高纯石英原料作为战略性矿产的分析及建议

李光惠，王超峰，詹建华，陈正国，张 徐，郝文俊，胡 甦

(1.中国建筑材料工业地质勘查中心安徽总队，安徽 合肥 230031；2.中国建筑材料工业地质勘查中心，北京 100035)

当前，以云计算、大数据、智能制造和5G 为代表的新一代信息和通信科学技术(ICT)的发展，加快催生了新一轮科技革命和产业变革，发展战略性新兴产业是解决当今中国产业发展问题的关键[1]。高纯石英与战略性新兴产业中新一代信息技术、新材料产业等九大领域中的八大领域具有密切的关联性[2]，是战略性新兴产业中重要的支撑材料。但由于生产原料的特殊性和技术保密等原因，高纯石英及其原料的生产和出口高度集中在世界少数国家和企业中，其中高端的加工提纯技术和产品主要被美国等发达国家所掌握，我国的高端高纯石英主要依靠进口。

随着中国制造2025 的逐步推进以及战略性新兴产业的不断发展，我国对高纯石英的需求不断增加[3]。自2018 年以来，中美贸易摩擦不断升级，以美国为首的西方国家对我国的技术封锁不断加剧，我国获取境外资源的外部风险正在聚集。当前我国对高纯石英原料的勘查评价工作不多，至今尚未有高纯石英原料的资源储备，无法为生产企业提供质量稳定的高纯石英原料矿产。我国高纯石英的产能并不能满足市场的需求，供需矛盾将逐步凸显。基于这样的背景，本文从高纯石英应用、供应风险及战略性新兴产业中地位等方面进行了分析，最后给出了将其作为战略性矿产并加强勘查评价的建议，以供相关部门决策参考。

1 高纯石英及其原料的概念

高纯石英虽然有较长的研究历史，但当前对高纯石英的概念尚未形成统一的共识。国外学者主要根据石英中的有害元素含量对高纯石英进行分类。如Harben[4]认为高纯石英是有害元素含量在50μg/g以下的石英；Müller 等[5]在Harben 的分类基础上根据市场上现有高纯石英产品的品质对高纯石英的概念进行了完善，他们认为高纯石英中的9 种有害 元 素Na、K、Li、Al、Ca、Fe、Ti、B、P 的 含量总和应＜50μg/g，且每个有害元素应不超过最高的限值，如Al、Ti 的最高限值应＜30μg/g 和10μg/g 等。国内学者对高纯石英的分类则分为了两个阵营。一部分学者仅基于SiO2的纯度对高纯石英进行分类，如王泽杭[6]、申保磊[7]等；另一部分学者则基于SiO2的纯度和有害杂质元素含量的上限对高纯石英进行分类，如牛福生[8]、丁亚卓[9]、朱平华[10]、张佩聪[11]、钟乐乐[12]、汪灵等[13]。从分类来看，他们对有害元素的总含量形成了统一的共识，认为高纯石英有害元素的总量应＜50μg/g，但对区分普通石英与高纯石英的SiO2纯度的下限、有害元素的类别及含量上限的确定尚具有分歧。丁亚卓[9]、朱平华[10]、汪灵[13]、钟乐乐[12]等学者认为SiO2纯度的下限在99.90%～99.95%，而牛福生[8]、王泽杭[6]、申保磊[7]、张佩聪[11]等学者则认为SiO2纯度的下限应为99.99%，且指出SiO2≥99.99%是普通石英和高纯石英在纯度方面的技术经济分界点。本文认为高纯石英分类应基于当前的市场需求，首先需要考虑有害元素的含量，还需要考虑SiO2纯度。由于不同用途对高纯石英中有害元素的含量要求不一样，很难统一给定单一有害杂质元素的上限，但可以考虑综合当前市场上高品质石英制品领域对有害元素的要求给出有害元素总和的最高上限。

