【原創】這都搞不懂，別再糟蹋石英砂了！

2024-07-01
來源：中國粉體網初末

10389人閱讀

[導讀] 超全！石英砂在不同領域的應用及技術指標。

中國粉體網訊 石英作為一種重要的非金屬礦產資源，用途十分廣泛，它在玻璃行業、建材工業、機械制造、冶金工業、化工領域等被廣泛應用，天然石英礦經加工和提純后獲得的高純石英則在光纖通訊、光伏、電子、國防等關鍵領域具有重要的應用，是戰略性新興產業和支柱性產業中不可或缺的基礎性支撐材料。

不同的工業產品利用石英的物理化學性質不同（如硬度、透光性、絕緣性等），對石英原料和資源的要求和用量也不同，因此為提高石英資源的利用水平，必須梳理其在各個行業領域的應用及相關技術指標。

工業硅

來源：新安股份

工業硅是硅礦石經碳還原劑高溫在礦熱爐熔煉生成的一種基礎材料，位于硅基新材料產業鏈的初始端，通過工業硅可以加工制造單晶硅、多晶硅、有機硅、鋁合金等基礎材料，是光伏、半導體、有機硅、硅合金等下游產業的重要原料。

光伏行業用石英制品

石英是光伏行業的關鍵原材料之一，主要應用形式有石英坩堝、石英管和各種石英器材。光伏行業的單晶硅和多晶硅都是高純物質，這就要求與其配套的石英材料必須是高純的。

來源：Pixabay

國家標準《GB/T 32649-2016光伏用高純石英砂》規定了光伏用高純石英砂的技術要求，標準適用于光伏用高純石英砂，產品用于單晶硅、多晶硅光伏生產用的擴散管、承載器及電弧法坩堝等石英制品。

其中，光伏用高純石英砂的粒徑應在70μm~350μm范圍內，且在該粒徑范圍的累積質量分數應大于或等于90%。粒徑小于100μm或大于300μm的累積質量分數均應小于1%；光伏用高純石英砂中二氧化硅含量應大于或等于99.99%,灼燒失量應小于或等于0.01%；光伏用高純石英砂雜質元素總含量應小于或等于25μg/g，其中鉀、鈉含量總和小于2.5μg/g。

國家標準《GB/T 32649-2016光伏用高純石英砂》

各雜質元素含量

石英坩堝具有耐高溫、使用時間長、高純度等特點，是太陽能拉制單晶硅棒的輔助性耗材。高純石英砂是石英坩堝核心原材料，其純度顯著影響拉晶效果。在光伏行業中，石英坩堝中雜質元素含量過高時，石英坩堝在高溫狀態下容易析晶；Al含量過高時，會影響拉制單晶硅的純度；K、Na、Li等堿金屬元素含量超標時，將導致石英坩堝的軟化點大幅下降，造成坩堝坍塌，使拉晶無法進行。

來源：美晶新材

成都理工大學汪靈教授指出，通常來講，光伏石英坩堝用內層砂的代表原料為美國北卡羅來納州Spruce Pine地區的花崗偉晶巖石英，其特點是w(SiO₂)≥99.998%（4N8）且質量穩定。中層砂代表原料為印度等國進口的脈石英A級礦，特點是w(SiO₂)≥99.998%（4N8）。外層砂主要代表原料為印度等國進口的質量和穩定性稍次的脈石英A級或接近A級的B級礦，特點是w(SiO₂)≥99.995%（4N5）。

半導體行業用石英制品

芯片制造主要由單晶生長、晶圓加工制造、集成電路晶圓的生產以及后期封裝四個部分組成。單晶生長需要用到石英坩堝和石英器件。晶圓加工部分刻蝕、擴散、氧化、退火等步驟中需要用到大量的輔材石英玻璃，如石英片、石英環、石英舟等高純度石英制品，其中擴散步驟是在1000℃左右的石英爐管中將元素硼、磷等擴散入硅片。

來源：凱德石英

半導體用透明石英玻璃管、棒雜質含量要求

在半導體行業，石英坩堝對堿金屬和過渡金屬等雜質含量有較高要求，堿金屬雜質會影響石英坩堝的熱學特性，降低石英制品的耐溫性，使其熔點降低，高溫性能變差；過渡金屬雜質會降低導電性，縮減半導體的使用壽命，雜質含量高還會產生氣泡和色斑等缺陷，降低石英坩堝的透明度，嚴重時還會影響石英坩堝成型。

