制備高純石英砂的技術(shù)兩大難題

關(guān)鍵詞：制備高純石英砂的技術(shù)兩大難題

對(duì)于天然石英來(lái)說(shuō)，有些雜質(zhì)是伴隨著石英晶體生長(zhǎng)而產(chǎn)生于晶體內(nèi)部，所以現(xiàn)有提純工藝很難將其徹底去除，這些雜質(zhì)以?xún)煞N形式存在：一是晶格雜質(zhì)，二是氣液包裹體，這也是制備高純石英砂的技術(shù)難點(diǎn)。下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

制備高純石英砂的技術(shù)難題一：晶格雜質(zhì)

石英砂的主要成分是二氧化硅，但是一些雜質(zhì)離子存在于石英晶格中影響著其性能。常見(jiàn)的雜質(zhì)離子有：Al³⁺、Na⁺、Li⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、Ca²⁺、K⁺、Ti⁴⁺等離子。

Al³⁺是石英晶格中最常見(jiàn)且含量最高的雜質(zhì)離子，其存在形式是以正三價(jià)的鋁離子取代正四價(jià)的硅離子出現(xiàn)，由于石英結(jié)構(gòu)中要達(dá)到電荷平衡，所以要一些正一價(jià)的堿金屬離子（Na⁺、Li⁺、K⁺）進(jìn)行電荷補(bǔ)償，當(dāng)Al³⁺含量高時(shí)，相應(yīng)作為電荷補(bǔ)償?shù)?/span>Na⁺、Li⁺、K⁺含量也提高。

在所有的元素雜質(zhì)中，其中一價(jià)或兩價(jià)金屬離子（Li⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）能使石英玻璃析晶，對(duì)其熱學(xué)性能、光學(xué)性能、電學(xué)性能影響很大。過(guò)渡金屬元素如Co、Cr、Cu、Ti、Fe、Mn、Ni等這些著色元素，使石英玻璃產(chǎn)生色斑，使透過(guò)率下降，嚴(yán)重影響其光學(xué)性能。Al、B、P元素會(huì)置換Si原子而存在晶格中，形成較強(qiáng)的化學(xué)鍵，因此很難通過(guò)工藝處理將這些元素去除，對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)來(lái)說(shuō)，微量的B或P雜質(zhì)都足致命的，1ppm的B元素變化量會(huì)使單晶硅的目標(biāo)電阻率發(fā)生很大變化，在光纖中微量的Al元素都會(huì)石英玻璃的光傳導(dǎo)效率降低很多。

石英砂中這些雜質(zhì)離子與大量的羥基水嚴(yán)重影響著其特性，要從石英晶格中去除這些雜質(zhì)離子的難度很大，所以要盡量使用雜質(zhì)離子和羥基水含量低的原料石英礦作為提純用的原料石英砂。

制備高純石英砂的技術(shù)難題二：氣液包裹體

石英礦生長(zhǎng)時(shí)所包裹的一部分成礦氣體或溶液稱(chēng)為流體包裹體或者氣液包裹體。在石英礦結(jié)晶生長(zhǎng)的過(guò)程中這些氣體或液體被包裹在礦物晶格中，封存與主礦物中且與之有著相界限。

氣液包裹體一般是由液相和氣泡組成的二相體，石英礦中的這些二相氣液包裹體主要由H₂O、CO₂、CO、H₂、O₂、N₂等組成存在于石英晶體中，這些包裹體中液相所占的比重稱(chēng)之為填充度，通常以填充度60%作為判斷液體包裹體或氣體包裹體的標(biāo)準(zhǔn)。

石英砂中的氣液包裹體體積很?。ㄎ⒚准?jí)），包封于石英砂顆粒內(nèi)部，且組成有差異，這其中水的含量差別大。石英玻璃中的氣飽的形成主要是由于原料石英砂中氣液包裹體造成的，氣泡會(huì)降低石英玻璃的純度，對(duì)石英玻璃的質(zhì)量及性能影響嚴(yán)重。

石英由于其晶體生長(zhǎng)的環(huán)境及機(jī)理不同，石英中氣液包裹體在數(shù)量、分布和成分組成上也會(huì)存在較大的差異。石英中包裹體有原生、假次生、次生三種不同類(lèi)型，由于這三種包裹體的差異，就目前的提純工藝來(lái)說(shuō)對(duì)這三種類(lèi)型的包裹體的去除效果也有較大差別。

原生包裹體是伴隨著石英晶體的生長(zhǎng)而形成的，存在于石英晶體的結(jié)晶面，所以原生包裹體很難被現(xiàn)有提純工藝所去除；

次生包裹體相對(duì)來(lái)說(shuō)較容易去除，這是因?yàn)榇紊w是石英晶體結(jié)晶完成后形成的且主要分布在石英顆粒的裂縫愈合部位。

氣液包裹體是石英玻璃產(chǎn)生氣泡的主要原因，氣泡的存在直接影響著石英玻璃的純度及性能，這是因?yàn)槭⒅袣庖喊w含有一定量的H₂O，在高溫熔制石英玻璃的過(guò)程中氣液包裹體中的H₂O能與SiO₂熔體發(fā)生反應(yīng)，使得羥基含量增高從而形成了氣泡。

已有研究表明：在一定溫度時(shí)石英會(huì)發(fā)生α-SiO₂和β-SiO₂之間的相轉(zhuǎn)變，在這種情況下石英砂顆粒體積迅速膨脹在表面產(chǎn)生微裂紋，這可以促進(jìn)石英砂中氣液包裹體爆裂，從而達(dá)到去除石英砂中氣液包裹體的效果，極大的提高了石英砂的純度，有效的減少了石英玻璃的氣泡含量。

由于氣液包裹體的組成成分的不同，使得在這種相轉(zhuǎn)變的條件下包裹體的爆裂程度也會(huì)存在差異?，F(xiàn)有工藝很難從根本上去除石英砂的這些結(jié)構(gòu)組成性雜質(zhì)，因此，原料評(píng)價(jià)與選擇技術(shù)是高純石英技術(shù)的基礎(chǔ)和前提，也是我國(guó)高純石英技術(shù)發(fā)展必須突破的技術(shù)瓶頸。（粉體技術(shù)網(wǎng)）