中國粉體網訊  2024年11月21-22日，由中國粉體網主辦的“2024（第八屆）全國石英大會暨展覽會”在江蘇徐州成功召開! 在本次大會現場，中國粉體網記者有幸邀請到多位專家、企業界代表做客我們的“對話”欄目，就行業研究熱點、行業發展前景等方面進行了訪談。本期為您帶來的是西南科技大學孫紅娟教授的專訪。

專訪西南科技大學孫紅娟教授

中國粉體網：孫教授，您好，請問您近期做了哪些石英方面的工作？今后是否有一些研究或產業化方面的工作規劃？

孫教授：在高純石英研究上，近期主要有三方面的工作：

一是對來自于企事業單位及搜集到的高品質高純石英原料開展評價和提純試驗，在完成相關合作項目的同時，也根據對不同石英原料的認識創新高純石英加工技術的研究，特別是對花崗偉晶巖和脈石英兩類高純石英原料進行系統化的提純工藝、提純機理的深入研究，已產出一些科研成果。

二是對前期獲得的大量高純石英的分析測試數據和研究結果進行總結，對不同類型的高純石英原料進行評價和分類，將獲得的一些經驗和查明的規律應用到其他高純石英原料提純技術中，并開發新工藝、新技術，進一步對提純效果進行總結，確定這些規律是否具有普適性，逐步建立起一套具有高度應用價值的“原料評價-特征標定-針對性提純”的高純石英提純工藝技術模型。

三是積極推進產學研結合，通過與企業的項目合作，積極參與高純石英礦床勘察、原料篩選及企業產線建設和技術研發中心的建設，以期把我們的研究成果和技術應用到實際生產中，并推進高純石英材料產業的發展；通過與企業的合作，不斷發現生產過程中實際問題，進而促使我們在研究過程中探索新工藝、研發新技術。這使我們與企業相得益彰，實現優勢互補，達到合作共贏。

在研究和產業化方面的工作規劃也是基于上述的這些工作，在研究方面團隊進一步開展普適性提純全流程模型的建立，特別是針對國內的高純石英原料，通過不斷積累建立對應的高純石英選別提純數據庫，進而為不同類型高純石英原料的提純提供全程有效的模型支持；在產業化服務方面，我們在前期與生產企業合作的基礎上，不斷創新合作機制與服務內容，積極參與合作企業的籌劃、設計、建設、試運行、生產與新技術、新工藝和新產品研發的配套服務過程，與企業合作共同打造全生產工程流程的知識產權自有化高純石英制備產線，真正做到推動我國高純石英原料自給與高純石英生產技術的突破，培養一批具有扎實理論功底和實際生產經驗的技術研發人員。

中國粉體網：孫教授，請問石英坩堝工藝技術朝著高純度、大尺寸、長壽命方向發展，對石英砂提純有哪些技術要求和挑戰？

孫教授：石英坩堝的高純度、大尺寸、長壽命，歸根結底是作為坩堝原料的高純石英砂能夠滿足高純度、高結晶性、高均勻度和高穩定性的要求。

其中高純度比較好理解，就是要求原料中的雜質元素和氣液包裹體、羥基均處于非常低的水平，以保障坩堝的高純度和氣泡數量很少；

而高結晶性是高純石英砂原料中晶體結構的完整性和均勻性。高結晶性和高純度的原料能夠顯著提高石英坩堝的機械強度、耐熱沖擊性和抗晶粒生長能力，減少在高溫加工和使用過程中晶界滑移和晶體間裂紋擴展的可能性。

高均勻性體現在石英砂的純度、顆粒形態和晶體結構的一致性。坩堝材料均勻性不足可能導致局部應力集中、氣泡聚集甚至裂紋產生，以至于在高溫使用時出現局部坍塌或失效。尤其對于大尺寸坩堝，材料的不均勻性可能引起應力分布不均，從而導致坩堝壁厚不一與表面瑕疵等。

高穩定性是指批量生產的過程當中，始終可以保持石英砂的各項指標穩定，便于下游企業可以采用統一的工藝技術條件進行坩堝生產，并進一步開發高純度、大尺寸、長壽命方向的進階石英坩堝產品。

