（本文發(fā)表于2024年第3期）

第一作者簡(jiǎn)介汪靈，二級(jí)教授，博士生導(dǎo)師，四川省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人，享受?chē)?guó)務(wù)院政府特殊津貼專家，《礦物學(xué)報(bào)》《巖石礦物學(xué)雜志》等期刊編委。出版有迄今為止國(guó)內(nèi)外第一本關(guān)于礦物的材料屬性與應(yīng)用的基礎(chǔ)性、實(shí)用性和系統(tǒng)性理論著作《礦物材料學(xué)原理》，該書(shū)被譽(yù)為礦物材料學(xué)的奠基之作；在重慶市城口縣發(fā)現(xiàn)超大型陶粒頁(yè)巖礦，探明資源量的潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值超200億元；主持建成我國(guó)首條全自動(dòng)4N8高純石英砂高端產(chǎn)品生產(chǎn)線，該專利產(chǎn)業(yè)化成果獲評(píng)2022年度四川省高校院所知識(shí)產(chǎn)權(quán)市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)典型案例。

石英，作為一種傳統(tǒng)的重要工業(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)80年代以來(lái)，石英的工業(yè)應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大到石油壓裂支撐劑和3D打印砂等新領(lǐng)域，尤其是計(jì)算機(jī)、新材料、新能源等新興產(chǎn)業(yè)對(duì)石英原材料產(chǎn)品的純度提出更高要求，發(fā)展出“高純石英”這一概念。

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)，廣泛用于電子信息、光伏、光通信和電光源等行業(yè)。高純石英作為一種關(guān)鍵基礎(chǔ)材料和新材料，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和安全等方面的地位和作用都十分重要，引起各界持續(xù)高度關(guān)注，成為社會(huì)大眾關(guān)切的熱門(mén)話題，加之二氧化硅純度達(dá)99.998%（4N8）的高純石英高端產(chǎn)品仍然處于被“卡脖子”狀態(tài)，高純石英成為我國(guó)近年來(lái)科技研究的熱點(diǎn)課題，吸引了眾多企業(yè)家、投資者的熱切目光。

何為高純石英

高純石英（high-purity quartz），又稱高純石英砂。它是二氧化硅純度大于99.9%（3N）的石英砂系列產(chǎn)品總稱，其本質(zhì)是一種石英晶體原材料，它以天然石英礦為原料，經(jīng)提純加工而獲得，具有極高二氧化硅純度及一定粒度。

根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)和工業(yè)應(yīng)用情況，以及科研工作的需要，按二氧化硅純度或鋁、硼、鋰、鈉、鉀、鈣、鎂、鈦、鐵、錳、銅、鉻、鎳等13種或15種（增加磷和鋅）痕量雜質(zhì)元素總量，可將高純石英分為高端、中高端、中端和低端4個(gè)等級(jí)。

> 高純石英產(chǎn)品的二氧化硅純度分類及其礦石原料品質(zhì)要求

在我國(guó)實(shí)際生產(chǎn)中，高純石英砂通常按用途分為拉管料、打砣料和坩堝料三大類系列產(chǎn)品，并根據(jù)二氧化硅純度或13種痕量雜質(zhì)元素總量等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)一步分為不同等級(jí)。其中，拉管料、打砣料可分為一級(jí)品、二級(jí)品和三級(jí)品3個(gè)等級(jí)，分別相當(dāng)于高純石英高端、中高端和中端產(chǎn)品，其主要技術(shù)指標(biāo)通常要求二氧化硅純度（或雜質(zhì)元素總量）分別為純度99.997%（總雜質(zhì)≤30×10-6）、純度99.995%（總雜質(zhì)≤50×10-6）、純度99.993%（總雜質(zhì)≤70×10-6）。

拉管料是指用于熔煉拉制各種石英玻璃管的高純石英砂。石英玻璃管根據(jù)尺寸大小和二氧化硅純度不同，有多種產(chǎn)品規(guī)格，如大管和小管，所對(duì)應(yīng)的石英砂分別稱為大管料和小管料。石英玻璃管具有熔點(diǎn)高、抗熱震性能優(yōu)異和易于擴(kuò)縮加工等優(yōu)勢(shì)，主要用于芯片和光伏半導(dǎo)體硅片加工處理的擴(kuò)散爐管等，在航天航空、武器裝備領(lǐng)域用來(lái)制作整流罩、雷達(dá)罩、隔熱罩、透波材料及耐高溫材料等，還用于制造鹵素?zé)舻雀鞣N光電源器件，以及高純石英提純加工，等等。

