一种极微量铝掺杂高纯石英砂的制备方法

本发明涉及高纯石英砂制备，具体涉及一种极微量铝掺杂高纯石英砂的制备方法。

背景技术：

1、高纯石英砂是指sio2含量不低于99.99％、杂质元素含量极低的微米级石英颗粒材料。由于具有极好的化学稳定性、极低的体膨胀系数以及高绝缘耐压能力，高纯石英砂已成为硅产业中制造高端产品的物质基础。

2、目前，高纯石英砂主要是通过以下两种方式进行制备与生产：一是天然石英矿提纯法，二是高纯硅源溶胶-凝胶法。由于原料丰富，生产成本较低，天然石英矿提纯法在整体市场规模和生产能力上占据主导地位。然而，天然石英矿提纯法仍面临以下难点：(1)该方法在原材料方面受到一定的限制；(2)提纯后的天然砂由于其内部仍存在少量杂质，因此仅适用于能容忍微量杂质、不极致追求超高纯度的光伏和一般电子器件领域，并不适用于半导体或光纤之类对于纯度要求极高的器件领域；(3)天然石英砂的硬度较高，其粒径与形状较难控制。相比之下，高纯硅源溶胶-凝胶法，以高纯度的硅源作为前驱体，通过溶胶-凝胶工艺，经过水解-缩聚反应生成二氧化硅凝胶，再通过干燥及热处理获得高纯度石英砂，可实现对杂质含量的控制，从而能够实现超高纯度(如6n级)石英砂的合成与生产，且合成石英砂的硬度相对较低，其粒径与形状的统一更易于实现。然而，就目前技术而言，高纯硅源溶胶-凝胶法存在制备成本较高，合成过程复杂，以及大规模工业生产困难等实际问题，导致暂时仅能小批量生产以满足对纯度要求极高的高端市场需求。

3、为进一步提升石英材料在高温条件下的结构稳定性，可对高纯石英砂进行微量的铝元素掺杂。比如，公开号为cn109467306a的专利申请通过对高纯度石英砂进行后处理将铝元素掺入高纯度石英砂中。这种方法所掺入的铝元素只是简单附着于石英砂表面，会导致铝元素在石英砂中的分布不够均匀，会导致杂质的析晶。

4、又比如，公开号为cn116715243a的专利申请公开了一种铝掺杂石英砂的制备方法，包括以下步骤：分别对铝溶胶和硅源进行除杂处理，得到除杂处理后的铝溶胶和硅源；将除杂处理后的铝溶胶与水混合，然后加入除杂处理后的硅源、酸性催化剂后进行水解反应，得到掺铝硅溶胶；对所述掺铝硅溶胶进行第一升温处理，然后调节ph值至7.5～12，得到凝胶；其中，所述第一升温处理的温度大于所述水解反应的温度；对凝胶依次进行干燥处理、焙烧处理、第二升温处理后，得到铝掺杂石英砂。但铝元素在石英砂中的分布均匀性仍有待提升，且工艺流程较为复杂。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种极微量铝掺杂高纯石英砂的制备方法，在合成过程中进行极微量的铝元素掺杂，提高石英砂的耐高温性能。

2、一种极微量铝掺杂高纯石英砂的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、将硅源和溶剂混合均匀，得到前驱体溶液；

4、s2、将氧化铝和超纯水混合，离心，取上层清液，并通过滤膜对上层清液进行过滤，筛去未溶解的氧化铝颗粒，获得氧化铝溶液；

5、s3、检测所述氧化铝溶液中的铝元素的浓度；

6、s4、根据目标掺杂量对s3步骤中检测后的氧化铝溶液进行稀释；

7、s5、取步骤s4中稀释后的氧化铝溶液，加入到步骤s1获得的前驱体溶液中，混合搅拌，发生水解反应，形成溶胶；

8、s6、向所述溶胶中加入催化剂，获得凝胶；

9、s7、对凝胶进行老化，然后利用与步骤s1中同种溶剂将凝胶中的水替换掉，干燥，煅烧，研磨，获得所述极微量铝掺杂高纯石英砂，所述极微量铝掺杂高纯石英砂中铝元素的掺杂浓度为3-229ppm。

