一种耐高温的合成石英砂制备方法

本发明属于高纯石英砂制备，具体涉及一种耐高温的合成石英砂制备方法。

背景技术：

1、高纯石英是指sio2含量不低于99.999％，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，高纯石英已成为硅产业中制造高端产品的物料基础。其中，作为直拉法生产单晶硅锭的石英坩埚原材料，高纯石英的性能将直接决定单晶硅的质量和生长成功率。

2、目前，高纯石英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，二是高纯硅源合成法。天然石英矿提纯法由于部分杂质元素可能以晶格替代的形式存在，难以通过常规物理化学方法去除，因此所生产出的石英纯度有限(一般低于5n)，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。相比之下，高纯硅源合成法，以高纯度的硅源试剂作为前驱体材料，目前其最高纯度可达7n级别。

3、为进一步提升高纯石英的应用价值，可对高纯石英进行微量的金属掺杂以提升高纯石英的光学特性、机械强度和热稳定性等，发展新一代的高纯石英材料。例如，通过掺杂某些金属元素，增加石英在高温条件下的晶相稳定性，从而抑制其结构畸变，稳定其热膨胀系数及高温粘度，以提高石英在光纤、光电子器件中的应用效果。为了实现这些优势，需要解决掺杂元素在材料中的均匀分布、精确的掺杂浓度控制，以及选择合适的掺杂元素等技术挑战。

4、比如，公开号为kr20010068983a的专利申请公开了一种掺杂石英玻璃的挤出制备方法，包括：通过将气相二氧化硅与去离子水混合以形成一次溶胶；将硅烷醇盐和金属醇盐进行水解，形成水解物；将硅烷醇盐和金属醇盐的水解物混合到一次溶胶中形成二次溶胶；将二次溶胶填充到挤出机中；通过向挤出机的加热区域供热，使二次溶胶凝胶化，通过压力将挤出机内的凝胶挤出到挤出机外。

5、又比如，公开号为cn118439622a的专利申请公开了一种石英砂掺杂方法，包括以下步骤：s1、制备所需的高纯硅源溶液；s2、配制所需掺杂元素的可溶性化合物的水溶液；s3、将上述水溶液按掺杂需求滴加至硅源溶液中并充分混合均匀，再对混合溶液进行凝胶化处理，得到硅凝胶；s4、对上述硅凝胶进行干燥焙烧处理，即可得到目标产物。

6、但上述两件专利申请在石英的极微量金属掺杂、金属元素在石英砂中的均匀稳定分布方面仍有待提升，难以应用于高纯石英砂的性能提升中。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种耐高温的合成石英砂制备方法，以硅源与有机金属盐先共水解再共凝胶的方式，实现金属元素在石英砂中的微量均匀掺杂。

2、一种耐高温的合成石英砂制备方法，包括以下步骤：

3、s1、将有机硅源试剂和所需掺杂量的金属醇盐在溶剂中混合均匀，形成前驱体溶液；

4、s2、向所述前驱体溶液中加入超纯水，进行水解反应，形成溶胶；

5、s3、向所述溶胶中加入交联剂，促使所述溶胶发生凝胶化，获得凝胶；

6、s4、对凝胶进行老化，然后使用步骤s1中所述溶剂或超纯水对凝胶进行溶剂替换、干燥、煅烧，即可获得所述耐高温的合成石英砂，所述耐高温的合成石英砂中金属含量为4.5-478.6ppm。

7、优选的，所述耐高温的合成石英砂中金属含量为4.5-100ppm。

8、优选地，步骤s1中所述有机硅源试剂为正硅酸四甲酯或正硅酸四乙酯，所述金属醇盐为钛酸四丁酯、正丁醇锆或仲丁醇铝，所述溶剂为乙醇。

9、优选地，步骤s1中，先将金属醇盐与溶剂混合，得到金属醇盐母液，再量取所需掺杂量的金属醇盐母液，与所述有机硅源试剂以及剩余量的溶剂混合。这样操作可以使金属原子能充分分散在硅原子中，并且可以减少直接量取所需掺杂量的金属醇盐带来的操作误差。

