夠穩(wěn)定滿足工業(yè)生產(chǎn)需要的高純石英優(yōu)質(zhì)原料（A級礦），這是解決我國4N8 高純石英高端產(chǎn)品“卡脖子”問題的關(guān)鍵所在。

4 結(jié)論

（1）高純石英是SiO2純度大于99.9%（3N）的石英砂系列產(chǎn)品的總稱，其本質(zhì)是以天然石英礦為原料經(jīng)提純加工獲得的具有極高SiO2純度且具有一定粒度組成范圍的石英晶體原材料，其概念應(yīng)同時具備純度、粒度和礦物相等三個特征。

（2）根據(jù)我國高純石英產(chǎn)品生產(chǎn)及應(yīng)用情況，進(jìn)一步完善了高純石英產(chǎn)品品級劃分，即將以前的高端、中端和低端3 個等級，細(xì)化為按SiO2純度將高純石英產(chǎn)品分為4 個等級：高端ω(SiO2) ≥99.998%（4N8），中高端ω(SiO2) ≥99.995%（4N5），中端ω(SiO2) ≥99.99%（4N）， 低 端ω(SiO2) ≥99.9%（3N）。 其 中ω(SiO2)≥99.998%（4N8）的高純石英高端產(chǎn)品是一種關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、新材料和礦物功能材料，目前我國仍需要高價從美國、挪威等國家進(jìn)口。

（3）能夠用作高純石英原料的石英礦床工業(yè)類型有天然水晶、脈石英和花崗偉晶巖石英3 種，其中脈石英是我國目前高純石英生產(chǎn)的主要原料。

（4）根據(jù)天然水晶和脈石英樣品的提純加工試驗(yàn)結(jié)果，將高純石英原料劃分為與高純石英砂系列產(chǎn)品等級相對應(yīng)的4 個等級：4N8 高端產(chǎn)品生產(chǎn)的A 級礦（優(yōu)質(zhì)礦或優(yōu)質(zhì)原料），4N5 中高端產(chǎn)品生產(chǎn)的B 級礦（上等礦或上等原料），4N 中端產(chǎn)品生產(chǎn)的C 級礦（中等礦或中等原料），3N 低端產(chǎn)品生產(chǎn)的D 級礦（下等礦或下等原料）。解決我國4N8 高純石英高端產(chǎn)品“卡脖子”問題的關(guān)鍵是，發(fā)現(xiàn)能夠穩(wěn)定滿足工業(yè)生產(chǎn)需要的高純石英優(yōu)質(zhì)原料（A 級礦），這正是我們應(yīng)當(dāng)努力的方向。

致謝博士研究生王哲皓以及碩士研究生殷彥彬、吳俊、滕偉峰、黃俊和楊啟瑞等同學(xué)參加了天然水晶、脈石英的提純加工試驗(yàn)工作，在此一并表示感謝。