2022年高純石英砂行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用范圍分析

1、2022年高純石英砂行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用范圍分析1.高純石英砂：工業(yè)重要原料，礦源決定產(chǎn)品純度高純石英砂，高端制造業(yè)的關(guān)鍵材料高純石英砂是光伏、半導(dǎo)體行業(yè)關(guān)鍵性原輔材料：高純石英砂是指由天然石英礦物經(jīng)過一系列物理 和化學(xué)提純技術(shù)生產(chǎn)的具有某種粒度規(guī)格的高純非金屬礦物原料，是一種堅(jiān)硬、耐磨、化學(xué)性能穩(wěn) 定的硅酸鹽礦物。高純石英砂純度高、品質(zhì)好，生產(chǎn)的石英制品具有耐高溫、耐腐蝕、低熱膨脹性、 高度絕緣性和透光性等優(yōu)異的物理化學(xué)屬性，被廣泛用于光伏、電子、高端電光源、薄膜材料、國 防科技等領(lǐng)域，是高端制造行業(yè)不可替代的原輔材料。高純石英砂國際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)以尤尼明 IOTA-CG 為準(zhǔn)：國際公認(rèn)的高純石英砂

2、是以美國尤尼明公司（現(xiàn) 矽比科）IOTA-CG 為標(biāo)準(zhǔn)，十二種元素雜質(zhì)（Al,K,Na,Li,Ca,Mg,Fe,Mn,Cu,Cr,Ni,B）的含量小于 20ppm，其 中堿金屬（K,Na,Li）分別小于 1ppm 的高技術(shù)產(chǎn)品。目前，高純石英砂主要來源于石英礦物：高純石英最初是從一、二級(jí)天然水晶中深度提純得到的， 天然水晶制備高純石英砂工藝較為簡單，水晶原礦經(jīng)過粉碎、磁選、浮選、酸浸、干燥、焙燒后得 到成品石英砂，但目前水晶資源逐漸匱乏，成本較高，且生產(chǎn)過程中雜質(zhì)含量高、能耗高、產(chǎn)品質(zhì) 量穩(wěn)定性差。自上世紀(jì) 70 年代開始，美國等國家開始探索用普通石英代替水晶制備高純石英砂，從 天然巖石礦物提

3、取高純石英砂原料是目前世界上生產(chǎn)天然高純石英砂的最先進(jìn)技術(shù)，對(duì)礦石的品質(zhì) 要求高，提純技術(shù)復(fù)雜，目前全球只有美國尤尼明、挪威 TQC 和石英股份等極少數(shù)公司具備規(guī)模化 量產(chǎn)高純石英砂的能力。目前，石英礦物逐漸替代水晶成為高純石英砂的主要原料。礦源質(zhì)量決定高純石英砂產(chǎn)品純度高純石英砂純度取決于石英原料質(zhì)量：高純石英砂純度與原料中雜質(zhì)元素含量高低并不是簡單的對(duì) 應(yīng)關(guān)系，而是與原料工藝礦物學(xué)特征所決定的雜質(zhì)可選性密切相關(guān)。不同類型石英礦的礦物學(xué)特征 存在明顯差異，石英礦的礦物學(xué)特征主要有四類： 1）化學(xué)成分與雜質(zhì)元素賦存狀態(tài)：化學(xué)成分只反應(yīng)了石英所含元素的種類和含量，但難以對(duì)石英原 料是否具備加工為

4、高純石英的潛力做出正確判斷。石英原料具有雜質(zhì)元素種類多、含量高、賦存狀 態(tài)多樣化等特點(diǎn)。2） 礦物組成與嵌布特征：共伴生獨(dú)立脈石礦物（如云母、長石、赤鐵礦、電氣石、綠泥石和黏土 礦物等）是石英中雜質(zhì)元素的主要載體礦物，且在地質(zhì)成礦過程中佷容易成為石英中的礦物包裹體， 是制約最終石英產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一。石英與脈石礦物嵌布特征直接影響石英單體解離度，進(jìn) 而影響選礦提純效果。石英受成巖作用和變質(zhì)作用改造強(qiáng)度越大，石英與脈石礦物的嵌布差異越明 顯，嵌布特征也逐漸由毗鄰型轉(zhuǎn)變?yōu)榭p狀、甚至包裹型，在粉碎過程中單體解離難度依次增加，被 加工為高純石英的可能性也逐漸降低。3） 流體包裹體：礦物或巖石中廣泛

5、存在流體包裹體，每立方厘米中含有流體包裹體數(shù)量大約為 102 -109 個(gè)，直徑一般小于 50m。流體包裹體在形成過程中所捕獲的流體屬過飽和溶液，當(dāng)溫度降低時(shí) 會(huì)從溶液中結(jié)晶形成包括石鹽、鉀鹽以及一些硅酸鹽礦物的子礦物，因此流體包裹體中含有堿金屬 K、Na、Li 離子和堿土金屬 Ca、Mg 離子。石英制品在高溫下具有變成二氧化硅的晶體（方石英）的 趨向，通常稱為析晶。析晶會(huì)影響石英制品的產(chǎn)品性能，而堿金屬雜質(zhì)會(huì)誘發(fā)析晶現(xiàn)象。相比于雜 質(zhì)元素，流體包裹體除去難度更大，是影響最終石英產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵性因素之一。因此，選擇流體 包裹體含量極少或無流體包裹體的石英作為高純石英原料是加工高純石英的關(guān)鍵之一