打砣料是指用于真空電熔法和氫氧氣煉法生產(chǎn)石英砣的高純石英砂。石英砣是呈圓砣狀的透明石英玻璃原材料，具有透明度高、氣泡少、膨脹系數(shù) 低、 抗 熱 震 性 能 優(yōu) 異和可加工性等優(yōu)勢(shì)，主要用于生產(chǎn)半導(dǎo)體石英玻璃制品，包括石英舟、石英法蘭和石英鐘罩等產(chǎn)品，以及各種光學(xué)石英玻璃制品，等等。

坩堝料是指用于制備石英坩堝的高純石英砂。石英坩堝是具有不同尺寸大小的圓堝狀石英玻璃制品，具有氣泡極少（內(nèi)層）、二氧化硅純度極高和熔點(diǎn)高等優(yōu)勢(shì)，用于直拉法拉制芯片和光伏產(chǎn)業(yè)必需的單晶硅棒。由于單晶硅棒生長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)、工藝條件苛刻，對(duì)坩堝料技術(shù)指標(biāo)提出了極高要求，除要求氣液包裹體極少外，還要求二氧化硅純度≥99.998%（4N8），對(duì)其他雜質(zhì)的分項(xiàng)指標(biāo)也有嚴(yán)格的要求，即鋁為8×10-6~15×10-6，鈦≤2×10-6，其他雜質(zhì)均＜1×10-6。

需要說(shuō)明的是，除上述三大類用途外，高純石英砂還有許多重要用途，如用于生產(chǎn)石英玻璃纖維、石英玻璃實(shí)驗(yàn)器皿、石英玻璃耐火材料，以及包括芯片封裝用的球形硅微粉在內(nèi)的各種硅微粉，等等。在這些應(yīng)用中，高純石英的低端產(chǎn)品也大有用武之地，如制造耐火材料，等等。

> 高純石英砂用途分類示意圖

高純石英用何原料生產(chǎn)

根據(jù)石英的提純定律和提純加工效果，可將高純石英原料劃分為與高純石英砂系列產(chǎn)品等級(jí)相對(duì)應(yīng)的4個(gè)品級(jí)，即：A 級(jí)礦，又稱優(yōu)質(zhì)礦或優(yōu)質(zhì)原料，可用于提純加工二氧化硅純度≥99.998%（4N8）的高端高純石英砂產(chǎn)品；B級(jí)礦，又稱上等礦或上等原料，可用于提純加工二氧化硅純度≥99.995%（4N5）的中高端高純石英砂產(chǎn)品；C級(jí)礦，又稱中等礦或中等原料，可用于提純加工二氧化硅純度≥99.99%（4N）的中端高純石英砂產(chǎn)品；D級(jí)礦，又稱下等礦或下等原料，可用于提純加工二氧化硅純度≥99.9%（3N）的低端高純石英砂產(chǎn)品。

目前，在石英的7種礦床工業(yè)類型中，能夠加工高純石英的原料有天然水晶、脈石英和花崗偉晶巖石英3種，其中脈石英是我國(guó)目前高純石英生產(chǎn)的主要原料。另外，根據(jù)最新研究結(jié)果（ 汪靈，2022），有的石英巖也具有加工高純石英甚至4N8高純石英高端產(chǎn)品的潛力。

> 大型天然水晶晶簇

天然水晶通常指具有一定尺寸大小的天然石英單晶體或石英晶簇。高純石英最初是以一、二級(jí)天然水晶為原料，再經(jīng)精選提純加工而成。天然水晶由于受自身特點(diǎn)限制，如礦床規(guī)模小、儲(chǔ)量少、生長(zhǎng)條件比較苛刻等，已不再適合用作高純石英原料，現(xiàn)主要作為水晶工藝品原料。同時(shí)，質(zhì)純凈的天然水晶仍然用于生產(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。我國(guó)天然水晶資源分布廣泛，幾乎每個(gè)省區(qū)都有產(chǎn)出，以江蘇東海最為著名。

