二氧化硅的工业化生产

二氧化硅的工业化生产

1.1 二氧化硅的种类

二氧化硅也称硅质原料，不仅包括天然矿物，也包括各种合成产品，其产品可分为结晶态和无定形态两类。

二氧化硅天然矿物通常包括结晶态二氧化硅矿物石英砂、脉石英、粉石英和无定形硅矿物硅藻土。

合成产品主要是白炭黑（无定形二氧化硅），包括气相白炭黑（气相二氧化硅）、沉淀白炭黑（沉淀二氧化硅）。

石英是二氧化硅天然矿物的主要矿物组分，化学成分为SiO2，玻璃光泽，断口呈油脂光泽。贝壳状断口，莫氏硬度7，密度2.65～2.66 。颜色不一，无色透明的叫水晶，乳白色的叫乳石英。按其结晶习性分，三方晶系的为低温石英，又叫 -石英；六方晶系的为高温石英，又称 -石英。

石英砂是一个矿产品的专门名词，它泛指石英成分占绝对优势的各种砂，诸如海砂、河砂、湖砂等。地质学按成因将它们划分为冲积砂、洪积砂、残积砂等。石英砂的矿物含量变化很大，以石英为主，其次包含各类长石、岩屑、重矿石（石榴子石、电气石、辉石、角闪石、榍石、黄玉、绿帘石、钛铁矿等）以及云母、绿泥石、黏土矿物等。

石英砂岩，是一种固结的砂质岩石，常简称为砂岩，是自然界最常见、最普通的硅质矿物原料之一，其石英和硅质碎屑含量一般在

95%以上，副矿物多为长石、云母和黏土矿物，重矿物含量很少。常见的重矿物有电气石、金红石、磁铁矿等。

石英岩是由石英砂岩或其他硅质岩石经过变质作用而形成的变

质岩。脉石英是与花岗岩有关的岩浆热液矿脉，其矿物组成几乎全部为石英。

粉石英是一种颗粒极细、二氧化硅含量很高的天然石英矿。粉石英这一词过去叫法很多，它既包括天然的粉石英，同时也包括了由硅质矿物原料（石英岩、脉石英）加工而成的石英细粉。

硅砂是以石英为主要成分的砂矿飞总称。以天然颗粒状态从地表或地层中产出的硅砂，以及石英岩、石英砂岩风化后呈粒状产出的砂矿称为“天然硅砂”（或简称“硅砂”）。与此对应，将块状石英岩、石英砂岩粉碎成粒状则称“人造硅砂”。

1.2 二氧化硅的性质

1.2.1 性质

二氧化硅在自然界分布很广，如石英、石英砂等。白色或无色，含铁量较高的是淡黄色。密度2.65～2.66 。熔点1670℃（鳞石英）；1710℃（方石英）。沸点2230℃。不溶于水微溶于酸，微粒时能与熔融和碱类起作用。

二氧化硅的化学式SiO2，式量60.08，也叫硅石，是一种坚硬难溶的固体。它常以石英、鳞石英、方石英三种变体出现。从地面往下16千米几乎65％为二氧化硅的矿石。天然的二氧化硅分为晶态和无

定形两大类，晶态二氧化硅主要存在于石英矿中。纯石英为无色晶体，大而透明的棱柱状石英为水晶。二氧化硅是硅原子跟四个氧原子形成的四面体结构的原子晶体，整个晶体又可以看作是一个巨大分子，SiO2是最简式，并不表示单个分子。无定形二氧化硅为白色固体或粉末。

二氧化硅的化学性质很稳定，不溶于水也不跟水反应，是酸性氧化物，不跟一般酸反应。二氧化硅的性质不活泼，它不与除氟、氟化氢和氢氟酸以外的卤素、卤化氢和氢卤素以及硫酸、硝酸、高氯酸作用。

氟化氢(氢氟酸)是唯一可使二氧化硅溶解的酸，生成易溶于水的氟硅酸。反应式如下所示：

SiO2 ＋4HF = SiF4↑ ＋ 2H2O

二氧化硅与碱性氧化物

SiO2 ＋ CaO =（高温） CaSiO3

二氧化硅能溶于浓热的强碱溶液：

SiO2 ＋ 2NaOH = Na2SiO3 ＋ H2O

（盛碱的试剂瓶不能用玻璃塞而用橡胶塞）

在高温下，二氧化硅能被碳、镁、铝还原：

SiO2＋2C=Si＋2CO↑

1.2.2 二氧化硅结构

在大多数微电子工艺感兴趣的温度范围内，二氧化硅的结晶率低到可以被忽略。尽管熔融石英不是长范围有序，但她却表现出短的有序结构，它的结构可认为是4个氧原子位于三角形多面的脚上。多面体

中心是一个硅原子。这样，每4个氧原子近似共价键合到硅原子，满足了硅的化合价外壳。如果每个氧原子是两个多面体的一部分，则氧的化合价也被满足，结果就成了称为石英的规则的晶体结构。在熔融石英中，某些氧原子，成为氧桥位，与两个硅原子键合。某些氧原子没有氧桥，只和一个硅原子键合。可以认为热生长二氧化硅主要是由人以方向的多面体网络组成的。与无氧桥位相比，有氧桥的部分越大，氧化层的粘合力就越大，而且受损伤的倾向也越小。干氧氧化层的有氧桥与无氧桥的比率远大于湿氧氧化层。因此，可以认为，SiO2与其说是原子晶体，却更近似于离子晶体。氧原子与硅原子之间的价键向离子键过渡。

二氧化硅是制造玻璃、石英玻璃、水玻璃、光导纤维和耐火材料的原料。

当二氧化硅结晶完美时就是水晶；二氧化硅胶化脱水后就是玛瑙；二氧化硅含水的胶体凝固后就成为蛋白石；二氧化硅晶粒小于几微米时，就组成玉髓、燧石、次生石英岩。

物理性质和化学性质均十分稳定的矿产资源，晶体属三方晶系的氧化物矿物，即低温石英（α-石英），是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。广义的石英还包括高温石英（β-石英）。石英块又名硅石，主要是生产石英砂(又称硅砂)的原料，也是石英耐火材料和烧制硅铁的原料。

1.3 应用领域和用途

（1）玻璃

平板玻璃、浮法玻璃、玻璃制品（玻璃罐、玻璃瓶、玻璃管等）、光学玻璃、玻璃纤维、玻璃仪器、导电玻璃、玻璃布及防射线特种玻璃等的主要原料

（2）陶瓷及耐火材料

瓷器的胚料和釉料，窑炉用高硅砖、普通硅砖以及碳化硅等的原料（3）冶金

硅金属、硅铁合金和硅铝合金等的原料或添加剂、熔剂

（4）建筑

混凝土、胶凝材料、筑路材料、人造大理石、水泥物理性能检验材料（即水泥标准砂）等

（5）化工

硅化合物和水玻璃等的原料，硫酸塔的填充物，无定形二氧化硅微粉

（6）机械

铸造型砂的主要原料，研磨材料（喷砂、硬研磨纸、砂纸、砂布等）（7）电子

高纯度金属硅、通讯用光纤等

（8）橡胶、塑料填料（可提高耐磨性）

在PVC地板中，粉石英主要作为填料，细度在320目，填充量为16%～18%；在PVC耐酸板管中，粉石英填料细度为400目，填充量为