6、。4）晶格雜質(zhì)：石英晶體在形成過程中，一些元素會(huì)替代硅元素進(jìn)入石英晶體中，形成了石英的結(jié)構(gòu) 性雜質(zhì)。這些雜質(zhì)含量很低，但從石英中分離難度較大，是制約高純石英質(zhì)量關(guān)鍵性因素之一。在 石英結(jié)構(gòu)性雜質(zhì)中，Al 雜質(zhì)元素含量一般最高。由于 Al 是以 Al3 +替代 Si4+的形式存在，引起了石英晶 格內(nèi)部電荷不平衡，當(dāng)石英中存在大量 Al 雜質(zhì)時(shí)，Li、K、Na 等雜質(zhì)元素的含量會(huì)增加。在現(xiàn)有加工 技術(shù)下，石英原料中晶格雜質(zhì)幾乎不能被除去。以晶格雜質(zhì)形式存在的 Al 元素含量雖然極低但除去 難度極大，是制約高純石英最終質(zhì)量的關(guān)鍵之一。實(shí)踐證明，依目前的加工技術(shù)水平，并不是所有的脈石英和花崗巖石英都能

7、夠加工高純石英，能夠 加工高端產(chǎn)品的只是極少數(shù)，甚至是極個(gè)別。 礦源質(zhì)量差異對(duì)國產(chǎn)廠商提出較高的技術(shù)要求：天然石英礦石因形成的地質(zhì)條件不同，直接影響了 生產(chǎn)提純后的高純石英砂的質(zhì)量，全球不同產(chǎn)地的天然石英礦的雜質(zhì)含量、雜質(zhì)分布、化學(xué)元素等 指標(biāo)各不相同。美國尤尼明生產(chǎn)的高純石英砂利用的石英礦石是全球稀有的白崗巖礦石，經(jīng)巖漿作 用形成的火成巖，具有礦體規(guī)模大、石英中流體雜質(zhì)少、礦石品質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。而國產(chǎn)廠商使用的 脈石英多形成于巖漿熱液條件，雖然石英含量高，但具有石英中流體雜質(zhì)多、礦體規(guī)模小、礦石品 質(zhì)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。因此，對(duì)國內(nèi)礦石的提純技術(shù)和工藝較國際更為復(fù)雜。檢測與提純技術(shù)是制備高純石英砂的

8、核心技術(shù)檢測技術(shù)是制備高純石英砂的基礎(chǔ)和前提：高純石英砂對(duì) SiO2純度要求極高，純度依賴于礦源本身 的質(zhì)量特性，因此選礦技術(shù)是制備高純石英砂的前提技術(shù)。由于化學(xué)分析法和 X 射線縈光光譜法 （XRF）自身特點(diǎn)的限制，難以滿足高純石英質(zhì)量的檢測要求。電感耦合等離子體發(fā)射光譜法 （ICP-OES）利用光照射到某個(gè)檢測單元后，產(chǎn)生一定量的電荷，并且儲(chǔ)存在檢測單元內(nèi)，然后采用 電荷轉(zhuǎn)移的方式將其讀出的原理，對(duì)金屬元素具有良好的檢出限，并具有檢測時(shí)間短、靈敏度高、 精確度好等優(yōu)點(diǎn)，使之成為一種高純物料微量化學(xué)成分檢測的常用方法。但由于技術(shù)保密等因素， 高純石英質(zhì)量的 ICP 檢測分析方法未得到普及。目

9、前，與國際先進(jìn)水平（美國尤尼明）相比，我國 高純石英質(zhì)量的 ICP 檢測效果存在明顯差距。石英礦物深度提純技術(shù)是制備高純石英砂的主流技術(shù)：高純石英的制備方法主要有三大類，分別為 天然水晶粉磨加工、石英礦物深度提純及用含硅化合物化學(xué)合成。由于天然水晶資源逐漸枯竭，而 化學(xué)合成法技術(shù)較復(fù)雜、成本較高，難以大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，因此，石英礦物深度提純技術(shù)是制備高 純石英砂的主流技術(shù)。 高純石英礦物深度提純技術(shù)包括分離雜質(zhì)和去除包裹體兩個(gè)核心環(huán)節(jié)：高純石英砂提純工藝包括分 離雜質(zhì)和去除包裹體兩個(gè)環(huán)節(jié)，其原理為粉碎分級(jí)使石英礦物與脈石礦物單體解離并得到相應(yīng)粒級(jí) 的石英顆粒，之后再根據(jù)石英中雜質(zhì)元素賦存狀態(tài)選擇

10、有針對(duì)性的加工技術(shù)使獨(dú)立礦物雜質(zhì)、包裹 體雜質(zhì)和晶格雜質(zhì)與石英有效分離。主要工藝環(huán)節(jié)包括：粉碎（粗碎、細(xì)碎和磨礦）、分選（粒度 分選、浮選、磁選）和化學(xué)浸濾。1）粉碎分級(jí)預(yù)處理：預(yù)處理階段目的是初步篩選雜質(zhì)或?qū)⑹⒃掀扑榈接欣陔s質(zhì)釋放與后續(xù) 處理的所需的粒度，一般采用機(jī)械破碎、電動(dòng)粉碎、光學(xué)分選、超聲破碎、熱沖擊破碎等處理方式。石英粉碎處理需要考慮到有效單體的解離效果和粉碎過程中二次污染兩個(gè)方面因素：石英解離過程 中為了避免鐵雜質(zhì)的二次污染影響和提高解離效果，可采取熱力粉碎、高壓脈沖粉碎、超聲破碎手 段。但這些方法缺點(diǎn)是能耗大、成本高，而傳統(tǒng)機(jī)械法相較于上述方法具有低成本和較高的二次污 染

