制备高纯石英砂的技术两大难题

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对于天然石英来说，有些杂质是伴随着石英晶体生长而产生于晶体内部，所以现有提纯工艺很难将其彻底去除，这些杂质以两种形式存在：一是晶格杂质，二是气液包裹体，这也是制备高纯石英砂的技术难点。下面进行详细介绍。

制备高纯石英砂的技术难题一：晶格杂质

石英砂的主要成分是二氧化硅，但是一些杂质离子存在于石英晶格中影响着其性能。常见的杂质离子有：Al³⁺、Na⁺、Li⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、Ca²⁺、K⁺、Ti⁴⁺等离子。

Al³⁺是石英晶格中最常见且含量最高的杂质离子，其存在形式是以正三价的铝离子取代正四价的硅离子出现，由于石英结构中要达到电荷平衡，所以要一些正一价的碱金属离子（Na⁺、Li⁺、K⁺）进行电荷补偿，当Al³⁺含量高时，相应作为电荷补偿的Na⁺、Li⁺、K⁺含量也提高。

在所有的元素杂质中，其中一价或两价金属离子（Li⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）能使石英玻璃析晶，对其热学性能、光学性能、电学性能影响很大。过渡金属元素如Co、Cr、Cu、Ti、Fe、Mn、Ni等这些着色元素，使石英玻璃产生色斑，使透过率下降，严重影响其光学性能。Al、B、P元素会置换Si原子而存在晶格中，形成较强的化学键，因此很难通过工艺处理将这些元素去除，对于半导体行业来说，微量的B或P杂质都足致命的，1ppm的B元素变化量会使单晶硅的目标电阻率发生很大变化，在光纤中微量的Al元素都会石英玻璃的光传导效率降低很多。

石英砂中这些杂质离子与大量的羟基水严重影响着其特性，要从石英晶格中去除这些杂质离子的难度很大，所以要尽量使用杂质离子和羟基水含量低的原料石英矿作为提纯用的原料石英砂。

制备高纯石英砂的技术难题二：气液包裹体

石英矿生长时所包裹的一部分成矿气体或溶液称为流体包裹体或者气液包裹体。在石英矿结晶生长的过程中这些气体或液体被包裹在矿物晶格中，封存与主矿物中且与之有着相界限。

气液包裹体一般是由液相和气泡组成的二相体，石英矿中的这些二相气液包裹体主要由H₂O、CO₂、CO、H₂、O₂、N₂等组成存在于石英晶体中，这些包裹体中液相所占的比重称之为填充度，通常以填充度60%作为判断液体包裹体或气体包裹体的标准。

石英砂中的气液包裹体体积很小（微米级），包封于石英砂颗粒内部，且组成有差异，这其中水的含量差别大。石英玻璃中的气饱的形成主要是由于原料石英砂中气液包裹体造成的，气泡会降低石英玻璃的纯度，对石英玻璃的质量及性能影响严重。

石英由于其晶体生长的环境及机理不同，石英中气液包裹体在数量、分布和成分组成上也会存在较大的差异。石英中包裹体有原生、假次生、次生三种不同类型，由于这三种包裹体的差异，就目前的提纯工艺来说对这三种类型的包裹体的去除效果也有较大差别。

原生包裹体是伴随着石英晶体的生长而形成的，存在于石英晶体的结晶面，所以原生包裹体很难被现有提纯工艺所去除；

次生包裹体相对来说较容易去除，这是因为次生包裹体是石英晶体结晶完成后形成的且主要分布在石英颗粒的裂缝愈合部位。

气液包裹体是石英玻璃产生气泡的主要原因，气泡的存在直接影响着石英玻璃的纯度及性能，这是因为石英中气液包裹体含有一定量的H₂O，在高温熔制石英玻璃的过程中气液包裹体中的H₂O能与SiO₂熔体发生反应，使得羟基含量增高从而形成了气泡。

已有研究表明：在一定温度时石英会发生α-SiO₂和β-SiO₂之间的相转变，在这种情况下石英砂颗粒体积迅速膨胀在表面产生微裂纹，这可以促进石英砂中气液包裹体爆裂，从而达到去除石英砂中气液包裹体的效果，极大的提高了石英砂的纯度，有效的减少了石英玻璃的气泡含量。

由于气液包裹体的组成成分的不同，使得在这种相转变的条件下包裹体的爆裂程度也会存在差异。现有工艺很难从根本上去除石英砂的这些结构组成性杂质，因此，原料评价与选择技术是高纯石英技术的基础和前提，也是我国高纯石英技术发展必须突破的技术瓶颈。（粉体技术网）