中國粉體網(wǎng)訊  高純石英砂是石英玻璃、石英管、石英坩堝等的主要原料，高純石英高端產(chǎn)品是航天軍工、電子信息和光通訊行業(yè)等高科技產(chǎn)品的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，隨著高精尖科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，高純石英的需求量急速增長，并且對(duì)其質(zhì)量要求也愈來愈高。

來源：三菱化學(xué)

目前高純石英砂主要通過天然石英礦石提純得到，產(chǎn)能與高品質(zhì)礦源密切相關(guān)，而SiO₂純度≥99.998%（4N8）的高純石英高端產(chǎn)品主要被擁有高品質(zhì)高純石英原料礦的海外企業(yè)壟斷，隨著全球范圍內(nèi)天然水晶和高品質(zhì)石英礦脈的逐漸枯竭，高純石英砂價(jià)格的不斷提升，化學(xué)合成石英砂的工藝逐漸得到重視和研究。

那合成砂未來會(huì)替代天然砂嗎？

天然石英礦制備高純石英

制備高純石英的天然高純石英原料主要有水晶、花崗偉晶巖、脈石英等。水晶原礦經(jīng)過粉碎、磁選、浮選、酸浸、干燥、焙燒后得到成品石英砂，其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，但是天然水晶礦的單價(jià)高，目前，全球水晶資源逐漸枯竭，且觀賞和裝飾用水晶的需求量激增，該方法生產(chǎn)成本高，雜質(zhì)含量高，能耗高，粉料特性不穩(wěn)定，制備效率低且粒徑分布寬。

花崗偉晶巖和脈石英前期選礦后，經(jīng)過酸洗、浮選、磁選、高溫氣氛焙燒等提純，提純效果較為理想，相對(duì)合成砂來說，其優(yōu)點(diǎn)是天然石英礦價(jià)格相對(duì)低，缺點(diǎn)是較多金屬雜質(zhì)和羥基，可用資源也少。

合成石英砂工藝路線

來源：德鑫科技

合成石英砂的生產(chǎn)不依賴于天然石英礦產(chǎn)，可以通過化學(xué)合成法制備。又因?yàn)槠浼兌雀�高、光學(xué)性能更良等特性，除了在高端光學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用以外，也符合半導(dǎo)體制程對(duì)石英制品高純、無污染、耐高溫的要求，尤其是隨著半導(dǎo)體芯片線寬越來越窄，普通的天然石英材料已經(jīng)無法滿足高端生產(chǎn)工藝的要求，合成石英成為10nm制程以下的半導(dǎo)體芯片刻蝕環(huán)節(jié)中的重要部件。

合成砂的技術(shù)路線包括氣相合成法、化學(xué)沉淀法、溶膠-凝膠法、四氯化硅液相水解法等。

氣相合成法

氣相合成法即火焰水解法，與氣相白炭黑工藝類似，其原理是采用硅或有機(jī)硅的氯化物（如SiCl₄或CH₃SiCl₃等)原料，將其氣化后與氫氣、氧氣混合，在高溫下發(fā)生水解形成霧狀的SiO₂，最后通過冷卻、分離、脫酸等氣固分離得到產(chǎn)品。該法得到的產(chǎn)品為氣相SiO₂，粒徑小于100nm，外觀蓬松多孔，比表面積大，化學(xué)純度高，分散性較好。

氣相合成法制備SiO₂流程圖

氣相合成法生產(chǎn)流程簡單，合成條件易控制，反應(yīng)速度快，適合大規(guī)模生產(chǎn)；由于過程中需要高溫環(huán)境，反應(yīng)生成的HCl會(huì)嚴(yán)重腐蝕設(shè)備，因此對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的材質(zhì)、加熱形式等要求比較嚴(yán)格。由于氣相法耗能大，加工成本較高，還需在反應(yīng)條件與設(shè)備選型等方面進(jìn)一步地探討和研究。

化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀法是合成石英粉體較為廣泛的方法之一。沉淀法生產(chǎn)SiO₂的原理：采用硅酸鈉與二氧化碳或酸溶液（加鹽酸、硫酸或硝酸）作為原料，在一定的合成溫度和表面活性劑的作用下混合反應(yīng)，得到偏硅酸沉淀，再經(jīng)過濾、洗滌、干燥、煅燒工序制備出SiO₂。