从前文分析不难发现，高纯石英是天然石英原料经过一定的加工提纯以后所获得的产品。而在《地质大辞典》[14]中矿产泛指一切埋藏在地下或分布于地表的可供人类利用的天然矿物资源，它包含了“天然”的内涵。本文中高纯石英原料是指在当前技术条件下能够加工出Al、Fe、Li、Ca、Mg、K、Na、Ti、Cu、Mn、Co、Ni、B 等13 种有 害 元素总含量＜50μg/g，SiO2含量≥99.99%(即≥4N)的天然石英原料，如水晶、脉石英等。

2 重要性分析

2.1 应用领域及其在国民经济中的地位

半导体、光通讯、光伏、光学、电光源等行业和领域是支撑战略性新兴产业发展的重要领域，是建设重大工程、改善民生、巩固国防军工的重要保障，在国民经济建设中占有重要的地位，高纯石英被广泛应用在这些行业和领域中[15]，是这些领域所需求的稀缺类共性高增值矿物资源[11]。在半导体晶圆制程工艺、刻蚀领域，太阳能电池片制程扩散、PE 工艺，电光源中的超高压投影灯、毛细管灯及影院灯等特种照明材料，航天航空领域等，均需要用到以高纯石英为原料生产的石英玻璃坩埚、锭材、管材、棒材、板材、各种器皿和器件以及石英玻璃纤维和织物等产品[16-17](表1)。

表1 高纯石英制品主要应用领域

根据世界半导体贸易统计(WSTS)数据[18]，2019 年中国半导体市场规模为1 547 亿美元，占全球半导体36.98%的市场份额。2015 ～2019 年全球半导体市场规模的平均增幅接近6%(表2)，按此推测，到2025 年中国半导体市场规模将近2 200 亿美元。若按照平均每1 亿美元的半导体销售额需要消耗价值50 万美元的高纯石英材料计算[3]，2019 年中国半导体用高纯石英材料的市场规模为7.7亿美元，至2025 年国内的市场空间近11 亿美元。另外，单晶硅是生产大规模集成电路和太阳能电池的主要原材料，而每生产一炉单晶硅就会消耗一只石英坩埚[17]，在太阳能电池和集成电路行业快速增长的带动下，高纯石英单晶硅石英坩埚的原料市场规模也不断扩大。除半导体所属的新一代信息技术产业外，新能源、新型电光源、新材料等战略性新兴产业在未来5 年的发展过程中也需要消耗大量的高纯石英。未来高纯石英及其原料的需求预计将以6%以上的增幅逐年上涨，其在国民经济中的地位也愈发重要。

表2 2015 ～2019 年全球半导体市场规模

2.2 其他材料替代性

由高纯石英生产的石英坩埚是光伏行业及半导体不可或缺的重要支撑材料，目前尚无法用其他材料替代。另外，高纯石英产品质量受高纯石英原料资源质量控制。我国尚没有发现规模大、质量稳定的高纯石英原料矿床，供给高纯石英生产企业的石英原料矿产资源质量参差不齐，导致所生产的高纯石英产品质量不稳定，生产出来的石英坩埚软化点低、使用寿命短。国产高纯石英及原料仍无法替代由美国矽比科公司生产的IOTA 系列高纯石英及原料。

3 供应风险分析

3.1 对外依存度

根据联合国商品贸易数据库[19]及中国海关总署数据[20]统计(表3)，2015 ～2019 年，我国进口高纯石英(≥4N)的平均单价为1.47 万美元/t。根据中国半导体用高纯石英材料的市场规模的保守测算，到2025 年中国半导体产业将需要消耗近8 万t 高纯石英(≥4N)。另外，有数据显示[3]，半导体在整个石英玻璃下游市场占65%左右的份额，据此推算，到2025 年国内整个石英玻璃市场将需要消耗近12万t 的高纯石英。

表3 2015 ～2019 年我国进口高纯石英(≥4N)

