[发明专利]一种高档全透明坩埚用超纯石英材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高档全透明坩埚用超纯石英材料及其制备方法和应用，本发明通过精选石英硅矿、水淬、“王水”去杂、浮选、高温真空处理、超声波提纯等工艺步骤对国产石英硅矿石进行提纯处理后，获得可用于制备高档全透明石英坩埚的超纯石英砂。本发明结合工业生产规模要求，对本发明实验室研究的工艺路线进行特殊的调整进行中试，进一步完善微波处理生产超纯石英砂的工艺条件，总结出适合于工业生产的工艺条件，尤其是针对我国的超纯石英砂原料来源，切实提供了确定了国产石英硅矿生产出超纯石英砂原料的生产工艺条件，成熟、合理、技术效果稳定，为超纯石英砂的规模化生产、真正降低超纯石英砂的生产成本制备提供技术支持。

技术领域

本发明涉及超纯石英材料制备技术领域，更具体地，涉及一种高档全透明坩埚用超纯石英材料及其制备方法和应用。

背景技术

近些年随着制造业和建筑工业产生的粉尘PM2.5、CO₂、SO₂形成雾霾、温室效应与酸雨等，严重污染环境。而不可再生的一次性传统化石能源资源减少，寻找新的能源与绿色能源技术成为目前世界性重大课题。比如太阳能，是当前新能源开发的首选，在光伏产业中高档石英材料必不可少。随着高科技的发展，高档全透明石英材料需求量不断增加，而天然水晶却已枯竭，上世纪80年代来，人们只得找水晶的替代品，开始探索采用硅矿石代替水晶的深度精制研究。

高档全透明石英坩埚是SiO₂单一含量高达99.99％以上的特种石英材料，具有化学稳定、全透明性、杂质含量低、光谱透过宽、抗热冲击(可在1420℃高温环境下反复长时间使用不变形)、耐射线辐照、紫外线全穿透、抗析晶性能强、硬度达莫氏七级、膨胀系数小、耐热震强、电绝缘性好、耐除氢氟酸和热磷酸外的几乎所有酸的腐蚀等优越的物理化学性能。

目前，全世界拥有生产SiO2含量达到99.99％的超纯石英砂的核心技术的生产厂家屈指可数，其中美国的尤尼明公司(UNIMIN)和通用电气公司(GE)几乎垄断了整个超纯石英砂供应市场。无论是外国企业还是中国企业大多都是采用国外进口石英硅矿作为原材料进行提纯制备超纯石英砂，如马达加斯加、挪威等进口石英硅矿中的Li⁺、K⁺、Na²⁺、Fe²⁺、Al³⁺等碱金属离子含量低于水晶中碱金属离子，同时气液包裹体含量也比我国石英硅矿低一个数量级，因此较适宜通过精制可作为替代水晶的原料。但进口矿价格昂贵，且受出口国的限制和汇率影响，使得超纯石英砂生产成本和来源受到多方面制约。

我国石英硅矿资源储备虽然十分丰富，价格低廉，但是，石英硅矿中Li⁺、K⁺、Na²⁺、Fe²⁺、Al³⁺等碱金属含量和气液包裹体含量远远高于国外进口石英硅矿，用其制备不出超纯石英砂，其原因是碱金属离子含量高，同时含有羟基、甲烷、乙烷等气液包裹体比较均衡地分布在矿中，然石英材料用的超纯石英砂又不可能无限磨细，这给国产石英硅矿制备超纯石英砂带来了技术上的困难，严重限制了国产石英硅矿资源的推广应用，往往只能用于制备一些低端的石英产品，无法用来制备高档全透明石英坩埚、石英锭、实验器材、半导体等高端产品。

现有技术通过国产石英硅矿制备的石英砂中Li+、K+、Na2+、Fe2+、Al3+含量，气液包裹体含量均远高于水晶砂，而且国产硅矿制备的石英砂中的气液包裹体含量剔除不完全，这限制了普通硅矿石精制超纯石英砂替代水晶制备高档全透明石英坩埚，也是我国用硅矿石替代水晶制备高档石英坩埚材料的瓶径。