名德带你了解高纯石英的发展及用途!
发布时间:2024-03-28 来源:名德光电 浏览次数:175次

 

目前全球高纯石英原料矿床主要分布于巴西、美国、加拿大、挪威、澳大利亚、俄罗斯、中国等。共14处矿床,在产矿山仅7座。全球高纯石英砂资源量在5000-6600万吨,在产资源量在2000-2500万吨。

截至2019年底,全球高纯石英原料矿产资源约7300万t,其中,巴西是全球第一大资源量国,资源量为2111万t,矿石类型主要为天然水晶;美国是第二大资源量国,资源量为1822万t,矿石类型主要为花岗伟晶岩型石英。加拿大位列全球第三,资源量为1000万t,矿石类型主要为脉石英。

国际上公认的是美国的花岗伟晶岩型石英矿床,以储量大、品质好最为著名。我国高纯石英原料矿以脉石英和水晶为主,资源量共计为685万t,其中水晶资源量仅为0.69万t。主要分布在湖北蕲春(灵虬山脉石英矿SiO2含量为99.35%)、江苏东海(SiO2含量为99.19%)、安徽旌德(版书乡龙川脉石英矿SiO2含量为99.01%)和太湖等地区,其中以江苏东海的水晶品质最为优越,但保有资源量已接近枯竭。另外在安徽凤阳、江苏新沂、新疆阿勒泰地区也有分布。

石英矿从SiO2纯度以及杂质元素含量(FeK、Na、Li、Ca、Mg等),可以将石英分为普通石英和高纯石英。一般而言,SiO2含量高于99.9%,Al、Fe等杂质含量小于20ppm,K的杂质含量小于1ppm的石英砂定义为高纯石英。

根据纯度的不同,我们可以进一步划分高纯石英为低端(3N)、中端(4N)、中高端(4N5)、高端(4N8及以上)。

不同纯度的石英具体应用领域有所不同,3N以下的普通石英用来制造玻璃、耐火材料等。3N级用来制造硅酸系化工材料,4N级用作电子封装等领域、4N8应用于光伏、通信,5N级应用于半导体、芯片。

从应用领域来看,半导体和光伏为全球高纯石英砂需求最大的两个行业,产品附加价值较高。

而半导体与新能源产业是各国核心战略产业,高纯石英作为关键基础性材料,制备技术和出口受到严格的保护和限制。

高纯石英原矿一般是由水晶、脉石英、花岗伟晶岩等矿石作为原料经提纯后的一种矿产品。其提纯工艺流程较为复杂,通常包括以下几个主要环节:预处理、物理处理和化学处理三个过程。IMG_258

1. 预处理阶段:

破碎与磨矿:将石英原矿经过粗碎和细碎,然后研磨至所需粒径,以便后续的杂质去除和精选操作。

擦洗:通过机械擦洗或超声擦洗,去除石英砂表面的薄膜铁、黏土和其他易于脱落的杂质。

手选或拣选:人工挑选出明显可见的异色颗粒或杂质。

磁选:利用磁选机去除石英砂中的磁性杂质,如赤铁矿、褐铁矿和黑云母等。

2. 物理分选:

色选:利用光电技术识别不同颜色的矿物,剔除有色杂质。

浮选:在溶液中添加药剂,使杂质矿物与石英砂因表面性质的不同而实现分离。

3. 化学处理:

酸浸:将经过物理提纯后的石英砂浸泡在酸性溶液(如氢氟酸、盐酸或其他酸类)中,以溶解包裹在石英颗粒内部或表面的碱金属、碱土金属以及其他难溶于水但能溶于酸的杂质。

碱处理:对于某些特定类型的杂质,可能还需要进行碱处理。

氯化焙烧:有时会采用高温氯化焙烧法来去除部分难以用酸处理掉的杂质。

4. 后续处理:

洗涤:酸浸后,对石英砂进行多次清洗以去除残留的酸液和溶解下来的杂质。

脱水:使用过滤机或离心机将洗净的石英砂进行脱水处理。

干燥:经过脱水后的石英砂进行烘干,确保产品不含水分,同时防止水分导致的二次污染或杂质沉淀。

精细分级:根据最终产品的纯度要求,可能还会进行精细分级筛选,确保石英砂粒度均匀且符合质量标准。

通过以上一系列工序,可以将石英砂提纯至二氧化硅含量达99.9%以上的高纯度等级,满足高端应用领域的要求。值得注意的是,实际生产过程中具体的提纯工艺流程可能会根据石英矿的特性、杂质类型以及最终产品质量要求等因素进行适当调整和优化。

通过这些复杂而精细的提纯工艺,可以有效降低石英砂中的气液包裹体、类质同象杂质等含量,从而得到满足高端石英坩埚制造所需的高纯石英砂原料。

石英坩埚通常呈现内外双层结构设计,以适应不同的功能需求。

石英坩埚内层对高纯石英砂的粒度分布要求更均匀,一般要求粒径在0.1~0.3mm之间,且在该粒径范围的累积质量分数应大于或等于90%,纯度要求达到5N以上(SiO2=99.998%)。同时石英坩埚内层对高纯石英砂的气液包裹体含量要求更严格,需要控制在较低水平,这些元素含量应尽可能低,以保证坩埚的质量和稳定性。

内围工艺主要是指坩埚内壁的精制处理,要求极高纯度和光洁度,因为它是直接与熔融硅接触的部分,任何杂质都可能影响到单晶硅的质量。通过先进的熔制技术和精密的成型工艺,如离心成型法,使内层达到高度均质和纯净,确保在晶体生长过程中提供稳定的温度环境和防止污染。

石英坩埚外涂层、石英管、石英棒、石英舟和石英锭等产品达到4N5即可。更多地关注坩埚整体的机械强度和隔热性能。例如,外部结构需要有足够的耐热冲击能力和良好的保温效果,避免热量损失过快或者受热不均导致坩埚破裂。为了保证这些性能,外层石英可能不需要像内层那样高的纯度,但同样要求严格的制造工艺控制。

石英坩埚主要用于:

1. 单晶硅片生产:在光伏和半导体行业中,用于拉制大直径单晶硅棒,这是制造高效太阳能电池和集成电路芯片的重要步骤。

2. 实验室高温实验:在材料科学、地质矿物分析等领域中,用于熔融样品和高温反应容器。

3. 其他高温环境下的物料处理和分析。

目前,国内用于高纯石英砂的原料,主要是以伟晶岩为主,主要特征是岩石基质中嵌有的大尺寸天然晶体,这些晶体主要以石英、长石和云母为主。而名德光电人工智能分选机是一款专用于光电选矿的设备,根据待选物料光学特征差异,利用前沿的人工智能+光电分选技术将颗粒矿的杂石或废料自动分选出来。设备能够快速识别出矿物的颜色、形状、纹理、质感、光泽、反光度等各类表面特征,能精准识别伟晶岩中的白长石与云母并分选出。

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