据公告披露[15]，国内高纯石英的龙头企业，唯一通过TELL 认证且具备生产高纯石英技术的江苏太平洋石英股份有限公司目前高纯石英的产能在6 万t/年左右，正在建设的2 万t/年的生产线需要到2021 年3 月才能投产，其生产的高纯石英仅能满足电光源和光伏行业要求。在高纯石英及其原料呈寡头式发展的形势下，即使该公司的两条高纯石英生产线全部达产，其2.6 万t/年高纯石英的产能距离石英玻璃市场需求的12 万t 高纯石英仍有较大的缺口。另外，石英坩埚对高纯石英的纯净度、规格精度、质量稳定性要求高，国内高纯石英原料所生产的产品并不能满足其要求，石英坩埚内涂层用的高纯石英(4N8)只能从美国等国家进口。总体来看，高纯石英对外依存度极高。

3.2 国外生产集中度

目前，全球范围内可以供应高纯石英的主要有美国矽比科公司[21]、挪威TQC 公司[22]、德国的ANZAPLAN 公司[23]、俄罗斯石英公司[24]以及中国江苏太平洋石英股份有限公司[15]等为数不多的几家公司。其中美国矽比科公司、挪威TQC 公司所用的高纯石英原料主要产于美国北卡罗来纳州SprucePine 地区，俄罗斯石英公司所用的高纯石英原料主要产于乌拉尔山脉的Kyshtym地区175号脉，中国江苏太平洋石英股份有限公司的高纯石英原料主要来源于江苏东海。美国为高纯石英的主要生产国和出口国，世界上4N8 及以上的高纯石英产品几乎被美国矽比科公司一家垄断。由此来看，我国生产的高纯石英及其原料所占比例极低，高纯石英及其原料主要集中在美国、挪威、德国及俄罗斯联邦等国家。

3.3 贸易通道安全性

据中国海关总署[20]2017 年1 月至2020 年6 月进口数据分析，当前我国主要从美国、韩国、日本、德国、挪威、俄罗斯联邦及中国台湾等国家和地区进口高纯石英，其中最主要的进口国家和地区为美国、德国、韩国和中国台湾。韩国和中国台湾本身并不生产高纯石英及原料，其资源大部分也需要从美国等国家进口。由此看来，我国的高纯石英及其原料的主要贸易国为美国、德国、挪威和俄罗斯联邦。

中美经贸摩擦以来，经济政治上的竞合关系直接影响着双方各领域的重大制度安排，贸易的安全性也变得越来越不可琢磨。自2018 年以来我国从美国进口高纯石英(≥4N)的进口数量逐年下降(表4)。2020 年上半年美国直接出口中国的高纯石英(≥4N)仅为5.62t。

表4 2018 ～2020 年6 月从美国进口的高纯石英(≥4N)

除美国外，我国高纯石英及其原料在俄罗斯联邦和挪威等国家的贸易通道安全也存在不确定性。俄罗斯总统普京最近签署总统令[25]，要求不再公开高纯石英原料等战略矿产的开采量和使用量，其必然会影响到高纯石英原料的出口政策，我国想要从俄罗斯联邦获取高纯石英及其原料资源也将更加困难。挪威TQC 公司所生产的高纯石英及其原料，其资源大部分来自于美国SprucePine 地区，以当前美国制裁华为和中芯国际的形势来看，未来我国想要从挪威进口高纯石英及其原料将面临风险。

综上所述，随着国际政治局势的不断变化，未来我国高纯石英及其原料的贸易通道将面临巨大的不安全性，获取境外的高纯石英资源将越来越困难。

3.4 国内资源潜力

通过对美国矽比科公司[21]、挪威TQC 公司[22]以及俄罗斯石英公司[23]的高纯石英原料矿床的地质条件进行对比分析发现，它们的成矿地质背景具有一些共性的特点：它们均产在造山带中，且大部分高纯石英原料矿床所处的地质环境为变质条件。比如，矽比科公司和TQC 公司的主要高纯石英原料矿床就产在阿乐汉尼(alleghanian)绿片岩中，俄罗斯石英公司的Kyshtym175 号脉也产在乌拉尔山脉的变质岩中。