地方標準《DB 13/T 5631—2022電子專用材料單晶硅生長用石英坩堝生產技術規范》中規定了電子專用材料單晶硅生長用石英坩堝原輔材料的標準。

地方標準《DB 13/T 5631—2022電子專用材料單晶硅生長用石英坩堝生產技術規范》

石英砂雜質元素含量

由內蒙古歐晶科技股份有限公司、江西中昱新材料科技有限公司、錦州佑鑫石英科技有限公司為主要起草單位編制的團體標準《半導體單晶硅生長用石英坩堝生產規范標準》中規定了半導體單晶硅生長用石英坩堝主要原輔材料的標準。

《半導體單晶硅生長用石英坩堝生產規范標準》

石英砂雜質元素含量

光學光源用石英制品

石英玻璃可用于制造顯微光學儀器或機械系統的透鏡、棱鏡、反射鏡等，也可用于制造高性能燈，如紫外燈、汞燈、鹵素氙燈和高強度放電燈。光源石英玻璃有很多種類別，其中有金鹵燈用低羥基管、濾紫外石英管(UV)、鹵鎢燈用石英玻璃、汞燈用使用玻璃、紅外加熱燈等。其中金鹵燈石英管是要求最高的石英玻璃，其羥基要求為1ppm~5ppm。

來源：石英股份

美國矽比科IOTA系列高純石英產品是目前全球生產石英玻璃的最優質原料，如IOTA STD、IOTA CG等“低等級”石英砂可以作為低膨脹系數、高透光度的電光源、照明設備的主要原料，用來生產高壓汞燈、鹵素燈、紫外線殺菌燈以及特種光源用石英管棒等。

光纖行業用石英制品

來源：久智科技

光纖把持棒主要是在光纖預制棒和光纖拉絲過程中所使用的石英玻璃，是生產光纖預制棒所必須的消耗性材料。光纖產業的快速發展，促進了石英預制棒和把持棒產業的成長。光纖把持棒的石英玻璃因純度和羥基問題，不能直接作為光纖預制棒或光纖套管進行使用，因為純度和羥基會降低光纖信息傳輸率，一般預制棒和光纖套管會使用合成石英玻璃。

玻璃行業

玻璃行業是石英資源消費量最大的領域，廣泛應用于建筑、汽車、新能源等領域，玻璃行業主要產品類型有平板玻璃、器皿玻璃、鋼化玻璃、光伏玻璃、電子玻璃等。

來源：Pixabay

平板玻璃

目前我國制造平板玻璃、鋼化玻璃等常規玻璃所用石英資源要求較低，可從規模大易開采加工的石英砂巖、石英巖等資源中獲得。

行業標準《JC/T 529-2000平板玻璃用硅質原料》中有關平板玻璃用石英砂的化學成分、粒度組成等指標要求如下：

行業標準《JC/T 529-2000平板玻璃用硅質原料》

平板玻璃用石英砂的工業指標要求

日用玻璃

日用玻璃產品主要包括瓶罐玻璃、器皿玻璃、儀器玻璃和醫藥玻璃，為食品、釀酒、飲料、醫藥等行業提供各種包裝配套和滿足社會消費需求。石英砂是日用玻璃配合料中用量較大的原料。

光伏玻璃

來源：福萊特

在選用原料方面，光伏玻璃使用的是超白石英砂，而國內天然超白石英砂較為稀缺，僅安徽鳳陽、湖南、廣東河源、廣西、海南等少數地區存有砂礦資源。

行業標準《JC/T2314-2015光伏玻璃用硅質原料》

目前，太陽能用玻璃國家標準為《GB/T 30984.1-2015》，其中規定，超白壓花玻璃Fe2O3含量應不高于0.015%。當前光伏玻璃用低鐵石英砂質量要求的行業標準為《JC/T2314-2015光伏玻璃用硅質原料》，各個企業在執行過程中有偏差。

石英砂形成過程中伴隨著大量的雜質礦物，無法直接找到未經處理就可以滿足光伏玻璃生產用的低鐵石英砂，加工后才能用于光伏玻璃的配料。光伏玻璃對石英砂的質量要求主要體現在四方面：鐵含量、鈦含量、粒度、難熔重礦物。

