高纯石英——二氧化硅中的“大熊猫”

石英是自然界中最常见的矿物之一，是一组由二氧化硅（SiO2）组成矿物的学名，广泛应用在玻璃、建筑、宝玉石装饰等传统行业。20世纪60年代以来，计算机、新材料、新能源等新兴技术对石英产品的纯度提出更高要求，诞生了高纯石英的概念。

高纯石英是国家战略性产业和支柱性产业发展过程中不可替代的基础性材料，是半导体芯片、太阳能光伏、光纤通信、航空航天、精密光学和特种玻璃等高新技术产业不可缺少且无法替代的重要功能性材料，是真正“卡脖子”的矿物资源。在自然界中，虽然石英的分布非常广泛，但纯度很高的高纯石英却很稀有。

1 什么是高纯石英？

高纯石英是天然形成的(如水晶)或由较纯净的石英原料提纯加工而成的高品质石英。由于不同产业对石英的质量要求千差万别，所以，时至今日全世界也没有统一的高纯石英质量标准。

挪威和美国一些学者依据用在半导体和光伏产业的石英玻璃的质量要求，认为石英的杂质总含量要小于百万分之50，也就是说SiO2的纯度要达到99.995%以上，才能称为高纯石英。我国一些学者认为SiO2纯度达到99.9%或者99.99%以上的石英，就是高纯石英。

高纯石英——二氧化硅中的“大熊猫”

图片来源：太平洋石英

一般来说，石英的纯度越高，杂质元素含量越低，质量就越好。这是因为，纯度高的石英具有更好的耐高温、耐腐蚀、低热膨胀性、高绝缘性和透光性等特性，才能满足半导体芯片、太阳能光伏、精密光学等高科技产业的质量要求。

2 高纯石英的战略意义

早在2011年，国务院办公厅发布《找矿突破战略行动纲要(2011～2020年)》就明确将高纯石英等作为战略性新兴产业所需的矿产。在2017～2019年版《重点新材料首批次应用示范指导目录》中也多次提到高纯石英及其原料。相关文件《建材工业发展规划（2016—2020）》《产业关键共性技术发展指南（2017年）》《产业结构调整指导目录（2019年）》《鼓励外商投资产业目录（2019年）》等也大力支持高纯石英的发展。2020年四部委联合出台的《关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见》中，也明确要求聚焦重点产业领域，加快重点材料、关键芯片、高端元器件等核心技术的攻关。高纯石英及其原料与这些领域息息相关，目前与高纯石英有关的部分核心技术尚未取得突破，有必要将高纯石英相关的核心技术上升到国家战略的角度进行攻关。

另外，中国高纯石英及其原料的供应风险较高。一方面，其资源主要集中在国外生产，国内生产的比例较低，随着中国制造2025的不断推进，高纯石英及其原料的供需矛盾也将愈发突出；另一方面，由于受政治局势的影响，其贸易通道具有较大的不安全性，未来高纯石英及其原料的供应将面临巨大的风险。从经济价值的角度来看，这一类资源对我国战略性新兴产业的发展具有重要的作用。虽然所占的比例不高，但如果这一类资源的供应受到限制，将直接影响到战略性新兴产业的高效有序发展。

3 高纯石英的制备

高纯石英的制备方法主要有3大类，分别为天然水晶粉磨加工、石英矿物深度提纯及化学加工合成。

3.1 天然水晶粉磨加工

高纯石英最初是从一、二级天然水晶中深度提纯得到的，天然水晶制备高纯石英砂工艺较为简单，水晶原矿经过粉碎、磁选、浮选、酸浸、干燥、焙烧后得到成品石英砂。

但目前我国水晶资源逐渐匮乏，成本越来越高；且生产过程中杂质含量高、能耗高、产品质量稳定性差。目前，我国提纯高纯石英的一、二级水晶主要来自江苏东海，单价约为30.0~40.0元/kg，且该地区规模较大的一、二级水晶矿业基本枯竭。

3.2 石英矿物深度提纯

由于天然石英矿物价格低、资源相对丰富，制备过程污染小等优点，目前高纯石英砂主要是从石英矿物中提纯。

石英矿物深度提纯主要是除去其中少量或微量杂质，获得高纯石英，常用擦洗、重选、磁选、浮选、酸浸、高温氯化等选矿工艺。根据当前技术水平，人们可以从脉石英、石英岩、粉石英和伟晶岩等矿产资源中，甚至是一些金属矿的尾矿中提纯出高纯石英。在众多石英矿物矿床中，花岗伟晶岩是最为理想的提纯高纯石英的矿物。

然而，全球能够加工成高纯石英原料资源分布较少，且不均匀。

3.3 高纯石英化学加工方法

近年来关于化学合成法制备高纯石英的研究逐渐受到国内外的重视。目前，高纯石英的化学加工方法主要有气相合成法、化学沉淀法、溶胶-凝胶法、四氯化硅液相水解法等。

目前，全球高纯合成石英材料主要生产企业包括美国康宁公司、德国贺利氏、日本东曹株式会社、日本信越石英株式会社以及国内的菲利华。

4 我国高纯石英现状

由于生产原料的特殊性和技术保密等原因，高纯石英及其原料的生产和出口高度集中在世界少数国家和企业中，其中高端的加工提纯技术和产品主要被美国等发达国家所掌握，我国的高端高纯石英主要依靠进口。

2019年全球高纯石英进口量20.54万t，其中中国进口量为14.45万t，是全球第一大高纯石英进口国，占全球进口总量的70.35%。在中国高纯合成石英市场，美国康宁公司高纯合成石英产品占比最高，达33.4%；德国贺利氏在中国高纯合成石英市场占比21.0%；日本东曹株式会社的高纯合成石英产品占国内市场的16.9%；国内企业菲利华的高纯合成石英目前国内市场占比9.8%左右。

高纯石英产品质量受高纯石英原料资源质量控制。当前我国对高纯石英原料的勘查评价工作不多，至今尚没有发现规模大、质量稳定的高纯石英原料矿床，无法为生产企业提供质量稳定的高纯石英原料。我国高纯石英的产能并不能满足市场的需求，供需矛盾将逐步凸显。

5 高纯石英应用

半导体、光通讯、光伏、光学、电光源等行业和领域是支撑战略性新兴产业发展的重要领域，是建设重大工程、改善民生、巩固国防军工的重要保障，在国民经济建设中占有重要的地位，高纯石英被广泛应用在这些行业和领域中，是这些领域所需求的稀缺类共性高增值矿物资源。

高纯石英制品主要应用领域

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