因此，石英砂原料的提純技術和加工工藝將繼續向著精細化、智能化和標準化方向發展，以支持坩堝的大尺寸化和長壽命需求，為光伏和半導體行業提供更優質的關鍵材料。

中國粉體網：孫教授，石英砂雜質元素對高端石英制品的影響有哪些？其中有何規律或經驗可以指導生產嗎？

孫教授：雜質元素對高端石英制品的影響存在于多個角度，并決定其具體的下游產品的性能和應用領域，但總的來說可以總結如下幾類：

（1）對機械性能的影響

雜質元素（如鐵、鋁、鈦等）通常以氧化物或晶格雜質形式存在，會削弱石英材料的結構完整性。如Fe、Ti會降低石英材料的強度和抗裂紋擴展能力，增加在高溫使用下的裂紋敏感性。Al雖然會提高一定的硬度，但會導致石英材料的脆性增加。

（2）對光學性能的影響

高端石英制品（如光學透鏡、光纖）對光學透過率要求很高，雜質會顯著影響其光學性能。鐵（Fe）、鈦（Ti）和鉻（Cr）等會影響可見光區域的透明性，導致石英材料出現微弱著色，而堿金屬（如Li、Na、K）雜質會引起光纖傳輸損耗增加，影響光通信的性能。

（3）對熱性能的影響

雜質會改變石英材料的熱膨脹系數和耐熱沖擊性能。堿金屬和堿土金屬（如Na、K、Ca、Mg）這些元素在高溫下可能導致石英坩堝的晶粒膨脹不均，降低其耐熱沖擊性能，并降低熔融溫度。Al和Ti會改變石英材料的高溫穩定性，使其在高溫加工時容易發生相變或形變。

（4）對化學穩定性的影響

雜質的存在可能使石英材料的化學惰性下降。堿金屬雜質在高溫環境中容易與熔融硅或其他化學物質反應，破壞制品表面的完整性。鐵、鈦在高溫和氧化氣氛下容易聚集形成雜質氧化物，并進一步擴散污染單晶硅。

（5）對電性能的影響

對用于半導體用石英坩堝和光纖材料來說，電性能至關重要，雜質會影響材料的絕緣性能，Li、Na、K這些堿金屬雜質會引發石英材料的電擊穿強度下降，在電場環境中產生電性能失效。

（6）對坩堝使用壽命的影響

部分雜質在石英坩堝當中容易遷移和擴散，如鐵和鈦雜質在高溫下容易在石英坩堝壁內遷移，進入熔融硅中，污染硅晶體，縮短坩堝的使用壽命。堿金屬遷移后會與坩堝表面的熔融硅形成化合物，降低坩堝的耐用性。

中國粉體網：孫教授，越來越多的企業稱，已經可以穩定產出99.998%以上的高純石英砂，目前高純石英制備的“卡脖子”技術難題是否已經得到解決？

孫教授：首先，國產高純石英砂的生產確實取得了很多的技術突破，部分企業生產的高純石英砂在雜質總量上確實已經達到4N8級的純度，但距離完全突破“卡脖子”技術難題尚有一些關鍵技術問題需要突破，大致可以分為這幾類。

（1）國產原料替代的問題

目前國際市場上廣泛認可的優質石英礦源仍然集中在少數國家（如美國北卡羅來納州的白崗巖礦、印度的阿咔礦等）。中國雖然發現了一些優質石英礦，但在礦石品位和開采規模上尚不能與國外典型產地的原料相比。因此，國內一部分高純石英砂生產廠家依然需要依靠進口石英礦石原料，雖在提純技術上取得明顯突破，但尚未實現國產原料的替代。

（2）高端市場認可度不足

高純石英砂生產中，產品的純度、顆粒形態和雜質分布的均勻性對應用至關重要。國內石英砂產品在一致性和長期可靠性方面與國際領先品牌（如美國矽比科、挪威TQC）仍存在差距。因此，在下游企業的認可度上，仍需進一步提升產品的純度并維持產能和質量的穩定，特別是半導體和光伏領域對供應鏈的穩定性要求很高。目前，國內石英砂企業進入全球頂級客戶（如ASML、英特爾、臺積電等）的高端供應鏈仍需一定時間。

