中國粉體網(wǎng)訊  石英玻璃以天然結晶石英（水晶或高純硅石）或硅化合物為原料，在潔凈環(huán)境中經(jīng)高溫熔制而成，具有一系列優(yōu)良的物理化學性能，如良好的透光性、耐高溫性、低膨脹系數(shù)、電真空性能、耐腐蝕等，被業(yè)內(nèi)譽為“玻璃王”。石英玻璃是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)、光學、光伏、半導體等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和航空航天等國防領域發(fā)展中不可或缺的重要基礎性材料。

石英玻璃的優(yōu)良性能

來源：菲利華招股說明書、中國電子信息產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計年鑒、民生證券研究院

石英玻璃的生產(chǎn)工藝

高純石英玻璃制備方法分類

石英玻璃的制備方法可以分為兩大類。第一類是以天然石英晶體或硅石為原料進行熔制得到，稱為天然石英玻璃。根據(jù)熱源和工藝的不同可以將其細分為電熔法、氣煉法、等離子體熔制法等。其中，電熔法出品率高且經(jīng)濟，是國內(nèi)最為普遍的工藝方法，電熔法的成品率除了取決于工藝，更大程度上跟原材料有關。氫氧焰制備的石英玻璃雖然能減少雜質(zhì)含量，但是成品的羥基含量過高。等離子體沉積法能同時解決雜質(zhì)和羥基含量，但是成本高，所以實現(xiàn)大量產(chǎn)業(yè)化較為困難。

石英玻璃的生產(chǎn)工藝對比

張玉等.石英玻璃的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

第二類是以含硅化合物（包括鹵化硅、氧化硅以及有機硅等）為原料通過化學反應合成得到，稱為合成石英玻璃。根據(jù)反應原理的不同可以將第二類方法分為三種：（1）含硅化合物在無水環(huán)境中發(fā)生熱氧化作用生成SiO2，常見的為等離子體化學氣相沉積法(PCVD)；（2）含硅化合物在氫氧火焰中發(fā)生水解反應（往往同時伴隨有氧化反應），稱為火焰水解沉積法(FHD)；（3）含硅化合物在水介質(zhì)中發(fā)生水解反應，稱為溶膠-凝膠法。

另外，實際工業(yè)應用中往往對石英玻璃的產(chǎn)品的形狀有要求，如半導體產(chǎn)業(yè)中經(jīng)常用到高純石英玻璃管、石英玻璃棒等，因此石英玻璃產(chǎn)品的改型主要采用的是熱改型法，即通過加熱石英玻璃使其軟化，然后根據(jù)實際需要對其形狀進行改變。

下面分別選取三類方法中的典型制備方法做具體介紹。

電熔法

在電熔法中，首先通過電加熱將坩堝內(nèi)的粉末狀石英原料進行熔化，隨后經(jīng)過快速冷卻的玻璃化過程形成石英玻璃。電加熱的方式包括電阻加熱、電磁感應加熱等。在熔化過程中石英晶體的結構歷經(jīng)從β-石英到α-石英，再到α-方石英（同時伴隨有非晶相的產(chǎn)生）的轉變，直到加熱約1723℃時開始形成石英熔體。石英粉料的熔化過程通常是在高度真空（0.1~10Pa）環(huán)境下進行，以去除該過程釋放中產(chǎn)生的氣體和降低石英玻璃中的氣泡含量。

兩步CVD法

化學氣相沉積法本來是一類方法的統(tǒng)稱，嚴格來說等離子體化學氣相沉積法(PCVD)、管外氣相沉積法(OVD)和氣相軸向沉積法(VAD)都是基于化學氣相沉積法(CVD)，但是在工業(yè)界CVD法往往特指采用火焰水解沉積法直接制備石英玻璃錠的技術。CVD法的原理是將含硅化合物在載料氣體的帶動下送入氫氧焰噴燈，在高溫作用下發(fā)生化學反應生成SiO2顆粒。采用CVD法制備石英玻璃從本質(zhì)上避免了金屬雜質(zhì)的引入。由于工藝的原因，在國內(nèi)工業(yè)界采用SiCl4為原料制備石英玻璃依然是目前的主流技術。