> 我國(guó)脈石英高純石英優(yōu)質(zhì)原料或A級(jí)礦（左）和安哥拉脈石英加工的石英球（右）

成都自然博物館（成都理工大學(xué)博物館）/ 藏

脈石英目前我國(guó)的石英坩堝中外層砂主要采用印度等國(guó)進(jìn)口的脈石英來(lái)加工。根據(jù)國(guó)際成功案例和我國(guó)研究實(shí)踐（汪靈，2022），脈石英是加工高純石英的理想原料之一，其工業(yè)價(jià)值和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于：第一，高純石英的附加值高，絕對(duì)用量少，往日按傳統(tǒng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)屬于小礦，而今按新用途標(biāo)準(zhǔn)則為大礦；第二，與石英巖和石英砂巖相比，脈石英幾乎都由石英組成，二氧化硅純度一般都在99.9% 及以上，其他雜質(zhì)含量相對(duì)較少，有利于高純石英的提純加工；第三，與天然水晶相比，同一礦區(qū)的脈石英礦石質(zhì)量相對(duì)比較穩(wěn)定，為礦物原料均一化加工創(chuàng)造了條件。

我國(guó)的脈石英礦產(chǎn)資源分布廣泛，資源優(yōu)勢(shì)明顯。目前，我國(guó)脈石英以中、小型礦床為主，礦床成因類型主要為巖漿熱液型、變質(zhì)熱液型和偉晶巖型，主要分布在四川、新疆、河南、湖北、陜西、云南、廣西、江西和安徽等地。

> 美國(guó)北卡羅來(lái)納州斯普魯斯派恩地區(qū)花崗偉晶巖石英，系美國(guó)和挪威4N8高純石英高端產(chǎn)品的生產(chǎn)原料

花崗偉晶巖石英美國(guó)尤尼明（現(xiàn)為矽比科）公司IOTA高純石英系列產(chǎn)品能獲得國(guó)際壟斷地位的根本原因，在于其擁有世界上迄今為止唯一發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特高純石英優(yōu)質(zhì)原料——花崗偉晶巖石英。該原料為產(chǎn)自美國(guó)北卡羅來(lái)納州斯普魯斯派恩地區(qū)的花崗偉晶巖（曾稱為白崗巖），其礦床規(guī)模較大，石英的雜質(zhì)少，是美國(guó)和挪威4N8高純石英高端產(chǎn)品的生產(chǎn)原料，其產(chǎn)品因質(zhì)量?jī)?yōu)異和穩(wěn)定性高而成為高純石英高端產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，壟斷了全球石英坩堝內(nèi)層砂和半導(dǎo)體級(jí)高純石英市場(chǎng)。

目前，我國(guó)高度重視花崗偉晶巖石英，并在新疆阿爾泰、北秦嶺等地區(qū)的找礦方面取得初步進(jìn)展。在開(kāi)發(fā)利用方面，李育彪等（2020）以北秦嶺花崗偉晶巖石英為原料，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(shū)等（2022）和張海啟等（2022）以河南盧氏等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。

需要特別注意的是，花崗偉晶巖石英并不是優(yōu)質(zhì)原料代名詞，在眾多花崗偉晶巖石英礦床或礦點(diǎn)中只有少數(shù)甚至個(gè)別礦屬于高純石英優(yōu)質(zhì)原料（A級(jí)礦）。因此，要實(shí)現(xiàn)偉晶巖型高純石英優(yōu)質(zhì)原料找礦和應(yīng)用的突破，還有大量工作要做。

4N8高純石英

為何至關(guān)重要

如果將高純石英比作石英原材料行業(yè)中的“ 皇冠”，那么，二氧化硅純度≥99.998%（4N8）的高純石英高端產(chǎn)品則是皇冠上那顆最耀眼的明珠。因?yàn)楦呒兪⒏叨水a(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，更是我國(guó)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。因此，高純石英，尤其是4N8高端產(chǎn)品在國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、未來(lái)產(chǎn)業(yè)、國(guó)防軍工和國(guó)家安全等方面都具有十分重要的地位和作用。

