硅时代,不可替代的石英砂

2023-09-12

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硅产业是硅时代最重要的产业之一,石英是硅时代最重要的矿物资源之一。石英的应用十分广泛,潜力无限。石英砂作为新能源、新材料、新一代信息技术等多个新兴产业的主要基础原料,发挥着不可替代的作用。

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工业硅

工业硅是以石英砂为原料,以碳质材料为还原剂,通过在电弧炉中熔炼获得。常用的还原剂主要有木炭、石油焦、煤等,它们可以将金属硅从硅石中还原出来。

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在光伏行业中,工业硅是制造多晶硅等材料的主要原料;工业硅还是有机硅的最主要原料,用于生产硅烷、硅酮、硅油等产品;在合金行业中,工业硅主要是作为非铁基合金的添加剂,将硅加入到某些有色金属中时,能提高基体金属的强度、硬度和耐磨性,有时还能增强基体的铸造性能和焊接性能。工业硅已然成为硅基新材料产业链的主要上游产品,是很多国民经济重要部门的核心原料。

碳化硅

碳化硅是近年来发展十分迅速的一种无机非金属材料,碳化硅陶瓷因具有硬度高、高温承载能力强、抗氧化、耐磨损、热导率大、热膨胀系数小以及耐酸碱化学腐蚀等优异特性,在半导体、电子、汽车、原子能、环保节能等高科技领域有着广泛的应用前景。

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碳化硅粉体的制备方法之一碳热还原法,是在高温电炉中利用焦炭或煤油将石英砂中的二氧化硅还原制得碳化硅陶瓷块体材料,再经过机械破碎、分级等过程得到不同粒度的碳化硅粉体。

石英坩埚

石英坩埚属于石英玻璃制品中的细分产品,具有洁净、同质、耐高温等性能。目前广泛应用于太阳能和半导体领域提炼晶体硅的生产工艺中,是晶体硅生产过程中的消耗品。受益于硅片产能加速扩张、N型硅片渗透率提高,高纯石英砂和石英砂坩埚需求有望快速增长。

石英坩埚(图源:欧晶科技)

石英坩埚的生产是将高纯石英砂装入可任意倾动角度的旋转成型模内,利用离心力作用和成型棒手工成型,将已成坩埚形的旋转装置移动至电极棒处,然后将电极送电启弧并插入已成型的粉料腔内,同时启动真空系统,使其快速熔化成坩埚形状的熔融石英,经冷却后取出,即完成一个石英坩埚的毛坯生产。

单晶硅生产过程(图源:汪灵教授)

光伏超白玻璃

超白玻璃作为一种新材料,以其高透光率、晶莹剔透的特性,在太阳能光伏产业、高档轿车、高级建筑、高档园艺建筑和高档家具等方面应用前景广阔。“十四五”期间,根据国家“碳达峰、碳中和”的战略规划,光伏行业或将迎来爆发式的发展,其基础材料光伏超白玻璃所用的低铁石英砂需求量乐观预计将以每年30%以上的速度飞速增长。

超白光伏玻璃(图源:福莱特)

光伏玻璃生产流程:石英砂、纯碱等原料熔化成玻璃液,通过压延、退火、裁切等过程得到超白压延玻璃原片。原片再经过镀膜、钢化处理,透光率和强度进一步提高,成为光伏玻璃成品。

玻璃纤维

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料,种类繁多,优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好,机械强度高。玻璃纤维是以石英砂、叶腊石、高岭土、石灰石等矿石为原料经高温熔制、拉丝、烘干、络纱等工艺制造而成,其单丝直径为几微米到二十几微米,相当于一根头发丝的1/20-1/5,每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。

玻璃纤维(图源:中国巨石)

玻璃纤维通常用作复合材料中的增强材料、电绝缘材料和绝热保温材料,电路基板等国民经济各个领域,是国家重点鼓励发展的新材料产业。

石英纤维

石英纤维是一种高性能无机纤维,制备原料为高纯度二氧化硅或天然的石英晶体。它保持了固体石英的部分性能和特点,是一种良好的耐高温材料,并可作为先进复合材料的增强体。石英纤维的纯度很高(≥99.9%),这使得其具备一些良好的特性,如抗烧蚀性强、耐温性好、导热率低,且其化学稳定性高,介电性能也较为优良。

石英纤维及制品(图源:菲利华)

