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        石英的工業應用和價值與SiO2的純度有何關聯?

        • 分類:行業動態
        • 作者:汪靈,《石英的礦床工業類型與應用特點》
        • 來源:中國非金屬礦信息平臺
        • 發布時間:2020-09-07 13:38
        • 訪問量:0

        【概要描述】

        石英的工業應用和價值與SiO2的純度有何關聯?

        【概要描述】

        • 分類:行業動態
        • 作者:汪靈,《石英的礦床工業類型與應用特點》
        • 來源:中國非金屬礦信息平臺
        • 發布時間:2020-09-07 13:38
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        石英的工業應用和價值與SiO2的純度有何關聯?

        中國非金屬礦信息平臺 3月23日

        石英的工業應用十分廣泛,使用量和工業產值巨大,尤其是在電子信息、新材料和新能源等戰略性新興產業中得到廣泛應用。與其他非金屬礦相比,石英礦物原料工業應用的一個顯著特點是同時存在三種形式:利用礦物晶體固有的物理和化學性質,如3D打印砂、結晶硅微粉等;提供有用化學成分,是硅酸鹽材料的最基本原料;冶煉提取有用元素Si,目前是金屬硅及其提純加工產物多晶硅和單晶硅的唯一原料。

        石英礦物原料工業應用的三種形式與應用實例示意圖

        據了解,目前我國每年各種石英礦物原料的用量1億t左右。石英工業應用的最重要特點是,應用十分廣泛,產品種類繁多,用量巨大,工業產值很大,不同品種的價格懸殊巨大,一些品種的附加值很高。隨著戰略新興產業的興起和發展,石英的工業應用大大超越傳統應用范圍,尤其是在電子信息、新材料和新能源等戰略性新興產業中得到廣泛應用,并由于石英是硅產業的物質基礎,SiO2純度≥99.998%的高純石英和高純球形硅微粉分別是晶圓用單晶硅生長和芯片封裝所需的關鍵材料,因此石英已成為一種重要的戰略性非金屬礦產。

        石英的工業應用和價值與SiO2的純度有著密切的關系。目前,根據石英SiO2純度及其工業應用特點,本文作者將石英及相關產品歸納為三大類:w(SiO2)99%±產品,w(SiO2)99%~99.9%產品,w(SiO2)>99.9%產品。

        石英礦物原料的 SiO2 純度與價格的關系: IOTA-STD為美國尤尼明公司 ( Unimin Corp.) 生產的SiO2純度≥99.998% ( 4N8)的高純石英高端產品

        01

        w(SiO2)99%±產品

        w(SiO2)99%±產品應用:主要包括各種浮法玻璃、日用玻璃(如玻璃杯、酒瓶等)、玻璃纖維、陶瓷、鑄造(型砂和覆膜砂)、耐火材料、冶金等;同時還包括金屬硅(工業硅)、石油壓裂支撐劑和3D打印砂等新的應用領域。

        特點:一般單價不高,單位質量產品的附加值不大,但其用量很大,工業產值十分可觀。

        玻璃:據市場調查分析資料,僅四川玻璃工業對石英砂需求為600萬t/a,而我國日用玻璃制品(玻璃器皿、玻璃保溫容器、玻璃包裝容器等)總產量已經達到3000萬t,工業總產值已經達到2000多億元。目前我國人均日用玻璃制品的消費量還不足15kg,而歐美國家的人均日用玻璃制品消費量已達50kg,說明還有很大市場潛力。

        鑄造:鑄造用石英砂是用量最大的鑄造原砂,是一種重要的造型礦物材料,廣泛用于鋼鐵和有色金屬的鑄造。我國鑄件總產量已連續多年位居世界首位。據統計,每生產1t合格鑄件,需要1~1.3t的石英砂,全國每年消耗的新砂在2000萬t以上。

        值得一提的是,在目前國內市場上w(SiO2)99%±的石英砂產品中,根據其TFe含量有w(TFe)≦0.08%的普砂,w(TFe)≦0.05%的精砂,以及w(TFe)≦0.01%的低鐵石英砂等品種。如圖3最右邊所示,它們所對應的價格范圍相差好幾倍。其中,低鐵石英砂是近年來用量增長較快的品種,主要用于生產超白玻璃和五糧液水晶瓶等。超白玻璃一種透明度很高的玻璃,在光伏新能源產業和特殊裝飾等方面有廣泛應用。

        金屬硅:目前,我國金屬硅的產能世界第一。石英的另一個新用途是用于硅產業所需金屬硅生產。戰略性新興產業所需要的多晶硅和單晶硅就是以金屬硅為原料進一步提純加工得到的。金屬硅是石英和焦炭的冶煉產品,主要成分Si含量在98%左右(近年來w(Si)99.99%的也在金屬硅之列),其余雜質為鐵、鋁、鈣等。據了解,金屬硅對石英礦物原料的純度要求并不高(w(SiO2)>99.2%,w(TFe)<0.5%),但對石英原料塊度和高溫防爆性還有一定要求。

        02

        w(SiO2)99%~99.9%產品

        w(SiO2)99%~99.9%產品應用:主要是用于電工電子和集成電路等各種二氧化硅微粉。

        硅微粉:硅微粉產品系列比較復雜,應用十分廣泛,除大型集成電路和芯片用硅微粉對SiO2純度有更高要求外,其它硅微粉通常要求w(SiO2)99%~99.9%,w(TFe)<100ppm。如表1所示,根據國家標準SJ/T10675—2002和筆者研究認識,硅微粉有多種分類和品種。

