高純石英砂是高新技術產業(yè)不可替代的礦物原料，通過加工成石英玻璃等相關制品廣泛應用于新一代信息產業(yè)、節(jié)能環(huán)保產業(yè)、高端裝備產業(yè)、生物產業(yè)以及新材料產業(yè)等。而純度、不同雜質含量是決定高純石英砂應用的核心指標。
 

來源：石英股份

 
目前制約高純石英砂應用的雜質元素主要有13種：鋁（Al）、鈣（Ca）、鐵（Fe）、鈉（Na）、鉀（K）、鋰（Li）、鎂（Mg）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、硼（B）、錳（Mn）、銅（Cu）、鈦（Ti）。

雜質元素對高純石英砂應用有何影響

堿金屬元素的影響

堿金屬K、Na、Li離子和堿土金屬Ca、Mg離子等對石英玻璃的析晶起催化作用，影響石英玻璃的熱穩(wěn)定性和熱學、光學特性同時，降低了石英玻璃的使用溫度和機械強度，増大石英玻璃的介電系數(shù)和介電損失；高溫下堿金屬的存在起到了助溶作用，導致石英玻璃常出現(xiàn)失透、高溫變形等現(xiàn)象。

過渡金屬元素的影響

過渡金屬Cr、Cu、Fe、Ni、Mn、Ti能使石英玻璃產生色斑或引起石英玻璃的高溫變色，影響光透過率。

鋁和硼元素的影響

石英中的鋁和硼元素進入石英骨架中，會產生較強的化學鍵，影響石英制品的導電性，同時，增強了石英玻璃的析晶作用，降低了使用壽命。硼元素的存在嚴重影響了單晶硅的拉制。

此外，石英砂中存在的水或者羥基可減低石英玻璃的高溫粘度，從而降低耐溫性；同時，羥基會改變石英玻璃的析晶性、透過率，熱膨脹系數(shù)等一系列物理參數(shù)。

雜質元素的賦存狀態(tài)

天然石英礦物中雜質元素賦存狀態(tài)是決定能否成為高純石英的重要制約因素，同時也是制定最佳石英提純方案的重要參考。

雜質元素主要來自石英巖礦本身和加工過程，主要以共（伴）生礦物、包裹體、類質同象的形式賦存。
 

石英中雜質賦存狀態(tài)

影響高純石英砂應用關鍵雜質及賦存形式

晶格雜質

石英中晶體結構雜質分為晶格雜質和非晶格雜質，晶格雜質主要以他類原子以類質同象的方式取代硅氧四面體中的硅原子，主要雜質元素有Al3+、Ti4+、Ge4+等。這些雜質含量很低，但從石英中分離難度較大，是制約高純石英質量關鍵性因素之一。

石英晶格中微量元素的結構圖

在石英結構性雜質中，Al雜質元素含量一般最高。由于Al是以Al3+替代Si4+的形式存在，引起了石英晶格內部電荷不平衡，當石英中存在大量Al雜質時，Li、K、Na等雜質元素的含量會增加。晶格中鋁雜質過多也會因強化學鍵導致石英制品發(fā)生析晶作用，從而影響其性能。

在現(xiàn)有加工技術下，石英原料中晶格雜質幾乎不能被除去。以晶格雜質形式存在的Al元素含量雖然極低但除去難度極大，是制約高純石英最終質量的關鍵之一。

流體包裹體

礦物或巖石中廣泛存在流體包裹體，每立方厘米中含有流體包裹體數(shù)量大約為102-109個，直徑一般小于50μm。流體包裹體的種類、尺寸和含量對高純石英質量有著顯著影響。石英中流體包裹按內含物質狀態(tài)可以分為：純氣體、純液體、氣液混合包裹體和三相包裹體。流體包裹體在形成過程中所捕獲的流體屬過飽和溶液，當溫度降低時會從溶液中結晶形成包括石鹽、鉀鹽以及一些硅酸鹽礦物的子礦物，因此流體包裹體中含有堿金屬K、Na、Li離子和堿土金屬Ca、Mg離子。

石英制品在高溫下具有變成二氧化硅的晶體（方石英）的趨向，通常稱為析晶。析晶會影響石英制品的產品性能，而堿金屬雜質會誘發(fā)析晶現(xiàn)象。相比于雜質元素，流體包裹體除去難度更大，是影響最終石英產品質量及應用的關鍵性因素之一。

小結

石英理論化學組成是SiO2，但是在自然界不存在純SiO2石英，或多或少都包含一些雜質元素，而雜質含量及賦存狀態(tài)是決定石英晶體能否成為高純石英的重要制約因素，也是影響高純石用砂應用的關鍵因素。

另一方面，高純石英砂純度與原料中雜質元素含量高低并不是簡單的對應關系，而是與原料工藝礦物學特征所決定的雜質可選性密切相關。

對此應加強對石英礦物學的基礎研究，詳細查明雜質元素在石英晶體內部的賦存狀態(tài)、數(shù)量和分布特征；并改進共伴生獨立礦物分選、包裹體雜質分離和晶格雜質脫除加工高純石英技術，從而提升高純石英砂的純度及應用。

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