中國粉體網(wǎng)訊 2024年11月21-22日，由中國粉體網(wǎng)主辦的“2024（第八屆）全國石英大會暨展覽會”在江蘇徐州成功召開! 在本次大會現(xiàn)場，中國粉體網(wǎng)記者有幸邀請到多位專家、企業(yè)界代表做客我們的“對話”欄目，就行業(yè)研究熱點、行業(yè)發(fā)展前景等方面進行了訪談。本期為您帶來的是西南科技大學孫紅娟教授的專訪。
專訪西南科技大學孫紅娟教授
中國粉體網(wǎng)：孫教授，您好，請問您近期做了哪些石英方面的工作？今后是否有一些研究或產(chǎn)業(yè)化方面的工作規(guī)劃？
孫教授：在高純石英研究上，近期主要有三方面的工作：
一是對來自于企事業(yè)單位及搜集到的高品質(zhì)高純石英原料開展評價和提純試驗，在完成相關合作項目的同時，也根據(jù)對不同石英原料的認識創(chuàng)新高純石英加工技術的研究，特別是對花崗偉晶巖和脈石英兩類高純石英原料進行系統(tǒng)化的提純工藝、提純機理的深入研究，已產(chǎn)出一些科研成果。
二是對前期獲得的大量高純石英的分析測試數(shù)據(jù)和研究結果進行總結，對不同類型的高純石英原料進行評價和分類，將獲得的一些經(jīng)驗和查明的規(guī)律應用到其他高純石英原料提純技術中，并開發(fā)新工藝、新技術，進一步對提純效果進行總結，確定這些規(guī)律是否具有普適性，逐步建立起一套具有高度應用價值的“原料評價-特征標定-針對性提純”的高純石英提純工藝技術模型。
三是積極推進產(chǎn)學研結合，通過與企業(yè)的項目合作，積極參與高純石英礦床勘察、原料篩選及企業(yè)產(chǎn)線建設和技術研發(fā)中心的建設，以期把我們的研究成果和技術應用到實際生產(chǎn)中，并推進高純石英材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；通過與企業(yè)的合作，不斷發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中實際問題，進而促使我們在研究過程中探索新工藝、研發(fā)新技術。這使我們與企業(yè)相得益彰，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，達到合作共贏。
在研究和產(chǎn)業(yè)化方面的工作規(guī)劃也是基于上述的這些工作，在研究方面團隊進一步開展普適性提純?nèi)鞒棠Ｐ偷慕�，特別是針對國內(nèi)的高純石英原料，通過不斷積累建立對應的高純石英選別提純數(shù)據(jù)庫，進而為不同類型高純石英原料的提純提供全程有效的模型支持；在產(chǎn)業(yè)化服務方面，我們在前期與生產(chǎn)企業(yè)合作的基礎上，不斷創(chuàng)新合作機制與服務內(nèi)容，積極參與合作企業(yè)的籌劃、設計、建設、試運行、生產(chǎn)與新技術、新工藝和新產(chǎn)品研發(fā)的配套服務過程，與企業(yè)合作共同打造全生產(chǎn)工程流程的知識產(chǎn)權自有化高純石英制備產(chǎn)線，真正做到推動我國高純石英原料自給與高純石英生產(chǎn)技術的突破，培養(yǎng)一批具有扎實理論功底和實際生產(chǎn)經(jīng)驗的技術研發(fā)人員。
中國粉體網(wǎng)：孫教授，請問石英坩堝工藝技術朝著高純度、大尺寸、長壽命方向發(fā)展，對石英砂提純有哪些技術要求和挑戰(zhàn)？
孫教授：石英坩堝的高純度、大尺寸、長壽命，歸根結底是作為坩堝原料的高純石英砂能夠滿足高純度、高結晶性、高均勻度和高穩(wěn)定性的要求。
其中高純度比較好理解，就是要求原料中的雜質(zhì)元素和氣液包裹體、羥基均處于非常低的水平，以保障坩堝的高純度和氣泡數(shù)量很少；
而高結晶性是高純石英砂原料中晶體結構的完整性和均勻性。高結晶性和高純度的原料能夠顯著提高石英坩堝的機械強度、耐熱沖擊性和抗晶粒生長能力，減少在高溫加工和使用過程中晶界滑移和晶體間裂紋擴展的可能性。
高均勻性體現(xiàn)在石英砂的純度、顆粒形態(tài)和晶體結構的一致性。坩堝材料均勻性不足可能導致局部應力集中、氣泡聚集甚至裂紋產(chǎn)生，以至于在高溫使用時出現(xiàn)局部坍塌或失效。尤其對于大尺寸坩堝，材料的不均勻性可能引起應力分布不均，從而導致坩堝壁厚不一與表面瑕疵等。