        由此可見,硅微粉是以二氧化硅為主要成分的粉體系列產品的總稱。其特征是:(1)其形態是細小的粉體,而不是砂粒狀;(2)其物相有可能是石英(如結晶硅微粉),也可能不是石英(如方石英硅微粉、熔融非晶態硅微粉、非晶態球形硅微粉、復合硅微粉等),但都是以石英礦物為原料加工制備的;(3)其化學成分以二氧化硅為主要成分,但也可含較多的其它成分(如普通硅微粉w(SiO2)≥99.40%,復合硅微粉w(SiO2)55%左右);(4)其應用主要是作電工、電子等聚合物產品的填料。

        硅微粉的一個重點應用領域是集成電路覆銅板(CCL)。集成電路產業作為信息技術產業的核心,是支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產業。覆銅板作為集成電路的最主要載體,在集成電路中充當工業基礎材料。目前應用于集成電路覆銅板的硅微粉主要有結晶型硅微粉、熔融型(無定型)硅微粉、球形硅微粉、復合硅微粉、活性硅微粉等五個品種。它們各有優勢和缺點。我國擁有全球規模最大的集成電路產能和市場,需求將繼續保持快速增長。其中,復合硅微粉作為一種復合改性的新品種,已表現出較好使用效能和市場前景。

        硅微粉另一個重要的應用領域是芯片封裝材料。芯片從設計到制造非常不易,芯片封裝顯得尤為重要。據了解,由于芯片相當小且薄,如果不在外施加保護,就很容易被刮傷損壞。由于芯片的尺寸微小,如果不用一個較大尺寸的外殼,人工難以安置在電路板上。全世界95%以上的芯片封裝材料主要為環氧塑封料,其在生產過程中需大量使用具有特殊性質的超細高純球形硅微粉作封裝填料。目前,我國芯片產能在全球市場份額的占比還較少,芯片用球形硅微粉主要用戶也在國外,日本的技術和產品均處于領先水平。

        硅微粉加工制備技術主要包括提純、超細、分級、球化、復合改性、表面改性等。目前,如何進一步提高提純、超細、分級加工的性價比,如何針對集成電路覆銅板和電子電工聚合物材料特點進行有針對性地表面改性,以及如何針對應用特點進行復合改性等,還有大量工作要做,尤其是芯片封裝所需的超細高純球形硅微粉我國還處于空白。近幾年來,本文作者側重開展了集成電路覆銅板用復合硅微粉等研發工作,相關成果已進入產業化實施階段。

        03

        w(SiO2)>99.9%產品

        w(SiO2)>99.9%產品應用:主要包括高純石英及其玻璃制品等。

        高純石英:高純石英是石英制品的原料,是硅產業高端產品的物質基礎,廣泛運用于光伏、電子信息、光通訊和電光源等行業,在電子信息、新材料和新能源等戰略性新興產業中具有重要地位和作用。

        高純石英(high-purityquartz)是SiO2純度大于99.9%的石英系列產品的總稱。如表2所示,其產品等級可按SiO2純度或Al、B、Li、K、Na、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni等雜質元素總量進行劃分,每個等級的高純石英可按粒度分為不同粒度大小的品種。

        高純石英具有與硅微粉完全不同的特征:(1)其形態是具有一定粒度的砂粒狀,而不是細小的粉體;(2)其產品品種相對較少,其物相100%為石英晶體材料;(3)其化學成分SiO2純度大于99.9%;(4)如表3所示,高純石英高端產品主要用于光伏行業、電子信息行業、光通訊行業和高端電光源行業等戰略性新興產業的領域。其中,SiO2純度≥99.998%(4N8)的高純石英高端產品不僅是一種礦物功能材料,而且是半導體、光伏、電子信息和高端電光源等生產必不可少的關鍵基礎材料,也是我國芯片(晶圓用單晶硅)發展必需的關鍵材料之一,在電子信息、新材料和新能源等戰略性新興產業以及國防軍工、國家安全中具有十分重要的地位和作用。

        我國光伏、高端電光源和電子信息等行業對高純石英需求很大。由于我國高純石英技術與國際先進水平的差距依然很大,所生產的石英制品大部分為中低端產品,主要用于低端電光源等行業。高純石英高端產品還需從國外高價進口,以滿足光伏、電子信息及高端電光源等行業的生產需要;或直接進口由高純石英高端產品制備的石英棒和石英錠,以滿足高檔石英玻璃制品和器件產生的品質需求??偟膩砜?,我國是高純石英消費大國,中低端產品自給有余,部分出口,高端產品仍然依賴進口嚴重。高純石英的進口量遠大于出口量,對外依存度高,近年來進口總量總體呈上升趨勢。
        目前,我國高純石英技術已經取得一定進展,主要標志是初步具有4N高純石英中端產品的批量生產能力,并基本掌握了高純石英質量檢測技術;但我國目前還沒有4N8及以上高端產品生產能力,表明與國際先進水平的差距依然很大。高純石英技術包括原料選擇技術、提純工藝技術、加工裝備技術和質量檢測技術等四個方面,它們是既相互獨立,又相互聯系和相互制約的技術整體。發展我國高純石英技術是一項系統工程。我們研究團隊多年研究和實踐證明,高端產品生產必須采用高純石英優質原料,因為任何一種天然石英原料都存在一定雜質和提純加工局限性;依目前的技術水平,能夠提純加工高純石英高端產品的只是極少數,甚至是極個別。所謂高純石英優質原料是指在一定的工藝條件下,能夠提純加工出SiO2純度大于99.998%(4N8)的高純石英高端產品的天然石英礦物原料。我國高純石英技術仍然落后的根本原因是,迄今為止還沒有發現能夠穩定滿足工業生產需要的高純石英優質原料,并在原料選擇、提純工藝和加工裝備等方面存在盲目性。

        來源:汪靈,《石英的礦床工業類型與應用特點》

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