（3）產品可控性不強

在高端高純石英產品生產當中，不同類型的產品除要求整體純度較高外，對各類雜質元素的數量均有所限定，雖然部分高純石英砂總體雜質含量滿足要求，但具體到某一項上仍有不足，如Al含量過低，而Ca、Ti等元素過高。同時，部分下游企業還需對粒度范圍、羥基含量、氣液包裹體含量等做進一步要求。因此，我國要完全實現突破“卡脖子”關鍵技術，不僅需要實現國產原料的完全替代，而且還需建立體系化的檢測-標定-定向除雜甚至是雜質含量可控的提純技術，才能徹底保障國產高純石英砂突破外國企業封鎖。

未來，通過加強技術研發、原料開發和市場開拓，中國完全解決高純石英砂“卡脖子”難題的目標是可以實現的，但仍需持續努力和長期投入。

中國粉體網：孫教授，對美國矽比科公司、挪威TQC公司和中國江蘇太平洋石英股份有限公司生產坩堝用高純石英砂產品性能對比研究，對我國高純石英規模化生產有怎樣的啟示？

孫教授：這三家高純石英生產廠家屬于國際認可度較高的企業，對美國矽比科公司（Unimin）、挪威TQC公司和中國江蘇太平洋石英股份有限公司生產的坩堝用高純石英砂產品性能進行對比研究，可為我國高純石英砂的規模化生產提供寶貴的經驗與啟示。

（1）堅持優質礦源篩選與開發

美國Unimin和挪威TQC依賴于高品質天然石英礦石開發了系列的高純石英提純技術，其高純化技術的領先除基礎研究方面的領先外，更多是因為他們的研究具有更強的針對性，在保障礦源供應的情況下可以對持有的原礦不斷進行深度的提純工藝研究，不需要考慮更換石英原礦與原有技術是否還適用的問題，可以很大程度上提高研究的效率。因此，我國也需加強對高品位礦源的勘探與開發，逐步減少對國外原料進口的依賴。

（2）強化深度提純技術和開發先進檢測技術

部分研究學者和企業酸洗和氯化焙燒技術研發上已取得進展，但對比目前成熟的高純石英砂產品，仍需進一步優化反應條件和工藝流程，提升對難除雜質（如鈦、鋁）的去除能力，對齊國際先進技術指標，提高石英砂顆粒的純凈度。同時也借鑒Unimin和TQC粒度分布和形態分析技術，通過優化破碎和造粒工藝，提升顆粒的球形度和表面光滑度。包括對過程檢測技術進行開發和規范化，建立起能夠快速識別和量化ppm或ppb級的雜質含量的檢測手段與標準，為工藝優化和穩定性提供檢測技術與數據支撐。

（3）優化生產工藝與質量控制體系

建立完善的企業工藝執行標準和質量控制體系，增強產品的穩定性。在研究過程中，我們團隊對幾組不同批次的國外高純石英砂進行對比，發現其雜質含量、顆粒粒徑、產品形貌特征都保持著極高的一致性，這可保障后端企業對國外高純石英砂性能具有充分的信任，并在后端加工過程中實現穩定化、標準化，進而大幅度降低企業的應用試錯成本。因此，我們也應當學習國際領先企業，引入自動化控制系統，確保生產過程中的一致性和精確性。通過先進的質量控制體系和過程監控，減少大規模生產中高純石英產品的性能波動，確保批次間產品一致性。

我們要正視與國際先進水平的差距，不斷學習國外的先進加工技術和生產管理制度與質量管理體系，努力攻克石英提純關鍵技術，以求早日實現國產高純石英砂達到國際先進水平，突破“卡脖子”問題，實現規模化生產。

(中國粉體網編輯整理/九思)

注:圖片非商業用途，存在侵權告知刪除!