中國粉體網訊 高純石英砂是石英玻璃、石英管、石英坩堝等的主要原料，高純石英高端產品是航天軍工、電子信息和光通訊行業等高科技產品的關鍵基礎材料，隨著高精尖科技產業的發展，高純石英的需求量急速增長，并且對其質量要求也愈來愈高。
來源：三菱化學
目前高純石英砂主要通過天然石英礦石提純得到，產能與高品質礦源密切相關，而SiO2純度≥99.998%（4N8）的高純石英高端產品主要被擁有高品質高純石英原料礦的海外企業壟斷，隨著全球范圍內天然水晶和高品質石英礦脈的逐漸枯竭，高純石英砂價格的不斷提升，化學合成石英砂的工藝逐漸得到重視和研究。
那合成砂未來會替代天然砂嗎？
天然石英礦制備高純石英
制備高純石英的天然高純石英原料主要有水晶、花崗偉晶巖、脈石英等。水晶原礦經過粉碎、磁選、浮選、酸浸、干燥、焙燒后得到成品石英砂，其優點是工藝簡單，但是天然水晶礦的單價高，目前，全球水晶資源逐漸枯竭，且觀賞和裝飾用水晶的需求量激增，該方法生產成本高，雜質含量高，能耗高，粉料特性不穩定，制備效率低且粒徑分布寬。
花崗偉晶巖和脈石英前期選礦后，經過酸洗、浮選、磁選、高溫氣氛焙燒等提純，提純效果較為理想，相對合成砂來說，其優點是天然石英礦價格相對低，缺點是較多金屬雜質和羥基，可用資源也少。
合成石英砂工藝路線
來源：德鑫科技
合成石英砂的生產不依賴于天然石英礦產，可以通過化學合成法制備。又因為其純度更高、光學性能更良等特性，除了在高端光學領域得到廣泛應用以外，也符合半導體制程對石英制品高純、無污染、耐高溫的要求，尤其是隨著半導體芯片線寬越來越窄，普通的天然石英材料已經無法滿足高端生產工藝的要求，合成石英成為10nm制程以下的半導體芯片刻蝕環節中的重要部件。
合成砂的技術路線包括氣相合成法、化學沉淀法、溶膠-凝膠法、四氯化硅液相水解法等。
氣相合成法
氣相合成法即火焰水解法，與氣相白炭黑工藝類似，其原理是采用硅或有機硅的氯化物（如SiCl4或CH3SiCl3等)原料，將其氣化后與氫氣、氧氣混合，在高溫下發生水解形成霧狀的SiO2，最后通過冷卻、分離、脫酸等氣固分離得到產品。該法得到的產品為氣相SiO2，粒徑小于100nm，外觀蓬松多孔，比表面積大，化學純度高，分散性較好。
氣相合成法制備SiO2流程圖
氣相合成法生產流程簡單，合成條件易控制，反應速度快，適合大規模生產；由于過程中需要高溫環境，反應生成的HCl會嚴重腐蝕設備，因此對生產設備的材質、加熱形式等要求比較嚴格。由于氣相法耗能大，加工成本較高，還需在反應條件與設備選型等方面進一步地探討和研究。
化學沉淀法
化學沉淀法是合成石英粉體較為廣泛的方法之一。沉淀法生產SiO2的原理：采用硅酸鈉與二氧化碳或酸溶液（加鹽酸、硫酸或硝酸）作為原料，在一定的合成溫度和表面活性劑的作用下混合反應，得到偏硅酸沉淀，再經過濾、洗滌、干燥、煅燒工序制備出SiO2。
沉淀法制備SiO2流程圖
沉淀法制備合成石英具有操作方便，生產流程簡單，原料易得，能耗低等優點；但是Fe3+、Al3+、Ca2+等雜質的存在會促成凝塊的形成，嚴重影響產品的質量，導致產品性能差、純度低、粒徑大，易發生團聚；也存在著反應體系的濃度較低、沉淀速度快、沉淀過程不易控制的缺點；另外，廢酸、廢水的處理給環境帶來一定的破壞。
溶解-凝膠法
溶膠-凝膠法是以無機鹽或者金屬醇鹽（一般為硅酸乙酯）為原料，以醇作為共溶劑，加入酸或堿溶液作為催化劑，進行水解，縮聚反應形成SiO2凝膠，過濾并對凝膠中的有機溶劑進行洗滌，干燥、煅燒得到SiO2粉體。
采用溶膠-凝膠法制備SiO2，生產流程簡單，合成條件易控制，對設備材料的要求不嚴格，且過程中無其他添加劑，所以制備出的SiO2純度較高、均勻度好、比表面積大。但是，成本較高，生產周期長，工業化價值不大；另外，因為實驗過程中可變因素較多，不能達到準確控制（如水解體系、干燥方式及燒結途徑等），目前只停留在實驗室小試階段。
微乳液法
微乳液法是將水和烷烴類非極性溶劑混合，在乳化劑、穩定劑等助劑作用下形成W/O或O/W乳液，選用合適的有機硅烷前驅體在乳滴中水解縮合，形成二氧化硅顆粒，將所得產物經過洗滌、烘干、煅燒等工藝，得到合成石英砂粉末。
四氯化硅液相水解法