高穩(wěn)定性是指批量生產(chǎn)的過程當中，始終可以保持石英砂的各項指標穩(wěn)定，便于下游企業(yè)可以采用統(tǒng)一的工藝技術條件進行坩堝生產(chǎn)，并進一步開發(fā)高純度、大尺寸、長壽命方向的進階石英坩堝產(chǎn)品。
因此，石英砂原料的提純技術和加工工藝將繼續(xù)向著精細化、智能化和標準化方向發(fā)展，以支持坩堝的大尺寸化和長壽命需求，為光伏和半導體行業(yè)提供更優(yōu)質(zhì)的關鍵材料。
中國粉體網(wǎng)：孫教授，石英砂雜質(zhì)元素對高端石英制品的影響有哪些？其中有何規(guī)律或經(jīng)驗可以指導生產(chǎn)嗎？
孫教授：雜質(zhì)元素對高端石英制品的影響存在于多個角度，并決定其具體的下游產(chǎn)品的性能和應用領域，但總的來說可以總結如下幾類：
（1）對機械性能的影響
雜質(zhì)元素（如鐵、鋁、鈦等）通常以氧化物或晶格雜質(zhì)形式存在，會削弱石英材料的結構完整性。如Fe、Ti會降低石英材料的強度和抗裂紋擴展能力，增加在高溫使用下的裂紋敏感性。Al雖然會提高一定的硬度，但會導致石英材料的脆性增加。
（2）對光學性能的影響
高端石英制品（如光學透鏡、光纖）對光學透過率要求很高，雜質(zhì)會顯著影響其光學性能。鐵（Fe）、鈦（Ti）和鉻（Cr）等會影響可見光區(qū)域的透明性，導致石英材料出現(xiàn)微弱著色，而堿金屬（如Li、Na、K）雜質(zhì)會引起光纖傳輸損耗增加，影響光通信的性能。
（3）對熱性能的影響
雜質(zhì)會改變石英材料的熱膨脹系數(shù)和耐熱沖擊性能。堿金屬和堿土金屬（如Na、K、Ca、Mg）這些元素在高溫下可能導致石英坩堝的晶粒膨脹不均，降低其耐熱沖擊性能，并降低熔融溫度。Al和Ti會改變石英材料的高溫穩(wěn)定性，使其在高溫加工時容易發(fā)生相變或形變。
（4）對化學穩(wěn)定性的影響
雜質(zhì)的存在可能使石英材料的化學惰性下降。堿金屬雜質(zhì)在高溫環(huán)境中容易與熔融硅或其他化學物質(zhì)反應，破壞制品表面的完整性。鐵、鈦在高溫和氧化氣氛下容易聚集形成雜質(zhì)氧化物，并進一步擴散污染單晶硅。
（5）對電性能的影響
對用于半導體用石英坩堝和光纖材料來說，電性能至關重要，雜質(zhì)會影響材料的絕緣性能，Li、Na、K這些堿金屬雜質(zhì)會引發(fā)石英材料的電擊穿強度下降，在電場環(huán)境中產(chǎn)生電性能失效。
（6）對坩堝使用壽命的影響
部分雜質(zhì)在石英坩堝當中容易遷移和擴散，如鐵和鈦雜質(zhì)在高溫下容易在石英坩堝壁內(nèi)遷移，進入熔融硅中，污染硅晶體，縮短坩堝的使用壽命。堿金屬遷移后會與坩堝表面的熔融硅形成化合物，降低坩堝的耐用性。
中國粉體網(wǎng)：孫教授，越來越多的企業(yè)稱，已經(jīng)可以穩(wěn)定產(chǎn)出99.998%以上的高純石英砂，目前高純石英制備的“卡脖子”技術難題是否已經(jīng)得到解決？
孫教授：首先，國產(chǎn)高純石英砂的生產(chǎn)確實取得了很多的技術突破，部分企業(yè)生產(chǎn)的高純石英砂在雜質(zhì)總量上確實已經(jīng)達到4N8級的純度，但距離完全突破“卡脖子”技術難題尚有一些關鍵技術問題需要突破，大致可以分為這幾類。
（1）國產(chǎn)原料替代的問題
目前國際市場上廣泛認可的優(yōu)質(zhì)石英礦源仍然集中在少數(shù)國家（如美國北卡羅來納州的白崗巖礦、印度的阿咔礦等）。中國雖然發(fā)現(xiàn)了一些優(yōu)質(zhì)石英礦，但在礦石品位和開采規(guī)模上尚不能與國外典型產(chǎn)地的原料相比。因此，國內(nèi)一部分高純石英砂生產(chǎn)廠家依然需要依靠進口石英礦石原料，雖在提純技術上取得明顯突破，但尚未實現(xiàn)國產(chǎn)原料的替代。
（2）高端市場認可度不足
高純石英砂生產(chǎn)中，產(chǎn)品的純度、顆粒形態(tài)和雜質(zhì)分布的均勻性對應用至關重要。國內(nèi)石英砂產(chǎn)品在一致性和長期可靠性方面與國際領先品牌（如美國矽比科、挪威TQC）仍存在差距。因此，在下游企業(yè)的認可度上，仍需進一步提升產(chǎn)品的純度并維持產(chǎn)能和質(zhì)量的穩(wěn)定，特別是半導體和光伏領域?qū)⿷湹姆�(wěn)定性要求很高。目前，國內(nèi)石英砂企業(yè)進入全球頂級客戶（如ASML、英特爾、臺積電等）的高端供應鏈仍需一定時間。