沉淀法制備SiO₂流程圖

沉淀法制備合成石英具有操作方便，生產(chǎn)流程簡單，原料易得，能耗低等優(yōu)點(diǎn)；但是Fe3+、Al³⁺、Ca²⁺等雜質(zhì)的存在會(huì)促成凝塊的形成，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量，導(dǎo)致產(chǎn)品性能差、純度低、粒徑大，易發(fā)生團(tuán)聚；也存在著反應(yīng)體系的濃度較低、沉淀速度快、沉淀過程不易控制的缺點(diǎn)；另外，廢酸、廢水的處理給環(huán)境帶來一定的破壞。

溶解-凝膠法

溶膠-凝膠法是以無機(jī)鹽或者金屬醇鹽（一般為硅酸乙酯）為原料，以醇作為共溶劑，加入酸或堿溶液作為催化劑，進(jìn)行水解，縮聚反應(yīng)形成SiO₂凝膠，過濾并對(duì)凝膠中的有機(jī)溶劑進(jìn)行洗滌，干燥、煅燒得到SiO₂粉體。

采用溶膠-凝膠法制備SiO₂，生產(chǎn)流程簡單，合成條件易控制，對(duì)設(shè)備材料的要求不嚴(yán)格，且過程中無其他添加劑，所以制備出的SiO₂純度較高、均勻度好、比表面積大。但是，成本較高，生產(chǎn)周期長，工業(yè)化價(jià)值不大；另外，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中可變因素較多，不能達(dá)到準(zhǔn)確控制（如水解體系、干燥方式及燒結(jié)途徑等），目前只停留在實(shí)驗(yàn)室小試階段。

微乳液法

微乳液法是將水和烷烴類非極性溶劑混合，在乳化劑、穩(wěn)定劑等助劑作用下形成W/O或O/W乳液，選用合適的有機(jī)硅烷前驅(qū)體在乳滴中水解縮合，形成二氧化硅顆粒，將所得產(chǎn)物經(jīng)過洗滌、烘干、煅燒等工藝，得到合成石英砂粉末。

四氯化硅液相水解法

四氯化硅液相水解法的原理是SiCl₄與純水接觸發(fā)生水解或縮聚反應(yīng)，之后將反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)洗滌、過濾、干燥、煅燒、篩選等流程，制備SiO₂粉體。采用SiCl₄液相水解法制備高純石英粉，由于原料中不含碳，故制備得到的SiO₂粉體純度較高、羥基含量較低。但是，在規(guī)模化生產(chǎn)過程中，四氯化硅與水發(fā)生的水解和縮聚反應(yīng)劇烈，中間過程難以管控，粉體易團(tuán)聚，形成的石英粉致密度較低。因此，為了滿足產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，該法仍需更深入地探究其工藝控制（如水解控制、干燥及燒結(jié)過程等），有效減少顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生。

氟硅酸法

氟硅酸是磷酸和無水氫氟酸生產(chǎn)的副產(chǎn)品，用以生產(chǎn)氟硅酸鹽、氟化鹽、氟硼酸酸鹽、無水氟化氫、四氟化硅等。氟硅酸氨化法是氟硅酸與氨反應(yīng)，生成氟化銨與二氧化硅；氟硅酸鹽法是氟硅酸精制后與氯化鈉反應(yīng)，生成氟硅酸鈉和稀鹽酸，清洗氟硅酸鈉，再和氫氧化鈉反應(yīng)，得到氟化鈉和二氧化硅；氟硅酸濃硫酸法是用濃硫酸奪去氟硅酸中的水分，氟硅酸釋放出四氟化硅和氟化氫，四氟化硅用水吸收，生成氟硅酸和二氧化硅。

合成高純石英砂的產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

日本三菱化學(xué)：市場上僅有日本三菱一家生產(chǎn)的合成非晶體石英砂產(chǎn)品，三菱化學(xué)合成石英砂是采用醇硅法制成的超純合成二氧化硅粉末，其產(chǎn)品純度達(dá)到7N級(jí)別，金屬雜質(zhì)總量小于1ppm，是高度集成半導(dǎo)體制造的重要材料。它是高純度石英坩堝和硅晶片制造的原材料，也用于高端光學(xué)玻璃的生產(chǎn)。