11、特點(diǎn)。傳統(tǒng)機(jī)械法是使用顎式破碎機(jī)或錐形破碎機(jī)將礦物粉碎到所需的粒度，顆粒形態(tài)為不規(guī)則 棱角狀。相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械法，脈沖放電破碎巖石具有更明顯的優(yōu)勢，主要分為液電效應(yīng)破碎和電破 碎兩種形式，高壓放電產(chǎn)生的沖擊波，使巖石沿晶界斷裂并有選擇性地指向礦物包裹體，有利于雜 質(zhì)的釋放和后續(xù)的處理，還可最大程度地保留礦物的粒度和形貌特征；脈沖放電破碎通常在水介質(zhì) 中進(jìn)行，具有無塵環(huán)保的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)破碎相比，電動(dòng)破碎在處理雜質(zhì)方面更有效，而且不會(huì)引入 大量的鐵污染。2）共伴生獨(dú)立礦物分選：分選石英中礦物雜質(zhì)最常用方法是磁選和浮選。多段強(qiáng)磁選不僅可以從石 英中分選出已單體解離的強(qiáng)磁性和弱磁性礦物雜質(zhì)，而且對(duì)石英中

12、磁性礦物包裹體和連生體也有一 定分選效果。云母、長石等硅酸鹽礦物是石英中鋁雜質(zhì)的主要來源之一，由于其與石英物理、化學(xué) 性質(zhì)類似，常采用浮選法進(jìn)行分離。為了有效降低石英中鋁雜質(zhì)含量，需要進(jìn)行多次精選。通過預(yù) 處理和物理分選后，石英中絕大部分獨(dú)立礦物雜質(zhì)已被分離，SiO2 含量一般可以達(dá)到 99.9%左右，但 并未達(dá)到高純石英的技術(shù)要求，主要因?yàn)轭A(yù)處理和物理分選只對(duì)石英和獨(dú)立礦物雜質(zhì)分離具有顯著 效果，對(duì)降低石英中包裹體雜質(zhì)和晶格雜質(zhì)幾乎沒有作用。3）包裹體雜質(zhì)與石英分離：與物理選礦相比，化學(xué)處理去除雜質(zhì)的效率更高，酸可在微裂縫和晶界 內(nèi)深度滲透的優(yōu)勢可更好地處理包裹體和晶格類型的雜質(zhì)。酸洗、浸出

13、和熱氯化是三種主要的化學(xué) 處理工藝。酸洗和浸出對(duì)包裹體雜質(zhì)處理效果較好，而熱氯化可以清除較難處理的晶格雜質(zhì)。酸洗 是使用鹽酸或硫酸等溶解力較低的酸，而浸出則使用高溫的氫氟酸，以最有效地去除表面游離雜質(zhì) 和富集在微裂紋和沿位錯(cuò)的雜質(zhì)。礦物包裹體混合酸溶解：礦物包裹體混合酸溶解利用石英只能溶解在氫氟酸中，而其他礦物包裹 體雜質(zhì)能被酸溶解的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)石英與雜質(zhì)的分離，常用的酸有硫酸、鹽酸、硝酸、氫氟酸等。天 然石英礦物中雜質(zhì)種類多且存在形式復(fù)雜，使用混合酸溶解石英中礦物包裹體雜質(zhì)對(duì)石英砂提純效 果最佳。混合酸溶解礦物雜質(zhì)被認(rèn)為是高純石英加工過程中最重要環(huán)節(jié)之一，在礦物雜質(zhì)被溶解的 同時(shí)也可能脫除石英

14、中的晶格雜質(zhì)。但混合酸溶解礦物雜質(zhì)反應(yīng)程度低、過程緩慢，不僅消耗了大 量時(shí)間和酸溶液，同時(shí)也造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題。流體包裹體高溫爆裂：石英在高溫焙燒過程中，隨著溫度升高當(dāng)流體包裹體內(nèi)部壓力大于石英對(duì) 包裹體束縛壓力時(shí)，流體包裹體發(fā)生突然爆裂內(nèi)部雜質(zhì)得以釋放，再經(jīng)后續(xù)酸清洗可以溶解流體包 裹體內(nèi)部雜質(zhì)。氯化脫氣：氯化脫氣是將石英加熱到 1000-1500并通入 Cl2、HCl 或混合氣體的高溫處理方法，不 僅可以使金屬雜質(zhì)元素在高溫下生成氣態(tài)氯化鹽揮發(fā)出來，更對(duì)石英中的流體包裹體有一定的脫除 效果。其原理為：高濃氯氣作用下，石英顆粒表面與內(nèi)部會(huì)存在促使流體包裹體向外擴(kuò)散的化學(xué)位 梯度，進(jìn)而脫除了

15、石英中的氣液包裹體和羥基。4）晶格雜質(zhì)脫除：氯化脫氣除了有助于脫除流體包裹體外，也有助于脫除晶格雜質(zhì)。其原理為：1500 高溫時(shí)，石英向方石英相轉(zhuǎn)化，會(huì)發(fā)生鍵的斷裂和重組，石英晶格發(fā)生膨脹，有利于金屬雜質(zhì)元素 向石英表面遷移擴(kuò)散。相比于真空氣氛焙燒，氮?dú)鈿夥毡簾龝r(shí)石英向方石英轉(zhuǎn)化率更大，石英晶格 雜質(zhì)元素遷移擴(kuò)散效率可能更高。石英中的雜質(zhì)組分與氯化劑作用轉(zhuǎn)變?yōu)槁然锒鴵]發(fā)出來，石英 在高溫氯化焙燒過程中存在晶型轉(zhuǎn)變，使得石英晶格中的金屬離子可能會(huì)遷移擴(kuò)散到石英表面，與 HCl、NH4Cl 和 Cl2等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)變成易揮發(fā)組分而實(shí)現(xiàn)與石英的分離，同時(shí)也阻止了雜質(zhì)元素在冷 卻過程再遷移擴(kuò)散至石英