在直拉法拉制單晶硅棒的生產(chǎn)過(guò)程中，以4N8高純石英砂為原料制備的石英坩堝是必不可少且一次性使用的耗材，對(duì)單晶硅棒的產(chǎn)量、質(zhì)量、成本和生產(chǎn)安全都有重要影響。芯片和光伏等行業(yè)的高速發(fā)展和國(guó)家重大需求，帶動(dòng)了4N8高純石英產(chǎn)品的旺盛需求，近年來(lái)，它供應(yīng)緊俏，價(jià)格也不斷走高。目前，為了降低生產(chǎn)成本，我國(guó)用于生產(chǎn)單晶硅棒的石英坩堝通常采用三層結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)層砂仍需高價(jià)從美國(guó)、挪威等國(guó)進(jìn)口，而質(zhì)量要求略低的中外層砂，其礦石原料也需要從印度等國(guó)進(jìn)口。實(shí)際上，用于拉管料和打砣料一級(jí)品生產(chǎn)的石英礦原料也需要從國(guó)外進(jìn)口。由此可見(jiàn)，我國(guó)高純石英高端產(chǎn)品、甚至中高端產(chǎn)品，要么產(chǎn)品進(jìn)口，要么礦石進(jìn)口，仍然處于被處處掣肘的狀態(tài)。

> 高純石英在芯片發(fā)展（晶圓制造）中的重要應(yīng)用

4N8高純石英

為何生產(chǎn)困難

筆者通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)不同礦床工業(yè)類型石英礦的研究，首先發(fā)現(xiàn)了石英提純定律”，即對(duì)于具有一定粒度的石英砂產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，任何一種石英礦都存在一定的提純加工局限性，在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下都有一個(gè)提純極限值。換句話說(shuō)，一個(gè)石英礦能夠加工什么純度的石英砂產(chǎn)品是自然決定的。

石英提純定律的產(chǎn)生機(jī)理與石英原材料產(chǎn)品的兩個(gè)重要特征有著密切關(guān)系：第一，都是以天然石英礦為原料加工的產(chǎn)品，包括天然水晶在內(nèi)的每一種天然石英礦物原料中，通常都存在雜質(zhì)礦物、氣液包裹體和類質(zhì)同像雜質(zhì)3類雜質(zhì)；第二，都是具有一定粒度要求的產(chǎn)品，即所加工的產(chǎn)品是砂，而不是粉，更不是超細(xì)粉。粒度作為高純石英的一個(gè)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。生產(chǎn)和研究都表明，由這兩個(gè)共同特征所決定，天然石英礦的3類雜質(zhì)中都有一部分可分離提純，這就是石英提純加工可能性的理論依據(jù)；同時(shí)，天然石英礦的3類雜質(zhì)中也有一部分不可分離提純，這就是石英提純加工局限性或石英提純定律的產(chǎn)生機(jī)理。

基于以上認(rèn)識(shí)和長(zhǎng)期研究，筆者首先提出了“高純石英技術(shù)”概念，即高純石英技術(shù)不只是提純工藝加工技術(shù)，而應(yīng)包括原料選擇、提純工藝、加工裝備和質(zhì)量檢測(cè)4個(gè)技術(shù)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。因此，發(fā)展高純石英技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，四大技術(shù)缺一不可。

> 高純石英技術(shù)是由四大技術(shù)組成的既相互獨(dú)立， 又相互聯(lián)系和相互制約的技術(shù)整體

原料選擇技術(shù)在高純石英技術(shù)的4個(gè)方面中，以高純石英原料的識(shí)別、評(píng)價(jià)與選擇技術(shù)最為重要，也最為關(guān)鍵。研究和實(shí)踐證明，4N8高純石英高端產(chǎn)品生產(chǎn)必須采用高純石英優(yōu)質(zhì)原料。石英在自然界中的分布十分廣泛，成因多種多樣，目前能夠作為工業(yè)應(yīng)用的石英礦產(chǎn)資源有7種礦床工業(yè)類型：天然水晶、石英砂巖、石英巖、脈石英、粉石英、天然石英砂和花崗偉晶巖石英。由于不同工業(yè)類型的石英還存在多種細(xì)分成因類型，而且受成礦地質(zhì)條件的影響，同一成因類型石英的礦物學(xué)、巖石學(xué)和礦床學(xué)特征也有較大差別。因此，以目前的加工技術(shù)水平，能夠加工高純石英高端產(chǎn)品的礦石原料只是極少數(shù)，甚至是極個(gè)別。迄今為止，在國(guó)內(nèi)還沒(méi)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。因此，如何在復(fù)雜多樣的石英礦中發(fā)現(xiàn)和選擇高純石英高端產(chǎn)品的原料，已成為實(shí)現(xiàn)高純石英技術(shù)突破的前提和保證。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(jí)礦），這是解決我國(guó)4N8高純石英高端產(chǎn)品被“卡脖子”問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

