一文了解制约高纯石英砂应用的13种杂质元素

材料科学与工程技术

高纯石英砂是高新技术产业不可替代的矿物原料，通过加工成石英玻璃等相关制品广泛应用于新一代信息产业、节能环保产业、高端装备产业、生物产业以及新材料产业等。而纯度、不同杂质含量是决定高纯石英砂应用的核心指标。

来源：石英股份

目前制约高纯石英砂应用的杂质元素主要有13种：铝（Al）、钙（Ca）、铁（Fe）、钠（Na）、钾（K）、锂（Li）、镁（Mg）、铬（Cr）、镍（Ni）、硼（B）、锰（Mn）、铜（Cu）、钛（Ti）。

杂质元素对高纯石英砂应用有何影响

碱金属元素的影响

碱金属K、Na、Li离子和碱土金属Ca、Mg离子等对石英玻璃的析晶起催化作用，影响石英玻璃的热稳定性和热学、光学特性同时，降低了石英玻璃的使用温度和机械强度，増大石英玻璃的介电系数和介电损失；高温下碱金属的存在起到了助溶作用，导致石英玻璃常出现失透、高温变形等现象。

过渡金属元素的影响

过渡金属Cr、Cu、Fe、Ni、Mn、Ti能使石英玻璃产生色斑或引起石英玻璃的高温变色，影响光透过率。

铝和硼元素的影响

石英中的铝和硼元素进入石英骨架中，会产生较强的化学键，影响石英制品的导电性，同时，增强了石英玻璃的析晶作用，降低了使用寿命。硼元素的存在严重影响了单晶硅的拉制。

此外，石英砂中存在的水或者羟基可减低石英玻璃的高温粘度，从而降低耐温性；同时，羟基会改变石英玻璃的析晶性、透过率，热膨胀系数等一系列物理参数。

杂质元素的赋存状态

天然石英矿物中杂质元素赋存状态是决定能否成为高纯石英的重要制约因素，同时也是制定最佳石英提纯方案的重要参考。

杂质元素主要来自石英岩矿本身和加工过程，主要以共（伴）生矿物、包裹体、类质同象的形式赋存。

石英中杂质赋存状态

影响高纯石英砂应用关键杂质及赋存形式

晶格杂质

石英中晶体结构杂质分为晶格杂质和非晶格杂质，晶格杂质主要以他类原子以类质同象的方式取代硅氧四面体中的硅原子，主要杂质元素有Al³⁺、Ti⁴⁺、Ge⁴⁺等。这些杂质含量很低，但从石英中分离难度较大，是制约高纯石英质量关键性因素之一。

石英晶格中微量元素的结构图

在石英结构性杂质中，Al杂质元素含量一般最高。由于Al是以Al³⁺替代Si⁴⁺的形式存在，引起了石英晶格内部电荷不平衡，当石英中存在大量Al杂质时，Li、K、Na等杂质元素的含量会增加。晶格中铝杂质过多也会因强化学键导致石英制品发生析晶作用，从而影响其性能。

在现有加工技术下，石英原料中晶格杂质几乎不能被除去。以晶格杂质形式存在的Al元素含量虽然极低但除去难度极大，是制约高纯石英最终质量的关键之一。

流体包裹体

矿物或岩石中广泛存在流体包裹体，每立方厘米中含有流体包裹体数量大约为10²-10⁹个，直径一般小于50μm。流体包裹体的种类、尺寸和含量对高纯石英质量有着显著影响。石英中流体包裹按内含物质状态可以分为：纯气体、纯液体、气液混合包裹体和三相包裹体。流体包裹体在形成过程中所捕获的流体属过饱和溶液，当温度降低时会从溶液中结晶形成包括石盐、钾盐以及一些硅酸盐矿物的子矿物，因此流体包裹体中含有碱金属K、Na、Li离子和碱土金属Ca、Mg离子。

石英制品在高温下具有变成二氧化硅的晶体（方石英）的趋向，通常称为析晶。析晶会影响石英制品的产品性能，而碱金属杂质会诱发析晶现象。相比于杂质元素，流体包裹体除去难度更大，是影响最终石英产品质量及应用的关键性因素之一。

小结

石英理论化学组成是SiO₂，但是在自然界不存在纯SiO₂石英，或多或少都包含一些杂质元素，而杂质含量及赋存状态是决定石英晶体能否成为高纯石英的重要制约因素，也是影响高纯石用砂应用的关键因素。

另一方面，高纯石英砂纯度与原料中杂质元素含量高低并不是简单的对应关系，而是与原料工艺矿物学特征所决定的杂质可选性密切相关。

对此应加强对石英矿物学的基础研究，详细查明杂质元素在石英晶体内部的赋存状态、数量和分布特征；并改进共伴生独立矿物分选、包裹体杂质分离和晶格杂质脱除加工高纯石英技术，从而提升高纯石英砂的纯度及应用。

参考资料：

杨晓勇等.高纯石英的研究进展及发展趋势

魏奎先等.高纯石英砂制备技术研究进展

马超等.高纯石英原料矿物学特征与加工技术进展

刘加威.石英砂焙烧－酸洗除杂工艺研究

侯清麟等.石英砂结构组成性杂质剔除技术现状