（3）產(chǎn)品可控性不強
在高端高純石英產(chǎn)品生產(chǎn)當中，不同類型的產(chǎn)品除要求整體純度較高外，對各類雜質(zhì)元素的數(shù)量均有所限定，雖然部分高純石英砂總體雜質(zhì)含量滿足要求，但具體到某一項上仍有不足，如Al含量過低，而Ca、Ti等元素過高。同時，部分下游企業(yè)還需對粒度范圍、羥基含量、氣液包裹體含量等做進一步要求。因此，我國要完全實現(xiàn)突破“卡脖子”關鍵技術，不僅需要實現(xiàn)國產(chǎn)原料的完全替代，而且還需建立體系化的檢測-標定-定向除雜甚至是雜質(zhì)含量可控的提純技術，才能徹底保障國產(chǎn)高純石英砂突破外國企業(yè)封鎖。
未來，通過加強技術研發(fā)、原料開發(fā)和市場開拓，中國完全解決高純石英砂“卡脖子”難題的目標是可以實現(xiàn)的，但仍需持續(xù)努力和長期投入。
中國粉體網(wǎng)：孫教授，對美國矽比科公司、挪威TQC公司和中國江蘇太平洋石英股份有限公司生產(chǎn)坩堝用高純石英砂產(chǎn)品性能對比研究，對我國高純石英規(guī)�；a(chǎn)有怎樣的啟示？
孫教授：這三家高純石英生產(chǎn)廠家屬于國際認可度較高的企業(yè)，對美國矽比科公司（Unimin）、挪威TQC公司和中國江蘇太平洋石英股份有限公司生產(chǎn)的坩堝用高純石英砂產(chǎn)品性能進行對比研究，可為我國高純石英砂的規(guī)�；a(chǎn)提供寶貴的經(jīng)驗與啟示。
（1）堅持優(yōu)質(zhì)礦源篩選與開發(fā)
美國Unimin和挪威TQC依賴于高品質(zhì)天然石英礦石開發(fā)了系列的高純石英提純技術，其高純化技術的領先除基礎研究方面的領先外，更多是因為他們的研究具有更強的針對性，在保障礦源供應的情況下可以對持有的原礦不斷進行深度的提純工藝研究，不需要考慮更換石英原礦與原有技術是否還適用的問題，可以很大程度上提高研究的效率。因此，我國也需加強對高品位礦源的勘探與開發(fā)，逐步減少對國外原料進口的依賴。
（2）強化深度提純技術和開發(fā)先進檢測技術
部分研究學者和企業(yè)酸洗和氯化焙燒技術研發(fā)上已取得進展，但對比目前成熟的高純石英砂產(chǎn)品，仍需進一步優(yōu)化反應條件和工藝流程，提升對難除雜質(zhì)（如鈦、鋁）的去除能力，對齊國際先進技術指標，提高石英砂顆粒的純凈度。同時也借鑒Unimin和TQC粒度分布和形態(tài)分析技術，通過優(yōu)化破碎和造粒工藝，提升顆粒的球形度和表面光滑度。包括對過程檢測技術進行開發(fā)和規(guī)范化，建立起能夠快速識別和量化ppm或ppb級的雜質(zhì)含量的檢測手段與標準，為工藝優(yōu)化和穩(wěn)定性提供檢測技術與數(shù)據(jù)支撐。
（3）優(yōu)化生產(chǎn)工藝與質(zhì)量控制體系
建立完善的企業(yè)工藝執(zhí)行標準和質(zhì)量控制體系，增強產(chǎn)品的穩(wěn)定性。在研究過程中，我們團隊對幾組不同批次的國外高純石英砂進行對比，發(fā)現(xiàn)其雜質(zhì)含量、顆粒粒徑、產(chǎn)品形貌特征都保持著極高的一致性，這可保障后端企業(yè)對國外高純石英砂性能具有充分的信任，并在后端加工過程中實現(xiàn)穩(wěn)定化、標準化，進而大幅度降低企業(yè)的應用試錯成本。因此，我們也應當學習國際領先企業(yè)，引入自動化控制系統(tǒng)，確保生產(chǎn)過程中的一致性和精確性。通過先進的質(zhì)量控制體系和過程監(jiān)控，減少大規(guī)模生產(chǎn)中高純石英產(chǎn)品的性能波動，確保批次間產(chǎn)品一致性。
我們要正視與國際先進水平的差距，不斷學習國外的先進加工技術和生產(chǎn)管理制度與質(zhì)量管理體系，努力攻克石英提純關鍵技術，以求早日實現(xiàn)國產(chǎn)高純石英砂達到國際先進水平，突破“卡脖子”問題，實現(xiàn)規(guī)�；a(chǎn)。
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/九思)
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