一、高纯石英砂介绍
石英是最常见的矿物之一，此前广泛应用于玻璃、建筑、装饰等传统行业。高纯石英指SiO2纯度极高且几乎不允许铁、钛、铬、锆、锂、钾、钠等金属离子和包裹体羟基存在的石英及其产品，是半导体、光伏、光纤、精密光学、照明设备、新型玻璃等产业不可缺少的重要功能材料;不同产业需要不同质量的石英，因此高纯石英质量没有统一标准，各企业的产品及标准要求也有一定差异。
高纯石英领域关系到国家新兴产业的长远发展，各国政府一直将其列入高技术领域，制备技术和出口也受到严格保护和限制，目前我国高纯石英主要依赖进口。
高纯石英砂作为重要基础性材料广泛应用于半导体、光伏、光纤通信、精密光学、航天航空等战略新兴领域。
二、高纯石英砂分类
市场依据SiO2含量将高纯石英砂分为低端、中端、高端产品，二氧化硅纯度为3N到4N的为低端产品，加工难度较低，售价较低;纯度为4N到4N8的高纯石英砂为中端产品，此类产品原材料及提纯工艺有更高要求;纯度为4N8以上的高纯石英砂为高端产品，此类产品受限于国内石英原矿资源的匮乏，以及对提纯工艺要求极高，目前国内加工企业较少。
各纯度标准产品应用领域不同，4N级产品主要应用于高级照明、电子封装工业等领域;4N8级产品主要用于光伏、通信工业领域;5N级产品则主要应用于半导体、芯片制造领域。
美国、挪威、日本、俄罗斯、英国、德国等国家制备出5N级别高纯石英产品:目前可规模化量产的最高纯度可以达到99.999%(5N)及以上，全球能规模化量产5N级别的的国家有限。
三、高纯石英砂产业链
高纯石英砂产业链可以分为上、中、下游三个部分。
上游是石英原矿资源及石英砂上游原材料，包括脉石英、石英石、石英砂岩、石英砂矿、泥质石英砂矿、长石石英砂矿、其他硅质原料等。我国石英资源储量丰富，但是质量不高，真正适用于提纯光伏及半导体用高纯石英砂的石英矿床数量极少。
▲全球高纯石英原料矿床分布地图
中游是高纯石英砂的制备以及各类石英制品的生产，制备方式主要包含天然水晶加工、矿物提纯、化学合成三种。我国高纯石英砂优质原矿资源匮乏，在上游资源受限的情况下，化学合成法成为行业发展的方向。合成石英砂纯度更高(6N)，光学性能更优，且不受原矿资源限制，但目前合成砂制备成本较高，制备工艺处于发展初期，暂未有企业进行大规模生产。
下游是高纯石英砂的应用，主要用于光伏、半导体、光纤光电等高端制造行业。高纯石英砂在光伏行业中主要用于生产晶硅产业链中的石英坩埚。
四、高纯石英砂的制备
高纯石英砂的制备方法分为物理法（也称机械粉碎法）和化学合成法两种。
机械粉碎法是以天然水晶为原料，将其粉碎后经过磁选、浮选、酸浸、干燥、焙烧后，得到成品石英，该种工艺主要受到提纯工艺技术成熟程度、天然水晶纯度的限制和储量日渐枯竭的制约。
▲高纯石英砂制备工艺流程
高纯度石英砂提纯的难点
1、杂质存在的形式
石英砂中的杂质以类质同象的形式存在，这些杂质离子主要包括Al3+、Ti4+等。这些离子与石英晶格中的Si4+、Al3+离子的离子半径相近，难以通过物理方法进行分离。同时，这些杂质离子还可能存在于石英晶格的间隙或替代原有的Si4+、Al3+等位置，导致石英的性能受到严重影响，如热学性能、光学性能、电学性能等。
2、提纯工艺的复杂性
为了将石英砂中的杂质去除，需要采用复杂的提纯工艺。常用的提纯工艺包括焙烧、水淬、磁选、酸浸等。这些工艺的选择和实施需要根据杂质的具体性质和分布情况进行设计，以确保提纯效果。同时，提纯工艺的效率和稳定性也是需要解决的难题之一。
3、设备性能的要求
提纯设备是实现高纯度石英砂提纯的核心，设备的精密度和可靠性对提纯效果产生重要影响。在提纯过程中，需要对设备进行精确的控制和调节，以确保产品的质量和稳定性。此外，设备的投资和维护成本也是限制高纯度石英砂提纯的因素之一。
