高純石英是指SiO?純度極高、雜質(zhì)元素含量極低的石英及其產(chǎn)品。它并非一種天然礦產(chǎn)，而是由水晶、脈石英、石英巖、花崗偉晶巖等礦石作為原料，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的提純工藝加工而成。一般而言，高純石英砂的SiO?含量需高于99.98%，甚至達(dá)到99.995%（4N5）或更高。此外，對(duì)于雜質(zhì)元素如Na、K、Li、Al、Ca、Fe、Ti、B、P等的含量也有嚴(yán)格限制，通常要求這些雜質(zhì)的總和低于某一特定值，且每個(gè)雜質(zhì)元素的含量均不得超過(guò)其上限。

高純石英因其耐高溫、耐腐蝕、絕緣度高、熱膨脹系數(shù)低、透光性好等優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，在半導(dǎo)體、光伏、光纖通信、光學(xué)、電光源等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛應(yīng)用前景。在半導(dǎo)體行業(yè)中，高純石英砂是硅片制造過(guò)程中擴(kuò)散、蝕刻等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵材料；在光伏領(lǐng)域，它則是制造石英坩堝的主要原料，而石英坩堝又是生產(chǎn)單晶硅不可或缺的支撐材料。

目前全球可以加工高純石英的礦床非常稀少，主要分布于美國(guó)、挪威、俄羅斯、印度、安哥拉等國(guó)家，礦床類型主要為花崗偉晶巖型（含偉晶狀花崗巖型）、脈石英和水晶。

典型的高純石英原料礦床

天然石英礦物根據(jù)成因類型可以分為巖漿型、變質(zhì)型和水熱生長(zhǎng)型。國(guó)際上典型的高純石英原料礦床有包括美國(guó)Spruce Pine高純石英礦床等。Spruce Pine高純石英原料礦坐落于美國(guó)北卡羅來(lái)納州西部米切爾縣（Mitchell County）的斯普魯斯派恩鎮(zhèn)，該礦供給了全球90%以上的高純石英砂需求量，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)甚至是唯一的來(lái)源地。

在阿樂(lè)漢尼綠片巖運(yùn)動(dòng)的影響下，該地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)與其它地區(qū)具有顯著不同的變形，導(dǎo)致石英動(dòng)力學(xué)重結(jié)晶，石英顆粒晶體塑性變形，晶體內(nèi)空隙雜質(zhì)沿著新形成的顆粒界限集中，與變形運(yùn)動(dòng)相隨的液體，有助于雜質(zhì)的溶解和遷移，使雜質(zhì)從重新結(jié)晶的石英顆粒中移出。

石英礦床形成時(shí)，溫度和壓力對(duì)石英質(zhì)量有重要影響，特別是在石英形成后期，高溫高壓作用有利于石英晶粒內(nèi)部雜質(zhì)向晶界邊緣或微細(xì)包裹體中遷移，且形成的石英中流體包裹體含量較少，可能具備加工為高純石英的潛力。巖漿型花崗偉晶巖石英是高溫巖漿緩慢結(jié)晶而成，巖漿溫度高冷卻時(shí)間長(zhǎng)，石英體系中雜質(zhì)易析出，因而巖漿巖型花崗偉晶巖中的石英純度極高，氣液包裹體極少，可能會(huì)被加工為高純石英。

高純石英原料評(píng)價(jià)指標(biāo)

天然石英能否加工為高純石英的影響因素主要有原料純度、嵌布粒度、脈石礦物及晶界雜質(zhì)、包裹體及晶格雜質(zhì)等。

原料純度

純度是高純石英原料評(píng)價(jià)的首要指標(biāo)。高純石英的SiO2純度要求極高，雜質(zhì)元素含量極低。對(duì)于SiO2純度的具體界定，行業(yè)內(nèi)尚未形成統(tǒng)一共識(shí)。但一般而言，SiO2純度大于99.9%（3N）的石英砂即可被視為高純石英系列產(chǎn)品的總稱。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，高純石英的純度要求可進(jìn)一步細(xì)分為多個(gè)等級(jí)。例如，有些機(jī)構(gòu)認(rèn)為SiO2純度在99.95%、總雜質(zhì)含量小于萬(wàn)分之五的石英即為高純石英；而有些場(chǎng)合則要求SiO2純度達(dá)到99.998%（4N8）甚至更高，以滿足半導(dǎo)體、光伏等高端產(chǎn)業(yè)的需求。