16、晶格中?；瘜W(xué)合成高純石英：高純石英砂潛在量產(chǎn)新技術(shù)合成石英砂嶄露頭角：隨著全球范圍內(nèi)天然水晶和高品質(zhì)石英礦脈的逐漸枯竭，化學(xué)合成生產(chǎn)高純 石英得到重視。此外，合成石英材料因?yàn)槠浼兌雀?、光學(xué)性能更良等特性，除了在高端光學(xué)領(lǐng)域 得到廣泛應(yīng)用以外，也符合半導(dǎo)體制程對(duì)石英制品高純、無污染、耐高溫的要求，尤其是隨著半導(dǎo) 體芯片線寬越來越窄，普通的天然石英材料已經(jīng)無法滿足高端生產(chǎn)工藝的要求，合成石英成為 10nm 制程以下的半導(dǎo)體芯片刻蝕環(huán)節(jié)中的重要部件。光掩模版需求旺盛，也帶動(dòng)合成石英材料的需求。 目前全球高純合成石英材料主要生產(chǎn)企業(yè)包括美國康寧公司、德國賀利氏、日本東曹株式會(huì)社、日 本信越石英株式會(huì)

17、社以及國內(nèi)的菲利華。目前，制備高純合成石英的技術(shù)路線主要有四種，即氣相合成法、化學(xué)沉淀法、溶膠-凝膠法、四氯 化硅液相水解法：1）氣相合成法：即火焰水解法，與氣相白炭黑工藝類似，其原理是采用硅或有機(jī)硅的氯化物（如 SiCl4 或 CH3SiCl3等） 作為原料，將其氣化后與氫氣、氧氣混合，在高溫下發(fā)生水解形成霧狀的 SiO2，最 后通過冷卻、分離、脫酸等氣固分離得到產(chǎn)品。 該法得到的產(chǎn)品為氣相 SiO2，粒徑小于 100nm，外 觀蓬松多孔，比表面積大，化學(xué)純度高，分散性較好。 工藝特點(diǎn)：生產(chǎn)流程簡單，合成條件易控制，反應(yīng)速度快，適合大規(guī)模生產(chǎn)；由于過程中需要高溫 環(huán)境，反應(yīng)生成的 HCl 會(huì)

18、嚴(yán)重腐蝕設(shè)備，因此對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的材質(zhì)、加熱形式等要求比較嚴(yán)格。 由于 氣相法耗能大，加工成本較高，還需在反應(yīng)條件與設(shè)備選型等方面進(jìn)一步探討和研究。2）化學(xué)沉淀法：化學(xué)沉淀法是合成石英粉體較為廣泛的方法之一，目前技術(shù)已經(jīng)成熟，已用于工業(yè) 化生產(chǎn)。 沉淀法生產(chǎn) SiO2的原理：采用硅酸鈉與二氧化碳或酸溶液（加鹽酸、硫酸或硝酸）作為原 料，在一定的合成溫度和表面活性劑的作用下混合反應(yīng)，得到偏硅酸沉淀，再經(jīng)過濾、洗滌、干燥、 煅燒工序制備出 SiO2。 工藝特點(diǎn)：該生產(chǎn)工藝具有操作方便，生產(chǎn)流程簡單，原料易得，能耗和投資低等優(yōu)點(diǎn)；但是 Fe3+、 Al3+、Ca2+等雜質(zhì)的存在會(huì)導(dǎo)致凝塊的形成，嚴(yán)重影響

19、產(chǎn)品的質(zhì)量，導(dǎo)致產(chǎn)品性能差、純度低、粒徑 大、易發(fā)生團(tuán)聚；也存在反應(yīng)體系的濃度較低、沉淀速度快、沉淀過程不易控制的缺點(diǎn)；另外，廢 酸、廢水的處理給環(huán)境帶來一定的破壞。3）溶膠-凝膠法：溶膠-凝膠法是以無機(jī)鹽或者金屬醇鹽（一般為硅酸乙酯）為原料，以醇作為共溶 劑，加入酸或堿溶液作為催化劑，進(jìn)行水解，縮聚反應(yīng)形成 SiO2凝膠，過濾并對(duì)凝膠中的有機(jī)溶劑 進(jìn)行洗滌，干燥、煅燒得到 SiO2粉體。采用該方法制備 SiO2，生產(chǎn)流程簡單，合成條件易控制，對(duì) 設(shè)備材料的要求不嚴(yán)格，且過程中無其他添加劑，所以制備出的 SiO2 純度較高、均勻度好、比表面 積大， 但是成本較高，生產(chǎn)周期長，工業(yè)化價(jià)值不大；另

20、外，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中可變因素較多，不能 達(dá)到準(zhǔn)確控制（如水解體系、干燥方式及燒結(jié)途徑等），目前只停留在實(shí)驗(yàn)室小試階段。4）四氯化硅液相水解法：其原理是 SiCl4與純水接觸發(fā)生水解或縮聚反應(yīng)，之后將反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)洗滌、 過濾、干燥、煅燒、篩選等流程，制備 SiO2粉體。 采用 SiCl4液相水解法制備高純石英粉，由于原料 中不含碳，故制備得到 SiO2 粉體純度較高、羥基含量較低。 但是，在規(guī)模化生產(chǎn)過程中，四氯化硅 與水發(fā)生的水解和縮聚反應(yīng)劇烈，中間過程難以管控，粉體易團(tuán)聚，形成的石英粉致密度較低。 因 此，為了滿足產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，該法仍需更深入地探究其工藝控制（如水解控制、干燥及燒結(jié)過程等）， 有效

