李光惠，王超峰，詹建華，陳正國，張 徐，郝文俊，胡 甦

(1.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心安徽總隊(duì)，安徽 合肥 230031；2.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心，北京 100035)

當(dāng)前，以云計算、大數(shù)據(jù)、智能制造和5G 為代表的新一代信息和通信科學(xué)技術(shù)(ICT)的發(fā)展，加快催生了新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)是解決當(dāng)今中國產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題的關(guān)鍵[1]。高純石英與戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中新一代信息技術(shù)、新材料產(chǎn)業(yè)等九大領(lǐng)域中的八大領(lǐng)域具有密切的關(guān)聯(lián)性[2]，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中重要的支撐材料。但由于生產(chǎn)原料的特殊性和技術(shù)保密等原因，高純石英及其原料的生產(chǎn)和出口高度集中在世界少數(shù)國家和企業(yè)中，其中高端的加工提純技術(shù)和產(chǎn)品主要被美國等發(fā)達(dá)國家所掌握，我國的高端高純石英主要依靠進(jìn)口。

隨著中國制造2025 的逐步推進(jìn)以及戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，我國對高純石英的需求不斷增加[3]。自2018 年以來，中美貿(mào)易摩擦不斷升級，以美國為首的西方國家對我國的技術(shù)封鎖不斷加劇，我國獲取境外資源的外部風(fēng)險正在聚集。當(dāng)前我國對高純石英原料的勘查評價工作不多，至今尚未有高純石英原料的資源儲備，無法為生產(chǎn)企業(yè)提供質(zhì)量穩(wěn)定的高純石英原料礦產(chǎn)。我國高純石英的產(chǎn)能并不能滿足市場的需求，供需矛盾將逐步凸顯。基于這樣的背景，本文從高純石英應(yīng)用、供應(yīng)風(fēng)險及戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中地位等方面進(jìn)行了分析，最后給出了將其作為戰(zhàn)略性礦產(chǎn)并加強(qiáng)勘查評價的建議，以供相關(guān)部門決策參考。

1 高純石英及其原料的概念

高純石英雖然有較長的研究歷史，但當(dāng)前對高純石英的概念尚未形成統(tǒng)一的共識。國外學(xué)者主要根據(jù)石英中的有害元素含量對高純石英進(jìn)行分類。如Harben[4]認(rèn)為高純石英是有害元素含量在50μg/g以下的石英；Müller 等[5]在Harben 的分類基礎(chǔ)上根據(jù)市場上現(xiàn)有高純石英產(chǎn)品的品質(zhì)對高純石英的概念進(jìn)行了完善，他們認(rèn)為高純石英中的9 種有害 元 素Na、K、Li、Al、Ca、Fe、Ti、B、P 的 含量總和應(yīng)＜50μg/g，且每個有害元素應(yīng)不超過最高的限值，如Al、Ti 的最高限值應(yīng)＜30μg/g 和10μg/g 等。國內(nèi)學(xué)者對高純石英的分類則分為了兩個陣營。一部分學(xué)者僅基于SiO2的純度對高純石英進(jìn)行分類，如王澤杭[6]、申保磊[7]等；另一部分學(xué)者則基于SiO2的純度和有害雜質(zhì)元素含量的上限對高純石英進(jìn)行分類，如牛福生[8]、丁亞卓[9]、朱平華[10]、張佩聰[11]、鐘樂樂[12]、汪靈等[13]。從分類來看，他們對有害元素的總含量形成了統(tǒng)一的共識，認(rèn)為高純石英有害元素的總量應(yīng)＜50μg/g，但對區(qū)分普通石英與高純石英的SiO2純度的下限、有害元素的類別及含量上限的確定尚具有分歧。丁亞卓[9]、朱平華[10]、汪靈[13]、鐘樂樂[12]等學(xué)者認(rèn)為SiO2純度的下限在99.90%～99.95%，而牛福生[8]、王澤杭[6]、申保磊[7]、張佩聰[11]等學(xué)者則認(rèn)為SiO2純度的下限應(yīng)為99.99%，且指出SiO2≥99.99%是普通石英和高純石英在純度方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分界點(diǎn)。本文認(rèn)為高純石英分類應(yīng)基于當(dāng)前的市場需求，首先需要考慮有害元素的含量，還需要考慮SiO2純度。由于不同用途對高純石英中有害元素的含量要求不一樣，很難統(tǒng)一給定單一有害雜質(zhì)元素的上限，但可以考慮綜合當(dāng)前市場上高品質(zhì)石英制品領(lǐng)域?qū)τ泻υ氐囊蠼o出有害元素總和的最高上限。