除了SiO2純度外，雜質(zhì)元素的含量也是評(píng)價(jià)高純石英原料純度的重要指標(biāo)。常見(jiàn)的雜質(zhì)元素包括Al、Ti、Li、Na、K、Ca、Mg、Fe、P、B等。這些雜質(zhì)元素的含量通常要求極低，如Al的含量應(yīng)小于十萬(wàn)分之三至百萬(wàn)分之一不等，Ti的含量應(yīng)小于十萬(wàn)分之一至百萬(wàn)分之一不等，其他元素如Na、K、Li、Ca、Fe等也有相應(yīng)的嚴(yán)格限制。

因此，可以以SiO₂、Al、(Ti+Li)的含量作為高純石英用硅質(zhì)原料評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的方案。

將高純石英用硅質(zhì)原料純度劃分為兩個(gè)品級(jí)：

高純硅質(zhì)原料：SiO₂≥99.9%，Al≤700×10^-6，Li+Ti≤200×10^-6；

超純硅質(zhì)原料：SiO₂≥99.995%，Al≤35×10^-6，Li+Ti≤10×10^-6。

嵌布粒度

嵌布粒度是指礦物顆粒在礦石中的分布和大小。對(duì)于高純石英原料而言，嵌布粒度的大小直接影響石英的單體解離難度和選礦提純加工的效率。脈石礦物（如白云母、鐵質(zhì)礦物等）與石英的嵌布關(guān)系越復(fù)雜，石英單體的解離難度就越大，提純加工的成本也就越高。因此，在評(píng)價(jià)高純石英原料時(shí)，需要對(duì)其嵌布粒度進(jìn)行細(xì)致的分析和評(píng)估。

當(dāng)石英呈微晶、細(xì)晶結(jié)構(gòu)時(shí)，這些賦存在晶界面的雜質(zhì)很難被剔除，石英砂包含的晶界面越多越不利于石英提純。因此由多晶石英組成的石英砂難以達(dá)到高純石英高端產(chǎn)品要求。通常石英結(jié)晶粒度應(yīng)達(dá)到0.35mm以上，建議為0.5mm以上。

脈石礦物及晶界雜質(zhì)

脈石礦物是與石英出現(xiàn)在同一空間上的其他礦物，它們主要影響高純石英原料礦石的初始品位和選礦產(chǎn)率。常見(jiàn)的脈石礦物有長(zhǎng)石、云母、金紅石、方解石、螢石以及磁鐵礦和赤鐵礦等含鐵類礦物。這些脈石礦物的存在會(huì)增加石英提純的難度和成本。因此，在評(píng)價(jià)高純石英原料時(shí)，需要對(duì)其脈石礦物的種類、含量和分布進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查和分析。

晶界雜質(zhì)則是指存在于石英晶粒之間的雜質(zhì)。這些雜質(zhì)可能對(duì)高純石英的純度產(chǎn)生一定程度的影響。在提純加工過(guò)程中，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)去除這些晶界雜質(zhì)，以確保最終產(chǎn)品的純度。