21、減少顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生。2.高端制造支撐，高純石英砂需求無憂高純石英砂主要應(yīng)用于半導(dǎo)體、光伏、光通訊和電光源領(lǐng)域：根據(jù)智研咨詢數(shù)據(jù)，2012-2019 年，全 球高純石英砂消費(fèi)量由 73.35 萬噸增長到 121.44 萬噸，年化復(fù)合增速為 7.47%。其中，半導(dǎo)體、光伏、 光通訊、電光源等領(lǐng)域?qū)Ω呒兪⑸暗男枨筝^大。2019 年全球消費(fèi)高純石英 121.44 萬噸，其中用于 半導(dǎo)體領(lǐng)域消費(fèi) 79.30 萬噸，占比 65.30%；光通訊領(lǐng)域消費(fèi) 17.97 萬噸，占比 14.80%；光伏領(lǐng)域消費(fèi) 14.52 萬噸，占比 11.93%；電光源領(lǐng)域消費(fèi) 4.74 萬噸，占比 3.90%；其他領(lǐng)域消

22、費(fèi) 4.91 萬噸，占比 4.04%。 半導(dǎo)體、光伏、光通訊、電光源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域約占消費(fèi)量的 96%。全球脫碳支撐光伏終端需求較快增長，石英坩堝用高純砂需求空間廣闊全球光伏新增裝機(jī)有望快速增長全球“脫碳”支撐中長期需求：當(dāng)前，盡快實(shí)現(xiàn)碳中和已成為全球共識(shí)，在拜登就任以后，美國已重 新加入巴黎協(xié)定，計(jì)劃投入 2 萬億美元在交通、建筑和清潔能源等領(lǐng)域，在政治上把氣候變化問題 納入美國外交政策和國家安全戰(zhàn)略，繼續(xù)推動(dòng)美國3550碳中和進(jìn)程，即 2035 年電力部門實(shí)現(xiàn)碳中和， 2050 年實(shí)現(xiàn) 100%清潔能源，實(shí)現(xiàn)凈零排放；近期美國重建更好法案通過眾議院表決，光伏 ITC 政 策延長至 2

23、026 年并首次適用于儲(chǔ)能資產(chǎn)，PTC 恢復(fù)且風(fēng)電保持全額抵扣至 2026 年，有望刺激美國新 能源發(fā)電裝機(jī)進(jìn)入高增長通道。根據(jù)美國能源署能源數(shù)據(jù)管理局（EIA）最新發(fā)布的預(yù)期，美國將在 2022-2023 年部署 38.3W 新增太陽能發(fā)電裝機(jī)。歐盟委員會(huì)提出到 2050 年歐洲在全球范圍內(nèi)率先實(shí)現(xiàn) 碳中和，同時(shí)為 2030 年設(shè)定了減排中期目標(biāo)，其溫室氣體排放量至少要比 1990 年的排放水平減少 55%。2022 年 5 月，歐盟委員會(huì)提出 REPower EU 方案，計(jì)劃到 2025 年，光伏累計(jì)裝機(jī)量達(dá)到 320GW， 到 2030 年光伏累計(jì)裝機(jī)量達(dá)到 600GW。根據(jù)歐盟委員會(huì)最

24、新的能源戰(zhàn)略，SolarPowerEurope 認(rèn)為樂觀 預(yù)期，2030 年歐盟有望實(shí)現(xiàn) 1TW（1000GW）的太陽能發(fā)電總裝機(jī)。日本首相菅義偉則于 2020 年 10 月 宣布日本將于 2050 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。隨著全球主要經(jīng)濟(jì)體進(jìn)入脫碳周期，預(yù)計(jì)全球新能源發(fā)電新 增裝機(jī)量有望維持穩(wěn)定增長。高純石英砂是石英坩堝核心原材料，其純度顯著影響拉晶效果高純石英砂在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用為制造石英坩堝：石英坩堝是光伏領(lǐng)域高純石英砂的主要制品，主要 應(yīng)用于支持高溫條件下連續(xù)拉晶，是用來裝放多晶硅原料的消耗型石英器件。石英坩堝具有潔凈、 同質(zhì)、耐高溫等性能。從物理熱學(xué)性能上看，石英坩堝的形變點(diǎn)約為 1100，軟

25、化點(diǎn)約為 1730， 其最高連續(xù)使用溫度約為 1100，短時(shí)間內(nèi)可達(dá)到 1450，其高純和高耐溫耐久性為單晶拉制以及 單晶品質(zhì)提供保障，是單晶拉制系統(tǒng)的關(guān)鍵輔料之一。電弧法是制備石英坩堝的主流制備技術(shù)：目前，拉單晶的石英坩堝一般是采用電弧法生產(chǎn)，其原理 為：將高純石英粉裝入可任意傾動(dòng)角度的旋轉(zhuǎn)成型模內(nèi)，利用離心力成型，將已成坩堝形的旋轉(zhuǎn)著 的裝臵移動(dòng)至電極棒處，然后將電極送電啟弧，同時(shí)啟動(dòng)真空系統(tǒng)，使其快速熔化成坩堝形狀的熔 融石英，經(jīng)冷卻后取出，即完成一個(gè)石英坩堝的熔制。石英坩堝呈現(xiàn)內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)：早期的石英坩堝是全透明的結(jié)構(gòu)，這種透明的結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致不均勻的 熱傳輸條件，增加晶棒生長的難度，且