提純工藝技術(shù)目前我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)工藝主要有水淬、制砂、磁選、浮選、酸浸和氯化焙燒，等等。實(shí)踐證明，必須根據(jù)不同成因、不同產(chǎn)地、不同種類石英礦原料的礦物材料學(xué)特征，尤其是根據(jù)礦物原料中雜質(zhì)礦物、氣液包裹體和類質(zhì)同像雜質(zhì)3類雜質(zhì)的特點(diǎn)及其賦存狀態(tài)，做到一礦一策，提出有針對(duì)性的加工工藝與方法，方能達(dá)到預(yù)期的效果。

加工裝備技術(shù)由于高純石英加工工藝具有試劑純度高、腐蝕性強(qiáng)、材料標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)、環(huán)境要求苛刻和安全要求高等特點(diǎn)，這就決定了高純石英加工生產(chǎn)裝備要求很高，研發(fā)安全、環(huán)保、高效的生產(chǎn)裝備是能否實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵條件。

目前，我國(guó)采用國(guó)產(chǎn)生產(chǎn)設(shè)備和印度等國(guó)進(jìn)口的優(yōu)質(zhì)石英礦（A級(jí)礦），能夠生產(chǎn)出滿足石英坩堝要求的中層砂和外層砂，說(shuō)明現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)設(shè)備是可行的，但不是先進(jìn)的。因?yàn)槲覈?guó)整個(gè)高純石英行業(yè)仍然采用開(kāi)放式、間歇式、平面式、模塊化的生產(chǎn)方式，還存在產(chǎn)能低、生產(chǎn)成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、質(zhì)量不穩(wěn)定、占地面積大和環(huán)保健康等問(wèn)題，如何使高純石英生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、集約化、綠色化是大家期待的目標(biāo)。

質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)由于高純石英具有雜質(zhì)含量低、溶礦難度大等特點(diǎn)，其質(zhì)量檢測(cè)難度很高。高純石英質(zhì)量的ICP（電感耦合等離子體）檢測(cè)技術(shù)包括試樣制備和儀器檢測(cè)兩大部分，其技術(shù)關(guān)鍵是試樣的消解和溶礦制備。這是因?yàn)樵谠嚇又苽溥^(guò)程中，所采用的試樣重量、試劑組合、試劑用量和試劑純度等與ICP檢測(cè)效果的關(guān)系明顯，會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生重要影響。因此，為了減少檢測(cè)誤差，必須盡量避免外來(lái)雜質(zhì)污染，嚴(yán)格控制試樣制備的各項(xiàng)參數(shù)。如何將鋁、硼、鋰、鈉、鉀、鈣、鎂、鈦、鐵、錳、銅、鉻、鎳等13種或15種（增加磷和鋅）雜質(zhì)元素測(cè)全和測(cè)準(zhǔn)，仍然是值得大家注意的問(wèn)題，急需用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)支撐。

從以上石英的提純定律和高純石英四大技術(shù)的分析可知，我國(guó)4N8高純石英被“卡脖子”，主要是卡在礦石原料，具體來(lái)說(shuō)是卡在迄今為止還缺少能夠穩(wěn)定滿足工業(yè)生產(chǎn)需要的國(guó)產(chǎn)高純石英優(yōu)質(zhì)原料（A級(jí)礦）。其生產(chǎn)難點(diǎn)主要在于高純石英優(yōu)質(zhì)原料的找礦困難，同時(shí)，還難在必須根據(jù)原料中雜質(zhì)的特點(diǎn)及其賦存狀態(tài)，以具有針對(duì)性的提純工藝技術(shù)、先進(jìn)的生產(chǎn)裝備技術(shù)、可靠的質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)作保障。

