01引言

高纯石英砂是二氧化硅含量≥99.9%的关键战略非金属材料，凭借极低热膨胀系数、耐高温、优异绝缘性能、宽光谱透光性能，广泛用于光伏单晶硅坩埚、半导体石英器件、光纤预制棒、电光源器件等领域。传统工艺以天然优质水晶、特殊地质形成的脉石英矿为原料，采用破碎、磁选、浮选、酸浸等物理提纯工艺生产高纯石英砂。美国尤尼明依托独特矿床，其IOTA系列天然高纯石英砂长期作为国际行业标准；我国缺少同类高品质天然矿源，天然矿石提纯很难稳定得到5N级别高端高纯石英砂，高端石英制品原料高度依赖进口，面临技术封锁风险。

在此背景下，以化学路径制备合成石英，摆脱天然矿产资源约束，成为我国高纯石英材料实现自主可控的重要突破口。本文系统梳理合成石英主流制备技术，对比不同工艺的优劣，阐述其在光伏、半导体、高端光学领域的应用价值，剖析国内外产业化现状，研判现阶段成本、产品一致性、标准体系等核心瓶颈，并展望行业后续发展方向。

02合成石英概述

合成石英，即化学法合成高纯石英砂，绕开天然矿石限制，从硅基化工原料出发，通过化学反应合成二氧化硅，从源头控制杂质含量。多晶硅产业副产大量四氯化硅，为合成石英提供廉价硅源，发展合成石英技术，既实现副产物资源化利用，又能实现高纯石英国产化替代，具备重大产业与战略价值。

03合成石英主要制备技术

合成石英制备路线主要有气相合成法、化学沉淀法、溶胶-凝胶法、四氯化硅液相水解法、水热合成法等其他化学工艺。

3.1 气相合成法

气相合成法即火焰水解法，与气相白炭黑工艺类似，其原理是采用硅或有机硅的氯化物（如SiCl4或CH3SiCl3等）原料，将其气化后与氢气、氧气混合，在高温下发生水解形成雾状的SiO2，最后通过冷却、分离、脱酸等气固分离得到产品。该法得到的产品为气相SiO2，再经过烧结、破碎、筛分等工艺得到石英砂。

气相合成法生产流程简单，合成条件易控制，反应速度快，适用于大规模合成石英生产；由于过程中需要高温环境，反应生成的HCl会严重腐蚀设备，因此对生产设备的材质、加热形式等要求较为严格。由于气相法耗能大，加工成本较高，还需在反应条件与设备选型等方面进一步地探讨和研究。

3.2 化学沉淀法

化学沉淀法是合成石英粉体较为广泛的方法之一，目前技术已经成熟，已用于工业化生产。沉淀法是以水玻璃为原料，加入二氧化碳或酸性溶液，在一定的合成温度和表面活性剂的作用下混合反应，得到偏硅酸沉淀，再经过滤、洗涤、干燥、煅烧工序制备出二氧化硅。

3.3 溶胶-凝胶法

溶胶凝胶法制备石英砂是被广泛研究的方法之一，日本三菱化学以此方法成功制备了合成石英砂并实现产业化生产。溶胶凝胶法是以无机盐或者金属醇盐（一般为硅酸乙酯）为原料，以醇作为共溶剂，加入酸或碱作为催化剂，先形成溶胶，再通过凝胶过程形成三维网络结构，经过洗涤、干燥、煅烧、破碎、筛分等工艺得到石英砂。

3.4 四氯化硅液相水解法

四氯化硅液相水解法的原理是SiCl4与纯水接触发生水解或缩聚反应，之后将反应产物经洗涤、过滤、干燥、煅烧、筛选等流程，制备SiO2粉体。由于原料中不含碳，故制备得到SiO2粉体纯度较高、羟基含量较低。但是，在规模化生产过程中，四氯化硅与水发生的水解和缩聚反应剧烈，中间过程难以管控，粉体易团聚，形成的石英粉致密度较低，砂粒度偏小，在熔制方面存在一定问题。

为了满足产业化生产，该法仍需更深入地探究其工艺控制（如水解控制、干燥及烧结过程等），有效减少颗粒团聚现象的发生。

3.5 水热合成法

水热法合成纳米高纯石英的基本原理是高温高压碱性NaOH环境下，化学无定形氧化硅前驱体溶解生成可溶性硅组分，液相过饱和后直接析出α石英晶核完成结晶；反应后经透析除碱、过滤离心分级、干燥除水、分离晶体与残液，最终得到高纯二氧化硅纳米石英。

水热法合成的石英具有高纯、高比表面积和结构均匀且良好的机械强度和低渗透性，适用于各种模板材料；然而，工艺控制较为复杂，容易导致晶粒聚集和结晶缺陷，从而对产品的质量和性能造成影响。

3.6 其他合成方法

刘晓红等采用氟硅酸与碳酸氢铵反应制备得到二氧化硅，反应前采用重结晶方法对碳酸氢铵进行提纯，反应过程中添加沉淀剂得到高纯氟硅酸铵溶液，最后得到高纯二氧化硅。

应盛荣等总结了氟硅酸提取二氧化硅并进一步制备高纯石英砂的方法。主要有氟硅酸氨化法、氟硅酸浓硫酸法、氟硅酸盐法等，将氟硅酸中的硅元素转化为无定形二氧化硅，同时回收氟资源。将制备得到的无定型二氧化硅通过高温煅烧形成致密的非晶态合成石英砂，或晶体石英砂。