26、均勻的結(jié)構(gòu)對(duì)高品質(zhì)的高純石英砂需求較大，成本較高，因 此這種石英坩堝的制備方法基本被淘汰。電弧法制備的石英坩堝為半透明狀，有內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)，外 層是高氣泡密度的區(qū)域，稱為氣泡復(fù)合層。氣泡復(fù)合層受熱較均勻，保溫效果較好；內(nèi)層是一層 3-5mm 的透明層，稱為氣泡空乏層。氣泡空乏層的存在使坩堝與溶液接觸區(qū)的氣泡密度降低，從而改善單 晶生長的成功率及晶棒品質(zhì)。石英砂純度顯著影響拉晶質(zhì)量：拉晶的過程中，石英坩堝內(nèi)部的羥基、雜質(zhì)元素和氣泡的含量將會(huì) 影響硅棒的質(zhì)量和石英坩堝的使用壽命，其中工藝路線能夠改善羥基的含量，但雜質(zhì)與氣泡的含量 更多依賴于石英砂本身的純度。1）羥基（-OH）含量：坩堝中的羥基（-O

27、H）是影響坩堝強(qiáng)度的核心因素，由于羥基的存在，改變了 SiO2的鍵合結(jié)構(gòu)，致使坩堝的耐溫性能大幅降低，例如坩堝中的羥基含量超過 150ppm，1050 攝氏度 就會(huì)開始軟化變形，無法正常使用。坩堝中的羥基含量主要與坩堝制備所選取的工藝路線直接相關(guān)， 也與環(huán)境濕度以及原料選取等有關(guān)。2）雜質(zhì)含量：石英砂的流體包裹體和晶格雜質(zhì)中的堿性離子的存在是導(dǎo)致石英坩堝析晶的主要因素， 尤其是堿金屬離子的存在，將會(huì)降低析晶溫度 200-300，導(dǎo)致析晶加速。石英坩堝內(nèi)壁發(fā)生析晶時(shí) 有可能破壞坩堝內(nèi)壁原有的涂層，將導(dǎo)致涂層下面的氣泡層和熔硅發(fā)生反應(yīng)，造成部分顆粒狀氧化 硅進(jìn)入熔硅內(nèi)，使得正在生長中的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生

28、變異而無法正常長晶。此外，析晶將減薄石英坩堝 原有的厚度，降低了坩堝的強(qiáng)度，容易引起石英坩堝的變形。因此石英砂純度對(duì)拉晶質(zhì)量有較大程 度的影響。3）氣泡（氣體包裹體）含量：氣泡（氣液包裹體）主要由結(jié)晶水和氣組成，氣的成分主要有 CO2、 H2O、H2O2、N2、CH4、CO。在坩堝使用過程中，由于與硅液接觸的內(nèi)表面不斷向硅液中熔解，并且 伴隨著透明層中的微氣泡不斷的長大，靠近最內(nèi)表面的氣泡破裂，伴隨著硅液釋放石英微顆粒以及 微氣泡。而這些雜質(zhì)會(huì)以微顆粒以及微氣泡的形式伴隨著硅液流遍整個(gè)硅熔體，直接影響到硅的成 晶（整棒率、成晶率、加熱時(shí)間、直接加工成本等）以及單晶硅的質(zhì)量（穿孔片、黑芯片等）。

29、目 前，通過使用低氣泡密度的高純度石英砂作為石英坩堝的內(nèi)層，可有效減少內(nèi)表面氣泡破裂現(xiàn)象， 為長時(shí)間拉晶（如多次復(fù)投料）提供保障。連續(xù)多次投料等拉晶發(fā)展方向?qū)κ⑸凹兌忍岢龈咭螅豪魡螤t投料量是指一只坩堝用于多次 拉棒生產(chǎn)的總投料量，其中坩堝使用時(shí)間為關(guān)鍵因素之一。根據(jù) CPIA 數(shù)據(jù)，2021 年，拉棒單爐投料 量約為 2800kg，較 2020 年的 1900kg 有大幅提升，主要得益于熱場尺寸增加以及所拉棒數(shù)增加。在連 續(xù)投料和 RCZ 復(fù)投技術(shù)的應(yīng)用下，拉晶對(duì)石英坩堝的壽命、強(qiáng)度和尺寸提出了更高的要求，對(duì)應(yīng)到 坩堝的具體性能來看，石英砂的低氣泡含量成為至關(guān)重要的指標(biāo)。此外，拉晶廠對(duì)

30、不斷提升成晶率 和硅棒品質(zhì)需求也對(duì)石英坩堝核心性能內(nèi)表層氣泡含量提出更高要求。硅片快速擴(kuò)產(chǎn)&N 型硅片滲透加速，支撐坩堝用高純石英砂需求快速增長硅片環(huán)節(jié)積極擴(kuò)產(chǎn)，石英坩堝需求有望爆發(fā)：單晶硅片環(huán)節(jié)積極擴(kuò)產(chǎn)，其中，隆基股份預(yù)計(jì)在 2022 年以后在曲靖、麗江和楚雄共擴(kuò)建 30GW 硅片產(chǎn)能，中環(huán)股份在寧夏擴(kuò)建 50GW 單晶硅棒產(chǎn)能，上機(jī) 數(shù)控、京運(yùn)通、億晶光電、通威股份、雙良節(jié)能、高景太陽能等企業(yè)亦有較大的擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃。下游龍 頭企業(yè)積極擴(kuò)產(chǎn)，大幅新增單晶爐裝機(jī)量，石英坩堝的需求有望爆發(fā)。N 型電池滲透，石英坩堝用高純砂需求無憂：與 P 型電池相比，N 型電池具有轉(zhuǎn)換效率高、雙面率高、 溫度系數(shù)低