从我国目前已开展的高纯石英原料地质调查工作来看，我国也有与此类似的成矿地质环境，秦岭—大别—苏鲁造山带是其中最具潜力的造山带，目前在该造山带内已发现了一些具有潜力的高纯石英原料发育地段。太平洋石英公司所用的石英原料资源就位于大别—苏鲁造山带中的江苏东海地区。据张佩聪等[8]学者的推测，在已勘查的水晶、脉石英等矿产资源中高纯石英原料资源一般占10%左右，而我国水晶查明资源量约为6 877t，玻璃用脉石英查明资源量约为9 204 万t[10]。以此推测，当前我国高纯石英资源潜力在920 万t 左右。由此看来，我国高纯石英原料矿具有较大的资源潜力。

自20 世纪90 年代至今，我国已有不少科研机构及生产企业在高纯石英加工提纯和检测技术等方面投入了大量的研究工作[11，13，26]，目前我国在这两个方面取得了一定的成果。但是，由于科研与生产应用之间脱节，基础研究与产业化之间缺少中间试验研究，这些技术成果大多仅停留在实验室阶段。除了加工提纯和检测技术外，我国对高纯石英原料的评价也存在同样的问题，所找到的石英资源因为缺少中间试验研究，到目前为止对什么类型的脉石英是高纯石英原料尚未取得统一认识，也未形成统一的评价方法，对已知的脉石英矿产资源中能作为高纯石英原料的部分尚无法进行系统评价。导致大量优质的脉石英资源多被用于制造附加值较低的产品，至今尚无高纯石英原料的矿产地。

综上所述，虽然我国高纯石英原料矿具有较大的资源潜力，但由于缺少相应的原料评价标准，对潜在的高纯石英原料资源尚无法开发利用。

4 高纯石英原料的战略意义

从前文分析可知，高纯石英及其原料的供应风险较高。一方面，其资源主要集中在国外生产，国内生产的比例较低，随着中国制造2025 的不断推进，高纯石英及其原料的供需矛盾也将愈发突出；另一方面，由于受政治局势的影响，其贸易通道具有较大的不安全性，未来高纯石英及其原料的供应将面临巨大的风险。从经济价值的角度来看，这一类资源对我国战略性新兴产业的发展具有重要的作用。虽然所占的比例不高，但如果这一类资源的供应受到限制，将直接影响到战略性新兴产业的高效有序发展。

早在2011 年，国务院办公厅发布《找矿突破战略行动纲要(2011 ～2020 年)》[27]就明确将高纯石英等作为战略性新兴产业所需的矿产。在2017 ～2019 年版《重点新材料首批次应用示范指导目录》[28]中也多次提到高纯石英及其原料。最近四部委联合出台的《关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见》(发改高技〔2020〕1409号)[29]中，也明确要求聚焦重点产业领域，加快重点材料、关键芯片、高端元器件等核心技术的攻关。高纯石英及其原料与这些领域息息相关，目前与高纯石英有关的部分核心技术尚未取得突破，有必要将高纯石英相关的核心技术上升到国家战略的角度进行攻关。

5 建议

对于高纯石英及其原料的核心技术突破，我国未来还有很多工作需要做。一方面，需要国家从政策的角度予以支持；另一方面，也需要集中各行业的技术力量进行集中的攻关。

(1)把高纯石英原料列入战略性矿产目录清单，从政策法规和国家战略层面进行高纯石英资源安全战略研究。同时，在高纯石英原料找矿勘查、加工提纯、产业发展等方面加强资源配置、资金投入等支持力度。

(2)以问题为导向，加强协同攻关。勘查单位、生产企业及相关大学、研究机构应相互协作、资源共享，形成产学研一体化专业人才团队，实现关键技术突破。

(3)目前尚没有针对高纯石英原料矿产的评价方法体系(规范)，不能满足当前高纯石英原料评价的需要，建议尽快建立高纯石英原料评价方法体系，对现有脉石英矿地质资料进行有针对性的梳理再评价。

(4)公益性基础性地质调查也应加强脉石英区域地质调查，优选出找矿靶区，加大勘查投入力度，实现高纯石英原料的找矿突破。