從前文分析不難發(fā)現(xiàn)，高純石英是天然石英原料經(jīng)過一定的加工提純以后所獲得的產(chǎn)品。而在《地質(zhì)大辭典》[14]中礦產(chǎn)泛指一切埋藏在地下或分布于地表的可供人類利用的天然礦物資源，它包含了“天然”的內(nèi)涵。本文中高純石英原料是指在當(dāng)前技術(shù)條件下能夠加工出Al、Fe、Li、Ca、Mg、K、Na、Ti、Cu、Mn、Co、Ni、B 等13 種有 害 元素總含量＜50μg/g，SiO2含量≥99.99%(即≥4N)的天然石英原料，如水晶、脈石英等。

2 重要性分析

2.1 應(yīng)用領(lǐng)域及其在國民經(jīng)濟(jì)中的地位

半導(dǎo)體、光通訊、光伏、光學(xué)、電光源等行業(yè)和領(lǐng)域是支撐戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要領(lǐng)域，是建設(shè)重大工程、改善民生、鞏固國防軍工的重要保障，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有重要的地位，高純石英被廣泛應(yīng)用在這些行業(yè)和領(lǐng)域中[15]，是這些領(lǐng)域所需求的稀缺類共性高增值礦物資源[11]。在半導(dǎo)體晶圓制程工藝、刻蝕領(lǐng)域，太陽能電池片制程擴(kuò)散、PE 工藝，電光源中的超高壓投影燈、毛細(xì)管燈及影院燈等特種照明材料，航天航空領(lǐng)域等，均需要用到以高純石英為原料生產(chǎn)的石英玻璃坩堝、錠材、管材、棒材、板材、各種器皿和器件以及石英玻璃纖維和織物等產(chǎn)品[16-17](表1)。

表1 高純石英制品主要應(yīng)用領(lǐng)域

根據(jù)世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(WSTS)數(shù)據(jù)[18]，2019 年中國半導(dǎo)體市場規(guī)模為1 547 億美元，占全球半導(dǎo)體36.98%的市場份額。2015 ～2019 年全球半導(dǎo)體市場規(guī)模的平均增幅接近6%(表2)，按此推測，到2025 年中國半導(dǎo)體市場規(guī)模將近2 200 億美元。若按照平均每1 億美元的半導(dǎo)體銷售額需要消耗價值50 萬美元的高純石英材料計算[3]，2019 年中國半導(dǎo)體用高純石英材料的市場規(guī)模為7.7億美元，至2025 年國內(nèi)的市場空間近11 億美元。另外，單晶硅是生產(chǎn)大規(guī)模集成電路和太陽能電池的主要原材料，而每生產(chǎn)一爐單晶硅就會消耗一只石英坩堝[17]，在太陽能電池和集成電路行業(yè)快速增長的帶動下，高純石英單晶硅石英坩堝的原料市場規(guī)模也不斷擴(kuò)大。除半導(dǎo)體所屬的新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)外，新能源、新型電光源、新材料等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)在未來5 年的發(fā)展過程中也需要消耗大量的高純石英。未來高純石英及其原料的需求預(yù)計將以6%以上的增幅逐年上漲，其在國民經(jīng)濟(jì)中的地位也愈發(fā)重要。