國(guó)產(chǎn)技術(shù)突破有何意義

> 我國(guó)首條全自動(dòng)4N8高純石英砂高端產(chǎn)品生產(chǎn)線全景

2007年以來(lái)，為了解決我國(guó)4N8高純石英生產(chǎn)難題，筆者科研團(tuán)隊(duì)先后解決了高純石英的原料遴選、提純工藝、生產(chǎn)裝備、質(zhì)量檢測(cè)等四大技術(shù)痛點(diǎn)，尤其是突破了高純石英優(yōu)質(zhì)原料的識(shí)別、評(píng)價(jià)與遴選這一關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，并結(jié)合多年野外地質(zhì)和工程應(yīng)用，打破了“中國(guó)沒(méi)有優(yōu)質(zhì)礦或A級(jí)礦”的傳統(tǒng)認(rèn)知，率先在我國(guó)秦嶺等地發(fā)現(xiàn)4N8高端產(chǎn)品生產(chǎn)必需的高純石英優(yōu)質(zhì)礦，為我國(guó)高純石英產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了技術(shù)支撐和礦產(chǎn)資源保障。

為了加快科技成果轉(zhuǎn)化，盡快解決這個(gè)“卡脖子”難題，2023年12月28日，筆者科研團(tuán)隊(duì)和7項(xiàng)高純石英組合專利受讓方工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)兩年技術(shù)攻關(guān)，在四川羅江建成了我國(guó)首條以國(guó)產(chǎn)礦石為原料、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全自動(dòng)高純石英砂高端產(chǎn)品生產(chǎn)線，并于同日實(shí)現(xiàn)了成功點(diǎn)火運(yùn)行。中國(guó)粉體網(wǎng)、今日頭條等多家新媒體平臺(tái)先后以《重大突破！我國(guó)首條全自動(dòng)4N8高純石英砂生產(chǎn)線成功點(diǎn)火運(yùn)行》和《做好‘壓艙石’，護(hù)航中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展》為題，專題報(bào)道和采訪了該科技成果轉(zhuǎn)化成果，在全國(guó)引發(fā)高度關(guān)注和強(qiáng)烈反響。

> 我國(guó)首條全自動(dòng)4N8高純石英砂生產(chǎn)線采用的國(guó)產(chǎn)脈石英A級(jí)礦樣品（左）及其局部放大照片（右）

該生產(chǎn)線是我國(guó)首條以國(guó)產(chǎn)礦石為原料、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全自動(dòng)4N8高純石英砂高端產(chǎn)品生產(chǎn)線，具有國(guó)際領(lǐng)先水平。因?yàn)樗且猿啥祭砉ご髮W(xué)掛牌轉(zhuǎn)讓的7項(xiàng)高純石英國(guó)家發(fā)明專利組合為核心技術(shù)，以國(guó)產(chǎn)礦石為原料，通過(guò)國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的立體式布局和自主研發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備，使程序復(fù)雜、條件苛刻的高純石英砂加工生產(chǎn)工藝流程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，從根本上解決了我國(guó)高純石英行業(yè)目前存在的產(chǎn)能低、生產(chǎn)成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、質(zhì)量不穩(wěn)定和環(huán)保健康等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了4N8高純石英砂生產(chǎn)的智能化和綠色環(huán)保。

該生產(chǎn)線自成功點(diǎn)火運(yùn)行幾個(gè)月以來(lái)，一直在不斷優(yōu)化和完善，經(jīng)過(guò)若干批次產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)，其二氧化硅純度已穩(wěn)定在99.998%及以上。該生產(chǎn)線的重要意義在于打通了4N8高純石英砂技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化難關(guān)，標(biāo)志著我國(guó)攻克了生產(chǎn)4N8高純石英高端產(chǎn)品的“卡脖子”技術(shù)，解決了我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)法自主生產(chǎn)4N8高純石英高端產(chǎn)品的難題，可為我國(guó)芯片和光伏產(chǎn)業(yè)提供關(guān)鍵基礎(chǔ)材料支持，對(duì)護(hù)航中國(guó)高純石英產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展起到“壓艙石”作用。