光伏玻璃對石英砂的質量要求

電子玻璃

電子玻璃產品包括高強蓋板玻璃、超薄觸摸屏玻璃、TFT-LCD玻璃基板等。其中，TFT-LCD玻璃基板是顯示面板的關鍵材料，主要用作薄膜晶體管（TFT）陣列的底板和彩色濾光片（CF）的底板。

來源：中研院

為了保證TFT-LCD玻璃基板化學成分的穩定和避免有害雜質元素的侵害，需對石英原料進行選礦提純以控制Fe、K、Na等有害雜質元素。石英原料粒度也是影響TFT-LCD玻璃基板質量的重要指標，主要是因為玻璃熔融質量與原料的粒度組成及粒徑大小相關，石英顆粒在無堿鋁硼硅酸鹽玻璃熔制過程中的溶解和擴散是漸變的。根據硅酸鹽形成過程動力學，石英顆粒在玻璃熔體中的溶解速度取決于其擴散速度，而石英顆粒的擴散面積與玻璃熔體的粘度決定了其擴散速度，所以石英顆粒的粒徑越小，表面積就越大，擴散面積就越大，則反應活化能就越大，使得石英顆粒更容易參與到玻璃熔體的形成反應過程中，將減少顆粒未完全熔融情況。因此，TFT-LCD玻璃基板需對石英原料粒度進行嚴格控制。

凱盛石英材料（黃山有限公司）發布的企業標準Q/245400 KS 02-2020《TFT-LCD玻璃基板用高純石英粉》中對TFT-LCD玻璃基板用高純石英粉產品粒度指標、化學成分指標等進行了規定。

粒度篩析指標要求

激光粒度儀分析指標要求

化學成分指標要求

鑄造砂

天然硅砂是鑄造過程中最基礎、用量最大、最重要的原輔材料。近年來，我國原砂生產企業加大了對技術改造的投入，并向綜合性方向發展。產品品種日趨多樣化，水洗砂、擦洗砂、精選砂、覆膜砂等已能滿足我國鑄造生產發展的需要。鑄造用石英砂要求價廉易得、鑄型制造簡便、具有高的耐火度和熱穩定性，具有適宜的顆粒形狀和顆粒組成，不易被液態金屬潤濕。

來源：Pixabay

鑄造用硅砂按照SiO₂含量分級和各級的化學成分

鑄造用硅砂按含泥量分級

鑄造用硅砂各粒度組成的細粉含量

3D打印砂為鑄造型砂中較為特殊的型砂，隨著3D打印技術快速發展，是目前鑄造砂中用量增長較快的新類型，3D打印砂通常要求石英顆粒強度高，SiO₂≥90%，Al₂O₃≤10%，CaO+MgO<0.6%，Na₂O+K₂O<0.4%，含泥量≤0.2%，粒度0.053～0.3mm。

壓裂支撐劑

石英砂因自身硬度大、不易磨損、化學性質穩定且支撐劑價格相對低廉等性質逐漸變成為油氣田壓裂工藝中主要使用的支撐劑之一，在壓裂作業起著不可替代的作用，在低閉合壓力的儲層有較好的增產效果，并在1500m的以下的淺井被廣泛使用。

來源：Pixabay

可以作為壓裂支撐劑的石英砂，其石英含量一般在80%左右，對于更為優質的石英砂來說，石英含量甚至可以達到98%。中國天然石英砂支撐劑主要分布在新疆陸梁、蘭州安寧、寧夏青銅峽、河北圍場、內蒙古赤峰和通遼等地，常見的粒徑規格為20/40目、30/50目、40/70目和70/140目。

石英砂支撐劑各指標不同標準結果評定對比

符合標準的石英砂支撐劑一般要具備：為了方便泵入地下，相對密度不能太大，一般認為體積密度≤1.50g/cm³，視密度在2.5g/cm³即為密度較低水平；強度高，在高閉合壓力下的破碎率小；在高溫及化學環境中穩定性好；圓球度好，在井下支撐裂縫時可以保持較好的空隙；價格便宜，原料來源廣，制備、生產工藝簡單等特征。

硅微粉

硅微粉是由天然石英或熔融石英經破碎、球磨、浮選、酸洗提純、高純水處理等工序加工而成的微粉，具有硬度大、導熱系數低、耐高溫、絕緣和化學性能穩定等優點，廣泛用于覆銅板、環氧塑封料、涂料、建筑、電路板、陶瓷等領域。