不同成因類型巖石中，與石英共伴生的礦物種類和賦存狀態(tài)并不一樣。巖漿成因巖石如花崗偉晶巖中與石英共生的礦物有堿性長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、云母等主礦物以及磷灰石、鋯石、金紅石、電氣石等副礦物，花崗偉晶巖中石英礦物含量往往＞20%；沉積成因巖石如石英砂巖，與石英共伴生的礦物有長(zhǎng)石、云母、粘土礦物、鋯石、有機(jī)物等，巖石中石英礦物含量往往＞90%，但是在沉積成巖過(guò)程中，往往伴隨不同顆粒膠結(jié)和次生加大現(xiàn)象，云母、長(zhǎng)石、粘土礦物等物質(zhì)也容易被多期次生長(zhǎng)石英膠結(jié)包裹；變質(zhì)成因巖石如石英巖，與石英共伴生的礦物有長(zhǎng)石、云母、角閃石以及紅柱石、十字石等不同級(jí)別的變質(zhì)礦物，這類巖石中石英含量＞75%，石英往往經(jīng)歷重結(jié)晶，存在多期次生長(zhǎng)并包裹金紅石、紅柱石等礦物現(xiàn)象。除常規(guī)的與石英共伴生的脈石礦物外，沿著石英礦物的晶界、礦物凹陷或礦物裂隙等還會(huì)存在長(zhǎng)石、云母等雜質(zhì)微晶，這類雜質(zhì)通常獨(dú)立賦存于礦物晶界，也可以理解為一種更細(xì)粒度的脈石礦物。

包裹體

包裹體是指被礦物包裹在內(nèi)部的其他礦物或流體。在高純石英原料中，包裹體的存在可能對(duì)石英的純度產(chǎn)生顯著影響。包裹體的類型、形態(tài)、大小、數(shù)量等特征都是評(píng)價(jià)高純石英原料時(shí)需要考慮的重要因素。為了準(zhǔn)確評(píng)估包裹體的影響，需要借助電子顯微鏡、激光拉曼光譜儀等高端設(shè)備進(jìn)行分析和檢測(cè)。

石英中廣泛分布有不同尺寸的固相、液相、氣相以及混合相的包裹體，是自然界中最重要的包裹體寄主礦物。由于包裹體賦存于天然石英礦物中，在不破壞石英晶體結(jié)構(gòu)的條件下，只能實(shí)現(xiàn)少部分大尺寸包裹體的去除。

晶格雜質(zhì)

石英晶體在形成過(guò)程中，一些元素會(huì)替代硅元素進(jìn)入石英晶體中，形成了石英的結(jié)構(gòu)性雜質(zhì)。石英中常見(jiàn)的晶格雜質(zhì)元素有Al、Ti、Li、Na、K、Ge、OH等，從石英中分離難度大，是制約高純石英質(zhì)量最關(guān)鍵性因素。在現(xiàn)有加工技術(shù)下，石英原料中晶格雜質(zhì)幾乎不能被除去。

晶格雜質(zhì)是指存在于石英晶格中的雜質(zhì)元素。這些雜質(zhì)元素通常很難通過(guò)常規(guī)的選礦手段和化學(xué)提純方法去除，是影響高純石英純度和產(chǎn)品性能的重要因素之一。在評(píng)價(jià)高純石英原料時(shí)，需要對(duì)晶格雜質(zhì)的種類、含量和賦存狀態(tài)進(jìn)行深入的分析和研究。

石英晶格的外來(lái)元素中，Al的研究和分析是最重要的，是判斷高純石英礦物原料品質(zhì)的重要標(biāo)志物，這是因?yàn)槠湎噍^天然石英中其他雜質(zhì)元素，Al含量往往最高，也最容易通過(guò)測(cè)試分析方法分析出來(lái)。當(dāng)石英中存在大量Al雜質(zhì)時(shí)，Li、K、Na等雜質(zhì)元素的含量會(huì)增加。除Al外，Ti也是判斷高純石英礦物原料品質(zhì)的重要標(biāo)志物之一，由于Ti-O鍵非常穩(wěn)定，不易破壞，無(wú)論是晶格間Ti還是包裹體中的含Ti礦物，均很難通過(guò)常規(guī)的選礦手段和化學(xué)提純方式經(jīng)濟(jì)合理除去，因此當(dāng)石英中Ti含量超過(guò)一定程度時(shí)，其也很難加工成高純石英。

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