國內(nèi)合成石英砂尚處于研究階段，幾種方法均處于實(shí)驗(yàn)室小試階段，目前仍沒有大型生產(chǎn)線建成生產(chǎn)。

中建材金格蘭石英：在合成石英砂純度方面達(dá)到6N級(jí)，建有年產(chǎn)50噸合成石英砂中試線，目前在籌建擴(kuò)產(chǎn)合成砂生產(chǎn)線，合成砂產(chǎn)品已開展熔制石英坩堝和石英碇的批量應(yīng)用。

江瀚新材：依托現(xiàn)有硅烷產(chǎn)品為原料合成超高純6N級(jí)石英砂，金屬離子總量＜0.1ppm，羥基含量＜60ppm，可用于生產(chǎn)包括石英坩堝在內(nèi)的各種石英制品。公司稱目前中試線成功，預(yù)計(jì)于2025年12月建成投產(chǎn)。

仕凈科技：與無錫惟忻元電力合作的6N石英砂項(xiàng)目，其產(chǎn)品應(yīng)用范圍包括但不限于芯片的拋光材料、光伏坩堝材料、半導(dǎo)體用封裝材料和醫(yī)藥制作材料等。

凱盛科技：用工業(yè)硅制備有機(jī)硅烷，再以溶膠-凝膠法，制備納米級(jí)石英粉和微米級(jí)石英砂，公司開發(fā)的合成石英砂產(chǎn)品純度可達(dá)6N-7N，目前正在建設(shè)5000噸生產(chǎn)線。

三豐智能：與武漢工程大學(xué)簽署了《關(guān)于人工合成超高純硅溶膠及超高純石英項(xiàng)目合作協(xié)議》，共同在超高純（6N以上級(jí)別）硅溶膠制備、人工合成超高純石英材料研發(fā)及生產(chǎn)領(lǐng)域開展深入合作。

德鑫科技：德鑫合成石英砂具有純度高、包裹體少、低羥基、可進(jìn)行均勻有效摻雜等特點(diǎn)。是高性能石英玻璃的原料，可將各種金屬元素控制在極低水平，亦可對(duì)金屬元素進(jìn)行精準(zhǔn)雜以滿足產(chǎn)品特殊需求。

晶芯源新材料：公司年產(chǎn)4000噸高純合成石英砂生產(chǎn)項(xiàng)目總投資5億元，項(xiàng)目高純石英砂主要用于光伏系列產(chǎn)品。

硅研電子：公司主營產(chǎn)品包括超高純硅溶膠、電子級(jí)硅酸酯高純合成石英砂等，其高純合成石英砂SiO₂含量在99.999%以上，雜質(zhì)含量極低，具有強(qiáng)度大、純度高、耐腐蝕性能強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可用于工業(yè)、電子、光學(xué)、半導(dǎo)體、機(jī)械、航空等領(lǐng)域。

結(jié)語

半導(dǎo)體、光伏行業(yè)、光學(xué)技術(shù)要求提高，對(duì)石英砂要求不斷提升，天然石英礦受本身伴生物質(zhì)、生長環(huán)境的影響，純度幾乎到天花板，受礦產(chǎn)資源不可再生的影響，以化學(xué)合成工藝制備石英砂，被認(rèn)為是未來技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。

化學(xué)合成石英砂純度高于天然礦提純石英砂，但是現(xiàn)有各類合成方法所得石英砂成品粒徑太小或者過大，不滿足熔制石英玻璃所需粒徑；制備石英砂過程中容易出現(xiàn)顆粒團(tuán)聚和包裹體，需對(duì)合成過程中的各類因素進(jìn)行調(diào)控。另外，受限于合成成本、設(shè)備材質(zhì)、生產(chǎn)周期、產(chǎn)品穩(wěn)定性等因素，國內(nèi)合成石英砂尚處于研發(fā)階段，未見規(guī)模化上市產(chǎn)品。

從技術(shù)的長期持續(xù)性看，天然砂提純?cè)谌コ�鋁、鈦元素方面存在瓶頸，利用合成工藝可以提高石英玻璃產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量水平，探索更尖端、更精密的應(yīng)用，合成石英砂能一定程度上解決石英砂緊缺的問題，但能否替代天然砂，關(guān)鍵還要看未來的合成砂生產(chǎn)工藝能否將成本降到足夠低。

參考來源：

花寧.合成石英砂制備技術(shù)及應(yīng)用

張鵬遠(yuǎn).合成石英砂工藝概況及幾種石英砂的檢測數(shù)據(jù)對(duì)比分析

李愛民.高純合成石英的制備技術(shù)和應(yīng)用

中國粉體網(wǎng)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初末）

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