四氯化硅液相水解法的原理是SiCl4與純水接觸發生水解或縮聚反應，之后將反應產物經洗滌、過濾、干燥、煅燒、篩選等流程，制備SiO2粉體。采用SiCl4液相水解法制備高純石英粉，由于原料中不含碳，故制備得到的SiO2粉體純度較高、羥基含量較低。但是，在規模化生產過程中，四氯化硅與水發生的水解和縮聚反應劇烈，中間過程難以管控，粉體易團聚，形成的石英粉致密度較低。因此，為了滿足產業化生產，該法仍需更深入地探究其工藝控制（如水解控制、干燥及燒結過程等），有效減少顆粒團聚現象的發生。
氟硅酸法
氟硅酸是磷酸和無水氫氟酸生產的副產品，用以生產氟硅酸鹽、氟化鹽、氟硼酸酸鹽、無水氟化氫、四氟化硅等。氟硅酸氨化法是氟硅酸與氨反應，生成氟化銨與二氧化硅；氟硅酸鹽法是氟硅酸精制后與氯化鈉反應，生成氟硅酸鈉和稀鹽酸，清洗氟硅酸鈉，再和氫氧化鈉反應，得到氟化鈉和二氧化硅；氟硅酸濃硫酸法是用濃硫酸奪去氟硅酸中的水分，氟硅酸釋放出四氟化硅和氟化氫，四氟化硅用水吸收，生成氟硅酸和二氧化硅。
合成高純石英砂的產業發展情況
日本三菱化學：市場上僅有日本三菱一家生產的合成非晶體石英砂產品，三菱化學合成石英砂是采用醇硅法制成的超純合成二氧化硅粉末，其產品純度達到7N級別，金屬雜質總量小于1ppm，是高度集成半導體制造的重要材料。它是高純度石英坩堝和硅晶片制造的原材料，也用于高端光學玻璃的生產。
國內合成石英砂尚處于研究階段，幾種方法均處于實驗室小試階段，目前仍沒有大型生產線建成生產。
中建材金格蘭石英：在合成石英砂純度方面達到6N級，建有年產50噸合成石英砂中試線，目前在籌建擴產合成砂生產線，合成砂產品已開展熔制石英坩堝和石英碇的批量應用。
江瀚新材：依托現有硅烷產品為原料合成超高純6N級石英砂，金屬離子總量＜0.1ppm，羥基含量＜60ppm，可用于生產包括石英坩堝在內的各種石英制品。公司稱目前中試線成功，預計于2025年12月建成投產。
仕凈科技：與無錫惟忻元電力合作的6N石英砂項目，其產品應用范圍包括但不限于芯片的拋光材料、光伏坩堝材料、半導體用封裝材料和醫藥制作材料等。
凱盛科技：用工業硅制備有機硅烷，再以溶膠-凝膠法，制備納米級石英粉和微米級石英砂，公司開發的合成石英砂產品純度可達6N-7N，目前正在建設5000噸生產線。
三豐智能：與武漢工程大學簽署了《關于人工合成超高純硅溶膠及超高純石英項目合作協議》，共同在超高純（6N以上級別）硅溶膠制備、人工合成超高純石英材料研發及生產領域開展深入合作。
德鑫科技：德鑫合成石英砂具有純度高、包裹體少、低羥基、可進行均勻有效摻雜等特點。是高性能石英玻璃的原料，可將各種金屬元素控制在極低水平，亦可對金屬元素進行精準雜以滿足產品特殊需求。
晶芯源新材料：公司年產4000噸高純合成石英砂生產項目總投資5億元，項目高純石英砂主要用于光伏系列產品。
硅研電子：公司主營產品包括超高純硅溶膠、電子級硅酸酯高純合成石英砂等，其高純合成石英砂SiO2含量在99.999%以上，雜質含量極低，具有強度大、純度高、耐腐蝕性能強、化學穩定性好等優點，可用于工業、電子、光學、半導體、機械、航空等領域。
結語
半導體、光伏行業、光學技術要求提高，對石英砂要求不斷提升，天然石英礦受本身伴生物質、生長環境的影響，純度幾乎到天花板，受礦產資源不可再生的影響，以化學合成工藝制備石英砂，被認為是未來技術發展的主要方向之一。
化學合成石英砂純度高于天然礦提純石英砂，但是現有各類合成方法所得石英砂成品粒徑太小或者過大，不滿足熔制石英玻璃所需粒徑；制備石英砂過程中容易出現顆粒團聚和包裹體，需對合成過程中的各類因素進行調控。另外，受限于合成成本、設備材質、生產周期、產品穩定性等因素，國內合成石英砂尚處于研發階段，未見規模化上市產品。
從技術的長期持續性看，天然砂提純在去除鋁、鈦元素方面存在瓶頸，利用合成工藝可以提高石英玻璃產業的質量水平，探索更尖端、更精密的應用，合成石英砂能一定程度上解決石英砂緊缺的問題，但能否替代天然砂，關鍵還要看未來的合成砂生產工藝能否將成本降到足夠低。
參考來源：
花寧.合成石英砂制備技術及應用
張鵬遠.合成石英砂工藝概況及幾種石英砂的檢測數據對比分析
李愛民.高純合成石英的制備技術和應用
中國粉體網
（中國粉體網編輯整理/初末）
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