高纯石英的非凡用途
2019-04-23 09:07 来源:石英 编辑:矿材网

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 石英是地球表面分布最广的矿物之一,主要成分是SiO2,无色透明,常含有少量杂质成分,而变为半透明或不透明的晶体,质地坚硬,约占地壳总体积的12%。石英的工业应用十分广泛,具有应用领域广、产品种类多、用量大、工业产值大、价格悬殊等特点。石英是玻璃、电子及电器、水处理、机械铸造、人造石英石、日用陶瓷、冶金、超硬材料、化工、水泥、功能填料、石油钻井等近百种传统工业产品的重要原料。


 人类社会的发展史就是一部材料发展史。材料是人类用于制造机器、构件和产品的物质,是人类赖以生存和发展的物质基础。人类社会经历了石器时代、青铜时代、铁器时代、钢铁时代,从1950年开始步入硅时代。无论哪个时代,都是以人类制造和使用的材料来命名的,而材料的来源归根结底都是来自于天然矿物资源。当今世界正由工业时代走向信息时代。在信息时代,领头的半导体材料是硅,可做半导体材料的品种主要是硅、锗、砷化和磷化镓等,而其中硅占整个半导体材料产量的90%左右,这就是人们把现时代称为硅时代的原因,其中高纯石英在硅时代独占鳌头。


 高纯石英是世界稀缺和我国短缺的高技术战略矿物资源,是由天然石英矿物为原料经过一系列物理和化学提纯技术生产的一种重要且急需的高纯非金属矿物材料。因其具备良好的耐高温性、耐腐蚀性、光学特性、热稳定性和绝缘性,被广泛应用于高端电光源、大规模及超大规模集成电路、太阳能电池、光纤、激光、航空航天和军工等领域。由于这些高科技领域关系到国家的长远发展,高纯石英一直被各国政府列入高技术领域而受到严格?;?,导致全球能够生产超高纯石英的企业寥寥无几。目前只有美国、日本、俄罗斯、德国在高纯石英加工生产技术上处于世界领先地位。长期以来,美国尤尼明公司以90%的市场占有率垄断国际高纯石英市场,其他几个国家仅可以做到满足自己国家对高纯石英的需求。目前,我国国产高纯石英产量是远不能满足高新技术应用领域对其的需求。为使我国在半导体、太阳能光伏和光纤、航空航天和军工等高新技术领域不受制于人,掌握高纯石英大量制备技术已迫在眉睫。高纯石英的非凡用途主要体现在以下领域:


一、新一代信息技术领域


 高纯石英砂制备得到的高性能石英玻璃制品,是通信工业用光导纤维及附属光电元件生产的基本原料,用来生产单模和多模光纤预制棒、石英套管。石英玻璃材料做成的器件应用尤为广泛,如:石英扩散管、大型扩散钟罩、石英清洗槽、石英炉门等多种产品。


光通讯用光纤光缆


 集成电路产业链的芯片制造环节,需要使用多种辅助性石英器件。首先在硅片制造过程中,石英玻璃被大量使用制备圆晶IC载体(拉制单晶)的石英坩埚,其次在圆晶制造加工过程中,石英玻璃扩散管以极扩管配套的石英法兰、石英玻璃炉管、石英舟等都是以高纯石英为主要原料。


 用于半导体芯片光刻环节中的光掩膜版的主要基板材料也是石英玻璃。由于光掩膜版是液晶显示器、半导体等制造过程中的图形“底片”转移用的高精密工具,决定了电子元器件产品精度和质量,对其使用的石英玻璃材料要求极高,一般的光掩膜版的石英玻璃基片需要高纯石英作为基础材料。


 高纯石英是制备信息显示玻璃的重要原料,主要用于智能手机、智能穿戴设备、OLED电视中的TFT-LCD基板玻璃、超薄触摸屏玻璃、高强盖板玻璃等。


二、高端装备制造领域


 高精度显微光学仪器,高清晰度、高透光率的光学透镜,准分子激光光学装置,投影仪等其他高级光学仪器的生产制备中都是以高纯石英为基础性原料。


 高纯石英是生产耐高温石英灯管的基本原材料,常用来生产高性能、耐高温灯具,如紫外灯、高温汞灯、氙灯、卤素灯、高强度气体放电灯。


三、新材料领域


 石英纤维是用高纯石英或天然水晶为原料制得的一种无机纤维。它具有固体石英的一些优良性能和特点,是一种优良的耐高温材料,也可以被用作先进材料的一种增强相。同时石英纤维具有高电绝缘性能、耐烧蚀、抗热震、优良的介电性能和良好的化学稳定性等,在军事、国防、航空、航天等工业中具有重要用途,可以被使用制造火箭的喷火口、航天热防护装置等。


 硅微粉是由天然石英或者熔融石英经多道工艺加工而成的微粉。普通硅微粉可以用于环氧树脂浇注料、灌封料、电焊条?;げ?、金属铸造、陶瓷、橡胶及涂料等行业。电工级硅微粉普通电器件的绝缘浇注、高压电器件的绝缘浇注、APG工艺注射料,环氧灌封料等。电子级硅微粉主要用于集成电路、电子原件的塑封料和包装料。生产硅微粉用的石英原料在一定程度上决定了最终硅微粉产品的质量。


四、新能源领域


 晶体硅材料(包括单晶硅和多晶硅)是用于生产太阳能电池的光伏产业中最常见的材料。单晶硅是使用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成,多晶硅的生产则是以高纯石英砂作为主要原料。在光伏技术和微小型半导体逆变器技术飞速发展的今天,利用单晶硅所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能,实现了迈向绿色能源革命的开始。单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池,它的构成和生产工艺已定型,产品已广泛用于宇宙空间和地面设施。这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料,纯度要求99.999%。在太阳能电池中,除了需要用到晶硅电池片,还需要超白压延玻璃、超白浮法玻璃、超白盖板玻璃等,这些都是以高纯石英为原料制备的。


双玻晶硅电池


五、其他应用领域


 石英玻璃是一种只含二氧化硅单一成分的特种玻璃,线膨胀系数极小,是普通玻璃的1/10~1/20,有很好的抗热震性。它的耐热性很高,经常使用温度为1100摄氏度~1200摄氏度,短期使用温度可达1400摄氏度。石英玻璃主要用于实验室设备和特殊高纯产品的提炼设备。由于它具有高光谱透射,不会因辐射线损伤,因此也是用于宇宙飞船、风洞窗和分光光度计光学系统的理想玻璃,在我国神舟及天宫航天器、先进战机雷达罩、高铁安全玻璃等领域中均发挥了重要作用。


 基于以上高纯石英在半导体、光伏以及光通讯等产业中的非凡用途,对石英原材料的需求量将会持续性增大。这些行业都关系到国家的长久发展,在未来一段时间中出现新材料代替硅材料的可能性并不大,但随着科技的继续进步,对硅材料的质量要求会更加严苛。石英作为硅材料的基础性原料,对其质量要求也将变得更加严格,高纯石英、超高纯石英将会是半导体、光伏以及光通讯等产业的重要基础性原料,仍将是今后科学研究的重点方向。

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