表2 2015 ～2019 年全球半導(dǎo)體市場規(guī)模

2.2 其他材料替代性

由高純石英生產(chǎn)的石英坩堝是光伏行業(yè)及半導(dǎo)體不可或缺的重要支撐材料，目前尚無法用其他材料替代。另外，高純石英產(chǎn)品質(zhì)量受高純石英原料資源質(zhì)量控制。我國尚沒有發(fā)現(xiàn)規(guī)模大、質(zhì)量穩(wěn)定的高純石英原料礦床，供給高純石英生產(chǎn)企業(yè)的石英原料礦產(chǎn)資源質(zhì)量參差不齊，導(dǎo)致所生產(chǎn)的高純石英產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)出來的石英坩堝軟化點(diǎn)低、使用壽命短。國產(chǎn)高純石英及原料仍無法替代由美國矽比科公司生產(chǎn)的IOTA 系列高純石英及原料。

3 供應(yīng)風(fēng)險分析

3.1 對外依存度

根據(jù)聯(lián)合國商品貿(mào)易數(shù)據(jù)庫[19]及中國海關(guān)總署數(shù)據(jù)[20]統(tǒng)計(表3)，2015 ～2019 年，我國進(jìn)口高純石英(≥4N)的平均單價為1.47 萬美元/t。根據(jù)中國半導(dǎo)體用高純石英材料的市場規(guī)模的保守測算，到2025 年中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將需要消耗近8 萬t 高純石英(≥4N)。另外，有數(shù)據(jù)顯示[3]，半導(dǎo)體在整個石英玻璃下游市場占65%左右的份額，據(jù)此推算，到2025 年國內(nèi)整個石英玻璃市場將需要消耗近12萬t 的高純石英。

表3 2015 ～2019 年我國進(jìn)口高純石英(≥4N)

據(jù)公告披露[15]，國內(nèi)高純石英的龍頭企業(yè)，唯一通過TELL 認(rèn)證且具備生產(chǎn)高純石英技術(shù)的江蘇太平洋石英股份有限公司目前高純石英的產(chǎn)能在6 萬t/年左右，正在建設(shè)的2 萬t/年的生產(chǎn)線需要到2021 年3 月才能投產(chǎn)，其生產(chǎn)的高純石英僅能滿足電光源和光伏行業(yè)要求。在高純石英及其原料呈寡頭式發(fā)展的形勢下，即使該公司的兩條高純石英生產(chǎn)線全部達(dá)產(chǎn)，其2.6 萬t/年高純石英的產(chǎn)能距離石英玻璃市場需求的12 萬t 高純石英仍有較大的缺口。另外，石英坩堝對高純石英的純凈度、規(guī)格精度、質(zhì)量穩(wěn)定性要求高，國內(nèi)高純石英原料所生產(chǎn)的產(chǎn)品并不能滿足其要求，石英坩堝內(nèi)涂層用的高純石英(4N8)只能從美國等國家進(jìn)口。總體來看，高純石英對外依存度極高。

3.2 國外生產(chǎn)集中度

目前，全球范圍內(nèi)可以供應(yīng)高純石英的主要有美國矽比科公司[21]、挪威TQC 公司[22]、德國的ANZAPLAN 公司[23]、俄羅斯石英公司[24]以及中國江蘇太平洋石英股份有限公司[15]等為數(shù)不多的幾家公司。其中美國矽比科公司、挪威TQC 公司所用的高純石英原料主要產(chǎn)于美國北卡羅來納州SprucePine 地區(qū)，俄羅斯石英公司所用的高純石英原料主要產(chǎn)于烏拉爾山脈的Kyshtym地區(qū)175號脈，中國江蘇太平洋石英股份有限公司的高純石英原料主要來源于江蘇東海。美國為高純石英的主要生產(chǎn)國和出口國，世界上4N8 及以上的高純石英產(chǎn)品幾乎被美國矽比科公司一家壟斷。由此來看，我國生產(chǎn)的高純石英及其原料所占比例極低，高純石英及其原料主要集中在美國、挪威、德國及俄羅斯聯(lián)邦等國家。