31、、無光衰、弱光效應(yīng)好、載流子壽命更長等優(yōu)點(diǎn)。目前，P 型 PERC 電池逐漸迫近效率天 花板，而 N 型電池效率天花板較高，未來轉(zhuǎn)換效率提升空間較大。隨著 N 型電池工藝和效率的不斷 優(yōu)化，N 型電池中技術(shù)相對(duì)成熟的 HJT 和 TOPCon 滲透率將進(jìn)一步提升。根據(jù) CPIA 數(shù)據(jù)，HJT 和 TOPCon 的市場份額將由 2020 年的 4%提升至 2030 年的 36%。在光伏硅片中，P 型硅片單晶純度200ppm、N 型單晶硅片純度100ppm 。為滿足 N 型硅片對(duì)純度的更高要求，拉制 N 型硅棒的石英坩堝需要增加 更換的頻率以減少雜質(zhì)的累積，因此 N 型單晶石英坩堝的更換頻率高于

32、P 型單晶坩堝，更換次數(shù)提 升有望驅(qū)動(dòng)石英坩堝用高純砂需求提升。2022-2025 年光伏行業(yè)高純石英砂需求量平均復(fù)合增速有望達(dá)到 25.52%：根據(jù)我們的測算，2022-2025 年全球光伏行業(yè)高純石英砂需求量分別為 6.23 萬噸、7.56 萬噸、9.18 萬噸、12.32 萬噸，年均復(fù)合增 速為 25.52%。光源、光纖、半導(dǎo)體三重驅(qū)動(dòng)，高純石英砂需求無憂半導(dǎo)體：電子信息行業(yè)快速發(fā)展帶動(dòng)高純石英材料需求提升高純石英制品在半導(dǎo)體領(lǐng)域不可或缺：高純石英材料物理性能優(yōu)異，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中不可缺少的支 撐材料。高純石英材料由于其耐溫，耐酸，低膨脹和極佳的管夠透過性的特殊物理性能，滿足了半 導(dǎo)體工業(yè)

33、對(duì)載具材料中堿金屬和重金屬含量的苛刻要求，在半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中需要消耗大量的石英 片、環(huán)、板、法蘭、刻槽舟、擴(kuò)散爐管、清洗槽等高品質(zhì)石英材料，石英材料的應(yīng)用貫穿了半導(dǎo)體 制程擴(kuò)散、氧化、沉積、蝕刻等關(guān)鍵過程。在電子信息技術(shù)快速發(fā)展的環(huán)境下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速 發(fā)展也將促進(jìn)石英材料和制品的應(yīng)用范圍和使用量的增長。光纖：5G 推動(dòng)光纖用高純石英砂需求平穩(wěn)增長高純石英砂在光通訊領(lǐng)域主要用于制造光纖預(yù)制棒和輔材：光纖預(yù)制棒是具有特定折射率剖面、用 以制造光纖的石英玻璃棒，是光纖拉制工藝中的重要材料，由芯棒和外包層套管組合而成。芯棒決 定了光 纖的傳輸性能，而外包層決定了光纖的制造成本和質(zhì)量，兩個(gè)部件對(duì)于石

34、英材料純度的要求 均非常高。除了光纖預(yù)制棒外，石英還應(yīng)用在靶棒、尾棒、燒結(jié)管等輔材，也可以用于光纖預(yù)制棒 生產(chǎn)支撐材料、光纖拉絲用支撐材料等。5G 建設(shè)步入正軌有望推動(dòng)全球光纖光纜需求量平穩(wěn)增長：受政策支持及 5G 需求推動(dòng)，國產(chǎn)光纖迎 來快速增長。根據(jù) CRU 研究數(shù)據(jù)，2011-2018 年全球光纖光纜需求量保持平穩(wěn)增長，年均復(fù)合增速為 14.13%，其中 2018 年全球光纖光纜需求量為 5.12 億芯公里。光纖作為 5G 智能時(shí)代的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，隨著 未來 5-10 年的 5G 建網(wǎng)周期，光纖的需求量將會(huì)持續(xù)增長，尤其是 5G 從 NSA 到 SA 組網(wǎng)演變以后， 全球光纖需求將增長上量。

35、此外，隨著疫情逐步得到有效控制，全球經(jīng)濟(jì)恢復(fù)正常，運(yùn)營商的固網(wǎng)、 5G 建設(shè)將步入正軌，全球光纖需求有望迎來快速增長。根據(jù) CRU 的預(yù)測，2021 年全球光纖光纜需求 量將達(dá)到 6.17 億芯公里，同比增長 7%。到 2025 年，全球光纖電纜市場規(guī)模將達(dá)到 278.8 億美元，期 間年均復(fù)合增速將達(dá)到 11.7%。光源：光源市場整體需求保持穩(wěn)步發(fā)展光源市場整體需求保持穩(wěn)步發(fā)展：光源石英管是傳統(tǒng)光源的重要原材料，一般用于生產(chǎn)鹵素?zé)?、HID 燈、汽車燈等照明產(chǎn)品以及紅外加熱燈、紫外殺菌燈等特種光源，是上述電光源產(chǎn)品的基本泡殼材 料。根據(jù) QYR（恒州博智）的統(tǒng)計(jì)及預(yù)測， 2021 年全球光源市

36、場銷售額達(dá)到了 319.8 億美元，預(yù)計(jì) 2028 年將達(dá)到 439 億美元，年復(fù)合增長率（CAGR）為 4.2%（2022-2028）。特種光源市場需求快速增長：近年來，特種光源仍在深度發(fā)展，農(nóng)用植物生長燈、影院燈、激光燈、 半導(dǎo)體光清洗燈等高端光源石英材料市場需求仍保持一定的增速，尤其是在紫外領(lǐng)域特種光源更有 著 LED 無法比擬的優(yōu)勢。特種光源是采用特種石英材料作為主體材料的光源產(chǎn)品，這些特種石英材 料一般具有高透紫外光譜或紅外光譜等性能的石英主體材料。紅外加熱、紫外固化、紫外線消毒、 紫外活化處理、紫外氧化、高品質(zhì)分析等高端光源應(yīng)用快速提升，其中紅外光源廣泛應(yīng)用于熱加工 工藝，紫外固化