以該生產(chǎn)線為標(biāo)志的科技成果轉(zhuǎn)化，瞄準(zhǔn)國(guó)家重大需求和“卡脖子”難題，形成科研成果—專利—產(chǎn)品—商品的閉環(huán)，獲評(píng)2022年度四川省高校院所知識(shí)產(chǎn)權(quán)市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)典型案例，入選成都市科技成果轉(zhuǎn)化白皮書(shū)（2023）。

結(jié)語(yǔ)與展望

高純石英，尤其是4N8高端產(chǎn)品在國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、未來(lái)產(chǎn)業(yè)、國(guó)防軍工和國(guó)家安全等方面都具有十分重要的地位和作用。目前，我國(guó)在高純石英技術(shù)的4個(gè)方面，即在原料選擇、提純工藝、加工裝備和質(zhì)量檢測(cè)方面都做了大量工作，并取得了十分可喜的成就，在高純石英產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和品種上基本滿足了我國(guó)需要。而要注意的是，我國(guó)高純石英行業(yè)依然存在產(chǎn)能低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、質(zhì)量不穩(wěn)定和環(huán)保健康等問(wèn)題。更要清醒地認(rèn)識(shí)到，我國(guó)芯片和光伏產(chǎn)業(yè)必需的4N8高純石英高端產(chǎn)品這一關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，仍受制于人。

值得高興的是，在四川羅江建成的我國(guó)首條全自動(dòng)高純石英砂生產(chǎn)線的成功點(diǎn)火運(yùn)行，不僅為我國(guó)智能化生產(chǎn)以國(guó)產(chǎn)礦石為原料的綠色環(huán)保的4N8高純石英砂高端產(chǎn)品提供了市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化的典型案例，而且標(biāo)志著我國(guó)攻克了生產(chǎn)4N8高純石英高端產(chǎn)品的“卡脖子”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)自主生產(chǎn)4N8高純石英高端產(chǎn)品的重大突破。

當(dāng)前，高純石英，尤其是4N8高端產(chǎn)品已引起了國(guó)家和各界的高度重視。我們有理由相信，在各級(jí)政府和有關(guān)方面的共同努力下，堅(jiān)持“四個(gè)面向”，一定能夠?qū)崿F(xiàn)我國(guó)高純石英優(yōu)質(zhì)原料（A級(jí)礦）找礦的更大突破，為解決4N8高純石英高端產(chǎn)品的“卡脖子”難題提供可靠的礦產(chǎn)資源保障和科學(xué)技術(shù)支撐，為我國(guó)高純石英產(chǎn)業(yè)，以及芯片、光伏產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展作出應(yīng)有的重要貢獻(xiàn)。

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何為石英

石英的化學(xué)成分為二氧化硅（SiO2 ），其中硅、氧含量分別為46.74%和53.26%。石英是一種架狀結(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，二者的轉(zhuǎn)化溫度為573℃，未加說(shuō)明時(shí)，常指α-石英。

石英的成分一般比較純凈，但由于類質(zhì)同像替代作用，可含有少量鋁、鉀、鈉、鋰、鈣、鐵、鎂、錳、鈦、銅、鋅、鉻、鎳、硼、磷等雜質(zhì)元素。一般為透明或半透明，油脂光澤，具旋光性，通常為乳白色或無(wú)色，因各種雜質(zhì)的混入可呈現(xiàn)紫、粉、黃、煙、綠等不同顏色；密度2.66克/立方厘米，摩氏硬度7（為10種標(biāo)準(zhǔn)硬度礦物之一），堅(jiān)硬、耐磨、性脆、無(wú)解理、貝殼狀斷口、具壓電性、不導(dǎo)電、傳熱性差，其電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能均具有明顯的異向性；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，除氫氟酸（HF）外不溶于其他酸，微溶于氫氧化鉀（KOH）溶液，熔化溫度1710～1756℃，冷卻后即變?yōu)槲锘阅苁謨?yōu)異、有“玻璃王”之稱的石英玻璃。