3.3 貿(mào)易通道安全性

據(jù)中國海關(guān)總署[20]2017 年1 月至2020 年6 月進(jìn)口數(shù)據(jù)分析，當(dāng)前我國主要從美國、韓國、日本、德國、挪威、俄羅斯聯(lián)邦及中國臺灣等國家和地區(qū)進(jìn)口高純石英，其中最主要的進(jìn)口國家和地區(qū)為美國、德國、韓國和中國臺灣。韓國和中國臺灣本身并不生產(chǎn)高純石英及原料，其資源大部分也需要從美國等國家進(jìn)口。由此看來，我國的高純石英及其原料的主要貿(mào)易國為美國、德國、挪威和俄羅斯聯(lián)邦。

中美經(jīng)貿(mào)摩擦以來，經(jīng)濟(jì)政治上的競合關(guān)系直接影響著雙方各領(lǐng)域的重大制度安排，貿(mào)易的安全性也變得越來越不可琢磨。自2018 年以來我國從美國進(jìn)口高純石英(≥4N)的進(jìn)口數(shù)量逐年下降(表4)。2020 年上半年美國直接出口中國的高純石英(≥4N)僅為5.62t。

表4 2018 ～2020 年6 月從美國進(jìn)口的高純石英(≥4N)

除美國外，我國高純石英及其原料在俄羅斯聯(lián)邦和挪威等國家的貿(mào)易通道安全也存在不確定性。俄羅斯總統(tǒng)普京最近簽署總統(tǒng)令[25]，要求不再公開高純石英原料等戰(zhàn)略礦產(chǎn)的開采量和使用量，其必然會影響到高純石英原料的出口政策，我國想要從俄羅斯聯(lián)邦獲取高純石英及其原料資源也將更加困難。挪威TQC 公司所生產(chǎn)的高純石英及其原料，其資源大部分來自于美國SprucePine 地區(qū)，以當(dāng)前美國制裁華為和中芯國際的形勢來看，未來我國想要從挪威進(jìn)口高純石英及其原料將面臨風(fēng)險。

綜上所述，隨著國際政治局勢的不斷變化，未來我國高純石英及其原料的貿(mào)易通道將面臨巨大的不安全性，獲取境外的高純石英資源將越來越困難。

3.4 國內(nèi)資源潛力

通過對美國矽比科公司[21]、挪威TQC 公司[22]以及俄羅斯石英公司[23]的高純石英原料礦床的地質(zhì)條件進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，它們的成礦地質(zhì)背景具有一些共性的特點(diǎn)：它們均產(chǎn)在造山帶中，且大部分高純石英原料礦床所處的地質(zhì)環(huán)境為變質(zhì)條件。比如，矽比科公司和TQC 公司的主要高純石英原料礦床就產(chǎn)在阿樂漢尼(alleghanian)綠片巖中，俄羅斯石英公司的Kyshtym175 號脈也產(chǎn)在烏拉爾山脈的變質(zhì)巖中。

從我國目前已開展的高純石英原料地質(zhì)調(diào)查工作來看，我國也有與此類似的成礦地質(zhì)環(huán)境，秦嶺—大別—蘇魯造山帶是其中最具潛力的造山帶，目前在該造山帶內(nèi)已發(fā)現(xiàn)了一些具有潛力的高純石英原料發(fā)育地段。太平洋石英公司所用的石英原料資源就位于大別—蘇魯造山帶中的江蘇東海地區(qū)。據(jù)張佩聰?shù)萚8]學(xué)者的推測，在已勘查的水晶、脈石英等礦產(chǎn)資源中高純石英原料資源一般占10%左右，而我國水晶查明資源量約為6 877t，玻璃用脈石英查明資源量約為9 204 萬t[10]。以此推測，當(dāng)前我國高純石英資源潛力在920 萬t 左右。由此看來，我國高純石英原料礦具有較大的資源潛力。