04合成石英应用领域

合成石英最大优势是杂质极低，无天然矿石自带晶格杂质、气液包裹体缺陷，主要面向高端高新产业。

4.1 光伏行业

高纯石英是光伏直拉单晶的核心基材，光伏领域纯度要求集中在4N5-4N8，虽然低于半导体6N级别，但对碱金属杂质控制十分严格。

天然提纯石英矿石内部普遍存在流体、固体包裹体，高温环境容易起泡，造成坩埚析晶变形。人工合成高纯石英不存在原生包裹体缺陷，性能优势突出。能有效减少杂质对晶体生长的干扰，提升单晶硅的转化效率和转化使用寿命。

4.2半导体行业

在半导体制造领域，从单晶硅棒长晶到氧化扩散、从刻蚀到清洗、从测试到封装等环节，石英材料几乎贯穿了整个半导体制造流程。合成石英砂及其制品凭借高纯度、无气泡、无包裹体颗粒、高紫外透过率等特点，逐渐在先进制程中，替代传统天然石英材料，能显著改善良率并提高使用寿命。主要产品为刻蚀环、石英穹顶、炉管、清洗槽、紫外固化窗、先进封装载体等。

4.3光学领域

随着光刻机、高功率激光器、低膨胀光学镜片等领域的迅速发展，光学行业对石英玻璃的材料性能提出了极高的标准。合成石英砂的超高纯度及与各种熔制工艺的适配性，使其熔制的石英玻璃具有极高的光透过率、折射率均匀性、低应力双折射等特性，满足各类应用场景下对光传输质量、光学均匀性等性能的要求，极具应用前景。

05合成石英企业

市场上仅有日本三菱一家生产的合成非晶体石英砂产品，三菱化学合成石英砂是采用醇硅法制成的超纯合成二氧化硅粉末，其产品纯度达到7N级别，金属杂质总量小于1ppm，是高度集成半导体制造的重要材料。它是高纯度石英坩埚和硅晶片制造的原材料，也用于高端光学玻璃的生产。

国内合成石英砂尚处于研究阶段，几种方法均处于实验室小试阶段，目前仍没有大型生产线建成生产。

中建材金格兰石英在合成石英砂纯度方面达到6N级，建有年产50吨合成石英砂中试线，目前在筹建扩产合成砂生产线，合成砂产品已开展熔制石英坩埚和石英碇的批量应用。

凯盛科技用工业硅制备有机硅烷，再以溶胶-凝胶法，制备纳米级石英粉和微米级石英砂，公司开发的合成石英砂产品纯度可达6N-7N，目前正在建设5000吨生产线。

中硅工业集团的科研团队利用北海的优质石英石，经过三年潜心研究及反复试验，对石英矿成因溯源并完成化学全元素分析，通过创新矿物提纯技术，将北海优质石英矿石提纯至4N8（99.998%），并利用合成技术实现了6-7N超纯石英的突破。目前，项目落地于北海铁山东港产业园（乌家产业园片区），一期已实现量产，二期也即将开工建设。

合肥综合性国家科学中心能源研究院陈健研究员团队创新攻坚，摒弃海外主流技术路径，自主研发出独有液相固相提纯法，打造出区别于三菱化学的全新技术路线，成功制备出6N+超高纯级别合成石英砂。该新技术的核心优势集中在成本控制上，原料成本不足海外主流工艺的十分之一。

北京矽瓷新能科技有限公司：建设高纯合成石英砂、3C/4H-碳化硅粉体生产线，未来还将依托高品质粉体材料布局下游半导体关键零部件产线。

无锡光未公司：计划总投资2亿元，建成3条超高纯石英砂产线，2024年7月启动建设，2025年5月首条产线建成并投产，预计年产量700吨、年销售3亿元。项目整体完成后，年产量增至2700吨，年销售超9亿元。

弘扬石英实现从天然石英矿提纯到高纯化学合成的重大技术跨越，构建了从前驱体技术、化学合成工艺、核心装备开发到应用验证的全链条技术矩阵，成功研发并量产具有完全自主知识产权的7N级（99.99999%）、特定杂质总含量小于20ppb的合成石英砂，全面对标进口产品，用于制备半导体级石英坩埚、光刻、刻蚀等核心环节。

06结语

天然高纯石英矿产资源有限，海外技术封锁风险高，化学法合成石英是我国高纯石英产业重要发展方向。不同合成工艺各有优劣，合成石英凭借低杂质、无原生包裹体的优势，在光伏、半导体、光学领域展现巨大应用潜力。当前国内合成石英产业化仍面临成本偏高、批量产品稳定性不足、评价标准不完善等难题。随着国内多条中试与新建产线推进，持续优化合成工艺、突破装备瓶颈、建立配套检测体系，将推动合成石英实现规模化量产，助力我国高端高纯石英原料自主可控，保障光伏与半导体等战略性产业安全。

来源：中国粉体网