10、优选地，步骤s1中有机硅源试剂和步骤s2中加入的超纯水的体积比为1:2-4。

11、优选地，步骤s3中，所述交联剂为环氧丙烷。氧化硅胶粒与金属氧化物胶粒之间的凝胶机理不同，为使得氧化硅胶粒与金属氧化物胶粒间发生凝聚，采用环氧丙烷作为交联剂进行开环-缩聚反应，促进金属氧化物均匀分散地交联于氧化硅骨架上。

12、优选地，步骤s1中有机硅源试剂和步骤s3中加入的交联剂的体积比为2-10:1。

13、优选地，步骤s1中有机硅源试剂和步骤s3中加入的交联剂的体积比为5:1。

14、优选地，步骤s4中，干燥的初期阶段进行常压常温干燥，干燥的后期进行加热干燥。初期进行常压常温干燥可以通过降低干燥的速率使得凝胶缓慢均匀地收缩以保护其微结构骨架的完整性，另外还可避免由于干燥速率较快导致的凝胶外层孔结构收缩过快导致的内部气孔难以排出，从而提升石英颗粒的致密度。

15、进一步优选地，所述常压常温干燥的时间为3天以上；所述加热干燥的温度为100℃，加热时间为6-12h。

16、优选地，步骤s4中，煅烧的温度为800℃，煅烧的时间为10h。

17、与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

18、(1)本发明利用金属醇盐与有机硅源的共水解反应，生成金属掺杂的氧化硅胶粒(金属氧化物和氧化硅的复合胶粒)及纯氧化硅胶粒，由于在水解前金属醇盐已被分散在有机硅源中，因此共水解可使得金属掺杂的氧化硅胶粒得以均匀分散在纯氧化硅胶粒中，有效提高了金属元素在氧化硅基质中的分布均匀性。

19、(2)一般溶胶-凝胶法采用酸催化剂催化水解反应形成溶胶，本发明水解反应不加酸催化剂，降低了硅源的水解反应速率，使得金属醇盐与硅源缓慢充分地一起水解，进一步提高了金属元素在氧化硅基质中的分布均匀性，并且由于不适用酸催化剂而更加环保。

20、(3)本发明步骤s4中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时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。

21、(4)本发明可以合成出含有极微量金属掺杂的高纯石英颗粒，可满足现今半导体高性能应用领域对功能化石英材料的需求。

22、(5)实验结果表明，利用本发明工艺制备的金属掺杂合成石英砂在1300℃高温下煅烧1h后，其晶相稳定性显著优于未掺杂石英，主要表现为相变程度明显降低或基本不发生相变。

1.一种耐高温的合成石英砂制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的耐高温的合成石英砂制备方法，其特征在于，所述耐高温的合成石英砂中金属含量为4.5-100ppm。

3.根据权利要求1所述的耐高温的合成石英砂制备方法，其特征在于，步骤s1中所述有机硅源试剂为正硅酸四甲酯或正硅酸四乙酯，所述金属醇盐为钛酸四丁酯、正丁醇锆或仲丁醇铝。

4.根据权利要求1所述的耐高温的合成石英砂制备方法，其特征在于，步骤s1中所述溶剂为乙醇。

5.根据权利要求1所述的耐高温的合成石英砂制备方法，其特征在于，步骤s1中，先将金属醇盐与溶剂混合，得到金属醇盐母液，再量取所需掺杂量的金属醇盐母液，与所述有机硅源试剂以及剩余量的溶剂混合。

6.根据权利要求1所述的耐高温的合成石英砂制备方法，其特征在于，步骤s1中有机硅源试剂和步骤s2中加入的超纯水的体积比为1:2-4。

7.根据权利要求1所述的耐高温的合成石英砂制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述交联剂为环氧丙烷。

8.根据权利要求1所述的耐高温的合成石英砂制备方法，其特征在于，步骤s1中有机硅源试剂和步骤s3中加入的交联剂的体积比为2-10:1。

9.根据权利要求1所述的耐高温的合成石英砂制备方法，其特征在于，步骤s4中，干燥的初期阶段进行常压常温干燥，干燥的后期进行加热干燥。

10.根据权利要求1所述的极微量金属掺杂的高纯石英砂制备方法，其特征在于，步骤s4中，煅烧的温度为800℃，煅烧的时间为10h。