自20 世紀(jì)90 年代至今，我國已有不少科研機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)企業(yè)在高純石英加工提純和檢測技術(shù)等方面投入了大量的研究工作[11，13，26]，目前我國在這兩個方面取得了一定的成果。但是，由于科研與生產(chǎn)應(yīng)用之間脫節(jié)，基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化之間缺少中間試驗(yàn)研究，這些技術(shù)成果大多僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段。除了加工提純和檢測技術(shù)外，我國對高純石英原料的評價也存在同樣的問題，所找到的石英資源因?yàn)槿鄙僦虚g試驗(yàn)研究，到目前為止對什么類型的脈石英是高純石英原料尚未取得統(tǒng)一認(rèn)識，也未形成統(tǒng)一的評價方法，對已知的脈石英礦產(chǎn)資源中能作為高純石英原料的部分尚無法進(jìn)行系統(tǒng)評價。導(dǎo)致大量優(yōu)質(zhì)的脈石英資源多被用于制造附加值較低的產(chǎn)品，至今尚無高純石英原料的礦產(chǎn)地。

綜上所述，雖然我國高純石英原料礦具有較大的資源潛力，但由于缺少相應(yīng)的原料評價標(biāo)準(zhǔn)，對潛在的高純石英原料資源尚無法開發(fā)利用。

4 高純石英原料的戰(zhàn)略意義

從前文分析可知，高純石英及其原料的供應(yīng)風(fēng)險較高。一方面，其資源主要集中在國外生產(chǎn)，國內(nèi)生產(chǎn)的比例較低，隨著中國制造2025 的不斷推進(jìn)，高純石英及其原料的供需矛盾也將愈發(fā)突出；另一方面，由于受政治局勢的影響，其貿(mào)易通道具有較大的不安全性，未來高純石英及其原料的供應(yīng)將面臨巨大的風(fēng)險。從經(jīng)濟(jì)價值的角度來看，這一類資源對我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的作用。雖然所占的比例不高，但如果這一類資源的供應(yīng)受到限制，將直接影響到戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的高效有序發(fā)展。

早在2011 年，國務(wù)院辦公廳發(fā)布《找礦突破戰(zhàn)略行動綱要(2011 ～2020 年)》[27]就明確將高純石英等作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)所需的礦產(chǎn)。在2017 ～2019 年版《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄》[28]中也多次提到高純石英及其原料。最近四部委聯(lián)合出臺的《關(guān)于擴(kuò)大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)投資培育壯大新增長點(diǎn)增長極的指導(dǎo)意見》(發(fā)改高技〔2020〕1409號)[29]中，也明確要求聚焦重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，加快重點(diǎn)材料、關(guān)鍵芯片、高端元器件等核心技術(shù)的攻關(guān)。高純石英及其原料與這些領(lǐng)域息息相關(guān)，目前與高純石英有關(guān)的部分核心技術(shù)尚未取得突破，有必要將高純石英相關(guān)的核心技術(shù)上升到國家戰(zhàn)略的角度進(jìn)行攻關(guān)。

5 建議

對于高純石英及其原料的核心技術(shù)突破，我國未來還有很多工作需要做。一方面，需要國家從政策的角度予以支持；另一方面，也需要集中各行業(yè)的技術(shù)力量進(jìn)行集中的攻關(guān)。

(1)把高純石英原料列入戰(zhàn)略性礦產(chǎn)目錄清單，從政策法規(guī)和國家戰(zhàn)略層面進(jìn)行高純石英資源安全戰(zhàn)略研究。同時，在高純石英原料找礦勘查、加工提純、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面加強(qiáng)資源配置、資金投入等支持力度。

(2)以問題為導(dǎo)向，加強(qiáng)協(xié)同攻關(guān)?？辈閱挝?、生產(chǎn)企業(yè)及相關(guān)大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)應(yīng)相互協(xié)作、資源共享，形成產(chǎn)學(xué)研一體化專業(yè)人才團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破。

(3)目前尚沒有針對高純石英原料礦產(chǎn)的評價方法體系(規(guī)范)，不能滿足當(dāng)前高純石英原料評價的需要，建議盡快建立高純石英原料評價方法體系，對現(xiàn)有脈石英礦地質(zhì)資料進(jìn)行有針對性的梳理再評價。

(4)公益性基礎(chǔ)性地質(zhì)調(diào)查也應(yīng)加強(qiáng)脈石英區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，優(yōu)選出找礦靶區(qū)，加大勘查投入力度，實(shí)現(xiàn)高純石英原料的找礦突破。