化学合成法是用含硅化合物（如SiCl4、CH3SiCl3和Na2SiO3等）进行化学合成，其又可分为气相合成法和液相合成法（化学沉淀法、溶胶-凝胶法、四氯化硅液相水解法等）工艺过程。相较于天然高纯石英提纯后的产品，合成石英砂可以实现更高的纯度，有望达到6N-7N级别，但工艺较为复杂、设备要求高，影响了大规模工业应用的发展。目前化学合成法制备高纯石英砂包括气相合成法、化学沉淀法、溶胶-凝胶法、四氯化硅液相水解法。
五、高纯石英砂市场情况
随着近年来全球光伏、半导体等产业的快速发展，全球高纯石英砂的需求量也随之快速增长，推动了全球高纯石英砂行业的发展。据资料显示，2022年全球高纯石英砂行业市场规模为25.48亿美元，同比增长25.52%；产量为284.7万吨，同比增长11.17%；需求量为284.3万吨，同比增长11.14%。
中国是高纯石英消费大国，随着我国电子、信息、通讯等高科技产业快速发展，对高 纯石英的需求量逐年增长。在近年的高纯石英消费中，半导体领域消费量约占据总消 费量的一半，其次是光通讯领域和光伏领域消费量，半导体、光伏、光纤等战略性新 兴产业领域的消费量约占消费总量的90%。
▲我国高纯石英消费结构
目前高纯石英砂价格维持稳定。近期下游坩埚企业消耗在手原料库存为主，暂不进场采购，石英砂价格稳定运行。产量方面，近期供应端稳定生产，暂无新增及减产计划。
▲高纯石英砂价格走势
预计到2027年，全球半导体市场规模将超过7000亿美元，中国半导体市场规模也将达到17000亿元，对应全球半导体用石英材料市场空间为36亿美元，国内半导体用石英材料市场空间86亿元。
六、相关企业
全球高纯石英砂供应企业较少，目前全球具有高纯石英砂生产技术及大规模产出能力的企业仅有3家，分别为美国矽比科(原尤尼明)、挪威TQC以及中国石英股份。
矽比科(Sibelco)是一家全球性材料解决方案公司，公司的矿物产品组合种类多样，在石英材料领域，矽比科是世界领先的高纯度石英生产商，在全球石英行业处于绝对霸主的地位。矽比科于1872年成立，在31个国家运营着120个生产基地，拥有6个技术中心和超过5000人的团队，垄断着国际上4N8及以上的高端石英砂产品，其全球市占率达90%以上，对石英砂的价格有绝对主导权。矽比科公司成为全球石英巨头的主要原因系其手握优质石英矿产资源，原矿为美国斯普派恩的白岗岩型高纯石英原料矿，该矿具有规模大、石英中流体杂质少、矿石品质稳定等优点。
挪威TQC公司依靠拥有美国斯普鲁斯派恩矿源以及挪威本地石英矿成为全球第二大石英砂供应商，其高纯石英砂产品主要应用于半导体、太阳能、照明、光纤等领域。由于中国是世界上最大的太阳能组件生产国，并正迅速成为半导体行业的主要参与者，TQC于2017年在中国上海设立了亚洲销售支持办事处。
石英股份，国内石英领域的龙头企业，首家掌握高纯石英砂规模化量产技术的上市公司。石英股份于1992年正式成立，主要从事石英材料的研发、生产与销售，主导产品有高纯石英砂、高纯石英管(棒、板、锭、筒)、石英坩埚等及多种石英器件，是国内唯一一家拥有高纯石英砂和石英材料产业链一体化的上市企业，在光源、光伏、光纤、光学及半导体等领域用的石英材料市场及技术均位居行业前列。2005年，公司的检测中心通过了国家实验室认可。2009年，石英股份自主研发并掌握了高纯石英砂提纯技术，成为全球第三家掌握该技术的企业。2014年，公司股票成功在上海证券交易所上市交易。半导体领域用系列石英产品于2019年通过东京电子(TEL)高温扩散环节认证，并先后于2020、2021年通过美国LAM领域认证以及东京电子(TEL)刻蚀领域认证。
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