正是由于具有上述獨(dú)特的物化性能，石英得以成為一種非常重要的工業(yè)礦物。與其他非金屬礦物相比，石英原料工業(yè)應(yīng)用的一個(gè)顯著特點(diǎn)是同時(shí)存在三種形式：一是利用礦物晶體固有的物理和化學(xué)性質(zhì)，如用于生產(chǎn)石油壓裂支撐劑（壓裂砂）、型砂、結(jié)晶硅微粉等；二是提供有用化學(xué)成分，是玻璃、陶瓷等硅酸鹽材料的最基本原材料；三是冶煉提取有用元素硅，目前是工業(yè)硅及其提純加工產(chǎn)物多晶硅和單晶硅的唯一原料。

> 石英礦物原料工業(yè)應(yīng)用的三種形式與應(yīng)用實(shí)例示意圖（汪靈，2019）

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石英原材料產(chǎn)品有哪些

目前，我國(guó)每年各種石英原材料的用量在2億噸左右。石英工業(yè)應(yīng)用的最重要特點(diǎn)是，用途十分廣泛，產(chǎn)品種類繁多，用量巨大，工業(yè)產(chǎn)值很大，不同品種的價(jià)格懸殊巨大，一些品種的附加值很高。石英的工業(yè)應(yīng)用和價(jià)值與二氧化硅的純度有著密切的關(guān)系。根據(jù)石英的二氧化硅純度及其工業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)，可將石英原材料及相關(guān)產(chǎn)品歸納為如下三大類：

二氧化硅純度為99%左右產(chǎn)品。主要應(yīng)用在石英傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域，包括各種浮法玻璃、日用玻璃（如玻璃器皿、酒瓶等）、玻璃纖維、陶瓷、鑄造（型砂和覆膜砂）、耐火材料、冶金（冶煉各種硅質(zhì)合金）等；同時(shí)還包括光伏玻璃、工業(yè)硅、石油壓裂支撐劑和3D打印砂等新的應(yīng)用領(lǐng)域。其特點(diǎn)是一般單價(jià)不是很高，但其用量很大，工業(yè)產(chǎn)值十分可觀。例如，隨著油氣開(kāi)采難度加大，水力壓裂技術(shù)已成為油氣井增產(chǎn)的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。這一新技術(shù)需要大量的石油壓裂支撐劑（石英砂），目前我國(guó)該產(chǎn)品的年均產(chǎn)量約2500萬(wàn)噸。又如，全鐵（TFe）含量≤0.01%的低鐵石英砂是近年來(lái)用量增長(zhǎng)較快的品種，主要用于生產(chǎn)超白玻璃、光伏玻璃和五糧液水晶瓶，等等。據(jù)工信部數(shù)據(jù)顯示，2023年，中國(guó)光伏超白壓延玻璃累計(jì)產(chǎn)量2478.3萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)54.3%。以原料占比60%計(jì)算，低鐵石英砂使用量約1487萬(wàn)噸，與2019年的510萬(wàn)噸相比，增長(zhǎng)約2倍。

二氧化硅純度為99%~99.9%產(chǎn)品。也是近年來(lái)石英的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，主要是各種硅微粉。硅微粉是以二氧化硅為主要成分的粉體填料系列產(chǎn)品的總稱，應(yīng)用十分廣泛，如用于電工、電子和集成電路覆銅板（CCL）等，其中最高端的產(chǎn)品是用于芯片封裝的球形硅微粉。硅微粉產(chǎn)品系列比較復(fù)雜，除大型集成電路和芯片封裝用硅微粉對(duì)二氧化硅純度有更高要求外，其他硅微粉通常要求二氧化硅純度為99%~99.9%，全鐵含量＜100×10-6。

二氧化硅純度為>99.9%產(chǎn)品。主要指高純石英系列產(chǎn)品，這是近年來(lái)石英附加值最高和最熱門(mén)的應(yīng)用領(lǐng)域。無(wú)論從制造難度和重要性還是從礦產(chǎn)資源的稀缺性看，高純石英可比作石英原材料行業(yè)中的“皇冠”。

> 石英原材料的二氧化硅純度與價(jià)格的關(guān)系（汪靈，2021）

作者： 汪 靈 王哲皓 王新硯

編輯： 何陳臨秋

排版： 何陳臨秋

審核： 刁淑娟

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