10、优选地，步骤s1中，所述硅源为正硅酸四甲酯或正硅酸四乙酯，所述溶剂为乙醇、甲醇或丙酮。

11、优选地，所述滤膜的孔径为10μm。

12、优选地，步骤s1中硅源和步骤s5中加入的稀释后的氧化铝溶液的体积比为1:1-4。进一步优选地，步骤s1中硅源和步骤s5中加入的稀释后的氧化铝溶液的体积比为1:4，在这个比例下，水解反应更均匀，最终生成的凝胶中的纳米粒子尺寸更小，凝胶骨架更为纤细，且干凝胶颗粒表面平整度更高。

13、优选地，步骤s5中水解反应的温度为25-50℃。优选地，步骤s5中水解反应的温度为25℃，此温度下，水解反应更均匀，最终生成的凝胶中的纳米粒子尺寸更小、更均一。

14、优选地，步骤s1中硅源和步骤s6中催化剂的体积比为1:0.1-0.5。进一步优选地，步骤s1中硅源和步骤s6中催化剂的体积比为1:0.1，这个比例下，凝胶骨架生成得较为柔软，因此干燥后骨架的收缩较大，致密度较高，且表面粗糙度较低。

15、优选地，步骤s6中催化剂为酸或碱。进一步优选地，步骤s6中催化剂为hf、hcl或浓氨水。

16、优选地，步骤s3中，利用电感耦合等离子体光谱仪(icp-oes)检测所述氧化铝溶液中的铝元素的浓度。

17、优选地，步骤s7中，干燥温度为25-100℃，煅烧温度为1100℃。

18、与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

19、(1)本发明通过离心工艺获取氧化铝溶液，利用氧化铝极微溶于水且在水中高分散的特性，以氧化铝水溶液同时作为极微量的铝元素掺杂源及水解反应池，使得硅源在水解反应时不断与水中的氧化铝结合，从而保证了含al官能团在溶液中的均匀分散性，避免了一些其余铝源在溶解过程中直接发生水解形成氧化铝胶粒或聚集体的可能。另外，也降低了在称量铝源材料阶段对于高精密仪器的需求，提高了取样精度与稳定性。

20、(2)利用电感耦合等离子体光谱仪，在掺入前对氧化铝溶液中的铝含量进行精确检测，以确保通过浓缩或稀释氧化铝溶液以及控制氧化铝溶液添加量可使得石英砂中的铝含量在所需范围，提升了样品中铝掺杂量的精度与可控性。

21、(3)步骤s7中通过对凝胶进行溶剂替换，统一凝胶内部的液体成分，可有效地提高凝胶在干燥阶段骨架结构的收缩均匀性，从而减少最终产出的石英砂内部的孔洞。此外，将凝胶内部的液体均替换成挥发性较强的有机溶剂，更有利于提升干燥的效率，减少整个合成工艺的耗时。

1.一种极微量铝掺杂高纯石英砂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的极微量铝掺杂高纯石英砂的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述硅源为正硅酸四甲酯或正硅酸四乙酯；和/或，所述溶剂为乙醇、甲醇或丙酮。

3.根据权利要求1所述的极微量铝掺杂高纯石英砂的制备方法，其特征在于，步骤s1中硅源和步骤s5中加入的稀释后的氧化铝溶液的体积比为1:1-4。

4.根据权利要求3所述的极微量铝掺杂高纯石英砂的制备方法，其特征在于，步骤s1中硅源和步骤s5中加入的稀释后的氧化铝溶液的体积比为1:4。

5.根据权利要求1所述的极微量铝掺杂高纯石英砂的制备方法，其特征在于，步骤s5中水解反应的温度为25-50℃。

6.根据权利要求1所述的极微量铝掺杂高纯石英砂的制备方法，其特征在于，步骤s1中硅源和步骤s6中催化剂的体积比为1:0.1-0.5。

7.根据权利要求6所述的极微量铝掺杂高纯石英砂的制备方法，其特征在于，步骤s1中硅源和步骤s6中催化剂的体积比为1:0.1。

8.根据权利要求1所述的极微量铝掺杂高纯石英砂的制备方法，其特征在于，步骤s6中催化剂为酸或碱。

9.根据权利要求8所述的极微量铝掺杂高纯石英砂的制备方法，其特征在于，步骤s2中，步骤s6中催化剂为hf、hcl或浓氨水。

10.根据权利要求1所述的极微量铝掺杂高纯石英砂的制备方法，其特征在于，步骤s7中，干燥温度为25-100℃，煅烧温度为1100℃。