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脉石英的深加工技术及研究概况
来源:中国粉体技术网    更新时间:2015-04-30 11:12:50    浏览次数:
 
      (中国粉体技术网/龙小水)脉石英是一种与花岗岩有关的岩浆热液岩脉,主要产于花岗岩或花岗片麻岩区,矿体呈不规则脉状,厚度一般几米至几十米,长度一般为十几米至几百米,宽度一般为几米,一个矿区可由单条矿脉或由许多条矿脉组成。矿物组成几乎全部为石英。由于其SiO2的含量很高,所以主要用来生产高纯石英产品。近几十年来,由于对高纯石英需求不断增加,所以对脉石英的提纯、超细粉碎等工艺研究也越来越得到重视和加强。
       随着国民经济的发展和科技的进步,硅质原料制品的市场需求量日益增多,相应地对其产品质量要求也更加严格。这就要求对硅质原料深加工技术作进一步的试验研究,研制出高质量的石英产品以满足高科技用硅的需求。目前,硅质原料的深加工研究主要集中在对石英产品的粒度组成(细度)和化学成分(纯度)两个方面上。在提高石英产品质量的前提上,如何降低生产成本,实现对天然硅质原料的综合利用,也逐渐成为生产企业和科研单位所面临的一个重大问题。

一、 高纯石英的生产
       高纯石英是指SiO2含量达到99.92%~99.99%的石英砂,一般要求的纯度在9999%以上。由于对质量要求严格,用普通的石英砂难以制得如此高纯度的石英,因此一般选用SiO2含量相对较高的脉石英来制备高纯石英。
       许多国家都把高纯石英砂的加工工艺作为高新技术领域。国外早在70年代就已开始采用硅石精加工后制成高纯石英,用这种高纯石英砂代替水晶生产高纯度透明的石英玻璃。20世纪80年代美国PPCC公司在英国西北海岸Foxdale地区的花岗岩中提纯石英,其SiO2含量达99.99%,铁杂质含量小于1×10-6,其它元素含量小于5×10-6。进入90年代,美国Unimin公司在贝卡罗莱那州Spruce Pine地区的花岗岩中分选、提纯出高纯石英,经提纯后SiO2含量达99.99%,纯度最高者SiO2含量达99.999%以上。经过选矿提纯制成的高纯和超高纯石英己广泛应用于航空航天、原子能技术、激光、光缆通讯、军工等高科技领域。
       早在1974年我国的707厂就开始采用高纯石英代替熔炼石英生产人造水晶。同时许多学者和选矿工作者也对石英提纯加工技术进行了长期研究,并取得了一定的进展。但由于我国石英提纯工艺和提纯设备等方面较为落后,兼之石英提纯对生产设备、环境和操作因素等环节要求严格,稍不注意可能造成二次污染,客观上导致了石英提纯上的困难。同时,采用复杂的提纯工艺流程(如酸处理、氯化焙烧等),虽然可以达到高纯或超高纯石英的质量要求,但对于生产企业而言,成本太高,所以,长期以来我国的高纯石英提纯研究发展缓慢,处于一种出口原料,进口高纯石英加工制品的不良局面。
       高纯石英因为具有一系列优异的特性和品质,广泛应用于宇航、电子工业、电光源管、光学仪器、光纤通讯等高科技领域,是制造特种玻璃、电子封装材料、光纤等产品不可缺少的原料之一。

二、高纯石英的超细粉碎
      现代许多工业领域.如精细化工、催化剂、高级磨料等,都需要粒度极细、分布均匀、高纯度的粉体作原料。获得超细或微细粉体的途径有两种:一是通过化学反应,主要有溶胶法、气相沉淀法、凝胶法等,但化学制备产量低、能耗大、工序复杂,难以大规模地生产;另一种是机械法制备,主要是机械破碎,包括高速冲击式磨机、振动磨、气流磨、胶体磨、砂磨机等各种粉碎设备及作为配套设备的精细分级设备。
       在湿法机械粉碎制各超细石英粉的工艺中,选用合适的研磨时间、矿浆浓度、料介比和助磨裁可以制备出d90为2μm左右的超细石英粉,而且该方法工艺简单,效率高。

三、高纯石英粉的球形化
       大规模、超大规模集成电路对封装材料的要求也越来越高,不仅要求超细,高纯,而且要求放射性元素含量低,特别是对于颗粒形状提出了球形化要求。高纯超细熔融球形石英粉(简称球形硅微粉)由于具有高介电、高耐热、高耐湿、高填充量、低膨胀、低应力、低杂质、低摩擦系数等优越性能,在大规模、超大舰模集成电路的基板和封装料中,成了不可缺少的优质材料。
       高纯球形硅微粉的生产技术国外20世纪80年代初已经有专利申报。90年代初,我国开始引进使用球形硅微粉。目前,可以生产材料的主要国家是日本和美国,德国和俄罗斯也掌握此种生产技术。
       国外球形硅微粉的制备通常采用二氧化硅高温熔融喷射法、气体火焰法和在液相中控制正硅酸乙酯、四氯化硅的水解法,单分散等法也可制备亚微米左右的球形二氧化硅粉;用特殊的工艺方法还可制各壁厚和粒径可调的空心球形粉等。但其工艺复杂。这些方法国内还只停留在试验室阶段,有较大的技术难度,这也是至今国内还不能生产出高质量球形硅微粉的重要原因之一。

四、存在的问题与展望
       高纯石英是宇航、电子工业、电光源管、光学仪器、光纤通讯等高科技产品的基础原材料,要求SiO2的含量很高。在缺乏有效的提纯技术情况下,只能用自然界优质水晶经简单提纯来满足工业需要。随着科技的进步,尤其是微电子技术的发展,高纯石英的需求量成倍增长,并且对其质量要求也愈来愈高。而天然水晶属于稀有矿产,特别是一、二级水晶资源已日渐枯竭,寻找水晶的代用品已成当务之急。
      因此,积极探求和推动石英选矿提纯技术的进步,实现精制石英、高纯和超高纯石英的低成本、大批量工业化生产,对于弥补天然水晶资源的不足,满足高科技用高纯石英需求具有重要的现实意义。同时石英玻璃在现代科技的发展中很重要,是高科技产业的基础材料。它在建筑、工照明、原子能、无线电电子学、半导体技术、仪器制造、航天航空、高频率技术、有色冶金及国防尖端诸方面均获得广泛应用。据国外资料预测,石英及其制品在未来十年中将成为国际市场畅销产品,需求量将持续增长。
       硅质原料在我国的储量十分丰富,是我国的重要矿产资源。随着经济和社会的发展,特别是我国在“十五”期间及未来十年中也将重点发展电子产业。对高纯石英将会有更大的需求。 但是,随着世界范围内资源的日益枯竭,现今解决水晶代用原料主要有三种途径:(1)人造水晶;(2)用溶胶一一凝胶法及四氧化硅气相沉淀法等人工合成石英玻璃;(3)用天然硅石经加工提纯后代替水晶。上述前两种方法由于能耗大、成本高,故在我国大规模生产有较大的困难。所以研究和发展硅质原料的选矿提纯技术,特别是高纯石英生产技术对进国民经济建设以及提高我国硅质原料的选矿技术水平、促进我国硅质原料的广泛应用都具有重要经济的现实意义。


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