石英纤维制备方法具有特殊性,目前主要包括直接熔融拉丝法和棒拉丝法两种方法,这里以棒拉丝法为例简介如下:首先将原料水晶或纯净的二氧化硅粉料放入真空加压电阻炉内,熔融后拉制成细棒(直径2mm左右),拉丝时,首先在石英纤维上涂上一层浸润剂,而后放置于电热或氢氧火焰环境中进行拉丝操作,由此可以获得单丝直径约8μm的原丝,最后,将纤维原丝进行合股加捻,从而获得纤维纱或纤维织物。

电子玻璃

TFT-LCD玻璃基板作为液晶显示面板的核心部件,是电子信息显示产业的关键战略材料,其生产控制精度与半导体行业相当,代表着目前全球现代玻璃规模化制造领域的最高水平。SiO2是TFT-LCD玻璃基板重要的结构元素,SiO2以硅氧四面体[SiO4]的结构形成不规则的连续网络而成为玻璃的骨架,占玻璃组成58%~63%,它能降低玻璃的热膨胀系数,提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、软化温度、应变点、耐热性、硬度、机械强度、黏度和透紫外光性。

TFT-LCD玻璃基板(图源:凯盛)

引入二氧化硅的原料是石英砂,由于石英砂原料在玻璃配合料中所占的质量百分比是最大的,而且在玻璃的熔制过程中,不同的石英砂颗粒的溶解和扩散会直接影响到玻璃的形成速度,这就直接影响了玻璃的熔制质量和玻璃的生产成本,所以石英砂的选择对无碱铝硼硅酸盐玻璃的熔化和玻璃的性能都具有很大的影响。随着信息显示产业的迅速发展,其对石英原料需求量与日俱增。

光纤预制棒

光纤,光导纤维的简称,是用于长距离传输光能或光信号的圆柱形光波导,其结构是由各种导光材料制成的纤维丝。目前通信光纤的主流是石英光纤。作为光纤光缆生产的“源头”,光纤预制棒一直被认为是光纤光缆产业链的核心竞争点。其中芯棒作为光纤导光部分是预制棒的核心,而石英套管占光纤的石英材料90%以上的比例,其作为外包层材料与大尺寸掺杂芯棒匹配成光纤预制棒以降低光纤预制棒的生产成本。

适用于光纤生产的熔融石英管(图源:Heraeus公司)

研究人员以天然的石英砂为原料,利用等离子固相外沉积方法(PSOD),制备单模光纤预制棒用大尺寸石英套管,产品具有一次成型、羟基含量低、杂质含量少、规格尺寸大(相对于多模套管)及玻璃化程序好等特点,能够满足单模光纤预制棒制备所需。其在下一代超低衰减通信光纤制备中有广阔的应用前景。

人造石英石

石英石是由93%~95%石英和7%左右的不饱和聚酯树脂粘合剂、色料、固化引发剂及其他辅助试剂,经固化成型所制得的一种复合材料,它质地坚硬、结构致密、色泽丰富、耐磨、耐压、耐高温、抗腐蚀、防渗透,在市场上得到广泛应用,是人造石材中发展最快的品种。

石英石应用展示(图源:中旗)

人造石英石的生产工艺一般是:原料由自动配料系统进入混料系统,把石英砂、石英粉、树脂等助剂混合后进入模具框内布料,然后在真空条件下进行震动压实,再把压制好的混合料送入固化炉加热固化,固化好的料成为毛坯板,再经过抛光。对抛光后板材进行一系列的检验,去除瑕疵的次品。

硅酸钙板

硅酸钙板是以硅质材料、钙质材料及增强纤维为主要原材料,经流浆成型、板坯压实、蒸压养护制成的强度高、性能稳定的无机建筑板材。具有防火(达到A1级标准)、保温隔热、防腐防蛀、防水防潮、隔音吸音、轻质高强、绿色无害等优越特性,比传统板材更加节能环保、抗震、抗冲击,可广泛用于房屋建筑内外墙保温装饰、吊顶及船舱隔板、广告牌等领域,且设计安装可塑性强、省时省工。

硅酸钙板(图源:中材)

生产硅酸钙板的主要原料有石英砂、生石灰、硅灰石、水泥、木质纤维、外加剂、水等。石英砂是硅酸钙制品中最重要的原材料之一,占硅酸钙板原材料质量的40%。


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