37、應(yīng)用于涂料、顏料涂層領(lǐng)域。隨著人們的個(gè)人衛(wèi)生及公共安全意識(shí)大幅度提高，促 使消毒殺菌的紫外光源行業(yè)獲得了空前的發(fā)展。紫外活化處理及紫外氧化應(yīng)用于污水處理及廢氣降 解領(lǐng)域，也可應(yīng)用于飲用水過濾領(lǐng)域，廣受環(huán)保行業(yè)青睞，高品質(zhì)分析及測量燈具越來越多的應(yīng)用 于分析及測量設(shè)備領(lǐng)域；因此，隨著我國工業(yè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、人們大健康意識(shí)日益提高以及高 尖端設(shè)備儀器的應(yīng)用推廣，促使未摻雜/摻雜濃度不一的天然石英玻璃管和合成熔融石英管的需求呈 現(xiàn)新高。3.高端供給有限，光伏用高純石英砂供需或偏緊全球高純石英原料儲(chǔ)量有限，高純石英砂產(chǎn)能平穩(wěn)提升全球共有 14 處高純石英原料礦床，美國斯普魯斯派恩(Spruce Pi

38、ne) 礦的高純石英原料資源規(guī)模最大： 目前，全球高純石英原料礦床分布于美國、挪威、澳大利亞、俄羅斯、印度、中國、加拿大等 7 個(gè) 國家。除中國外，共有 14 處礦床，其中，有生產(chǎn)礦山的 7 處，尚未開采生產(chǎn)的 7 處。美國斯普魯斯 派恩（Spruce Pine） 礦的高純石英原料主要為花崗偉晶巖（白崗巖），礦源質(zhì)量較高，資源規(guī)模最 大，超過 1000 萬噸；資源量最小的是挪威德拉格（Drag）礦，僅有 26.7 萬噸。全球高純石英原料存儲(chǔ)量有限，呈現(xiàn)下滑趨勢：隨著新興戰(zhàn)略行業(yè)的不斷發(fā)展，市場對(duì)高純石英的 需求量逐漸增多，高純石英原料存儲(chǔ)量呈現(xiàn)下滑的趨勢。根據(jù)智研咨詢數(shù)據(jù)，以 SiO2 含量

39、99.9% 為 口徑，2014 年以來，高純石英原料的存儲(chǔ)量從 9494 萬噸下降至 2019 年的 7287 萬噸。儲(chǔ)量結(jié)構(gòu)方面， 巴西是高純石英砂全球第一大資源量國，2019 年存儲(chǔ)量為 2111 萬噸，占比 28.97%，礦石類型主要為 天然水晶。但由于巴西政府強(qiáng)令禁止原礦出口，加上基礎(chǔ)設(shè)施的落后和礦石質(zhì)量變化大，出口量較 ?。幻绹堑诙筚Y源量國，2019 年資源量為 1822 萬噸，在全球占比 25.0%，礦石類型主要為花崗 偉晶巖，分布在北卡羅來納州 Spruce Pine 地區(qū)；加拿大位列全球第三，2019 年資源量為 1000 萬噸， 占比 13.72%，礦石類型主要為脈石英，

40、主要分布在魁北克省東南部約翰比茲灣的海岸帶。我國的脈 石英和水晶 2019 年資源量為 685 萬噸，其中水晶資源量僅為 0.69 萬噸。挪威、俄羅斯和印度的脈石 英資源，馬達(dá)加斯加的水晶資源在全球占一定比例。全球 3N（SiO299.9%）以上高純石英產(chǎn)能不斷提升：全球生產(chǎn)高純石英砂的國家主要有美國、中國、 挪威、加拿大、俄羅斯、巴西等國。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，全球及各國的高純是石英產(chǎn)能在不斷提 升。根據(jù)智研咨詢數(shù)據(jù)，全球純度在 3N 以上的高純石英砂的產(chǎn)能從 2012 年的 105.22 萬噸/年增長到 2019 年的 173.14 萬噸/年，其中美國高純石英砂的產(chǎn)能由 55.77 萬噸/年

41、增長到 95.23 萬噸/年，中國高純 石英砂的產(chǎn)能由 10 萬噸/年增長到 27 萬噸/年。適用于光伏、半導(dǎo)體純度等級(jí)的高純石英砂產(chǎn)能有限：目前，純度等級(jí)在 4N5（SiO2=99.995%）以上 的高端產(chǎn)品產(chǎn)能較少，這類高端產(chǎn)品主要用于制造石英坩堝、石英管、石英棒、石英舟和石英錠。 其中，石英坩堝內(nèi)涂層對(duì)高純石英砂純度要求更高，純度等級(jí)需要達(dá)到 4N8（SiO2=99.998%），而石 英坩堝外涂層、石英管、石英棒、石英舟和石英錠等產(chǎn)品達(dá)到 4N5 即可。根據(jù)我們的統(tǒng)計(jì)，目前 4N5 以上高純石英砂產(chǎn)能較少，總產(chǎn)能不超過 10 萬噸。海外企業(yè)主導(dǎo)供應(yīng)格局美國尤尼明（現(xiàn)矽比科）、挪威 TQC 等海外企業(yè)主導(dǎo)高純石英砂供應(yīng)：全球范圍內(nèi)高純石英砂的主 要生產(chǎn)廠商有美國矽比科，挪威 TQC 以及石英股份。美國矽比科與挪威 TQC 占有礦產(chǎn)資源優(yōu)勢，高 純石英原料儲(chǔ)量豐富、產(chǎn)品質(zhì)量高，長期主導(dǎo)全球高純石英砂供應(yīng)。