電熔法和兩步CVD法制備石英玻璃錠的流程對比圖

來源：馬千里.高純石英玻璃制備制備過程的研究和工藝優(yōu)化

熱改型法

熱改型法首先通過將石英玻璃母材加熱軟化，然后通過槽沉、拉制等方法獲得所需要的產(chǎn)品。爐體的加熱方式為電磁感應加熱，爐內(nèi)感應線圈中通入的交變電流在空間中產(chǎn)生的交變電磁場，電磁場作用于發(fā)熱體產(chǎn)生電流和熱量。隨著溫度升高，石英玻璃母材發(fā)生軟化，此時通過牽引器下拉即可形成石英玻璃棒/管。通過調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度和下拉速度，可以拉制出不同直徑石英玻璃棒/管。電磁感應加熱爐的線圈布置和爐體結構對于爐內(nèi)溫度場有很大的影響，在實際生產(chǎn)中需要嚴格控制爐內(nèi)的溫度場來保證石英玻璃產(chǎn)品的質(zhì)量。

石英玻璃的應用領域

憑借優(yōu)異的物理化學性能，石英玻璃被廣泛應用于需要高溫、潔凈、耐蝕、透光、濾波等特定的高新產(chǎn)品生產(chǎn)工藝環(huán)境中，是半導體、航空航天、光通訊等領域不可或缺的重要材料。根據(jù)QYResearch數(shù)據(jù)，2019年，全球石英玻璃市場總值超過250億元，市場規(guī)模呈現(xiàn)穩(wěn)定增長狀態(tài)，預計到2025年，市場規(guī)模將突破270億元。

半導體領域

2021年，半導體石英玻璃制品占石英玻璃制品市場的68%，半導體領域是石英玻璃下游市場中占比最大的應用領域。石英玻璃材料及制品廣泛應用于半導體芯片制程中，是半導體蝕刻、擴散、氧化等工序所需的承載器件與腔體耗材。

石英玻璃在半導體工藝流程中的應用

來源：《石英礦物資源的提純及在戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的應用技術分析》、民生證券研究院

美國半導體行業(yè)協(xié)會(SIA)發(fā)布的報告顯示，2021年全球半導體市場規(guī)模達到5559億美元，創(chuàng)歷史新高，與2020年的4404億美元相比增長了26.2%。中國仍然是全球最大的半導體應用市場，2021年銷售總額達到1925億美元，同比增長27.1%。根據(jù)菲利華招股說明書披露，每生產(chǎn)1億美元的電子信息產(chǎn)品，平均需要消耗價值50萬美元的石英玻璃材料，預計2022-2023年全球石英玻璃市場規(guī)模預計可達31.66-33.12億美元，中國石英玻璃市場規(guī)模預計可達10.96-11.46億美元。

光通訊領域

石英棒是光纖制造的主要原材料。光纖預制棒中95%以上的組分為高純度的石英玻璃，且在光纖制棒和拉絲等光纖生產(chǎn)過程中需要消耗大量的石英玻璃材料，如把持棒、石英罩杯等。

5G建設帶動光纖光纜市場快速發(fā)展。5G網(wǎng)絡架構下的光纖使用量將是4G網(wǎng)絡的16倍，同時5G時代基站規(guī)模將是4G基站的2-3倍，基站互聯(lián)將為光纖光纜市場帶來較多需求。三大運營商積極加強光纖光纜采購，以推進5G商用進程。根據(jù)CRU數(shù)據(jù)，預計2022年我國光纖光纜需求將達到2.61億芯公里。

光學領域

合成石英玻璃材料用作高端光學領域的透鏡、棱鏡，TFT-LCD高清顯示器和IC用光掩膜基板材料。智研咨詢發(fā)布報告顯示，2021年中國光學儀器制造行業(yè)主營收入為852.1億元，同比增長4%。伴隨5G、AIoT技術及全球數(shù)字化進程的加速發(fā)展，消費類電子產(chǎn)品滲透率持續(xù)提升，新場景新應用推動IT產(chǎn)品多元化發(fā)展，新能源車市場快速成長帶動顯示面板需求持續(xù)成長。2021年，全球新型顯示行業(yè)產(chǎn)值和產(chǎn)量均再創(chuàng)新高，根據(jù)中國光學光電子行業(yè)協(xié)會液晶分會(CODA)的數(shù)據(jù)顯示，2021年全球新型顯示面板產(chǎn)值約1500億美元。

小結

石英玻璃產(chǎn)品是各領域關鍵耗材和原材料，制約下游行業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)，當前無可替代產(chǎn)品，因此石英玻璃的需求是長期存在的。在下游各行業(yè)尤其是半導體和光伏行業(yè)的加速發(fā)展中，石英玻璃行業(yè)的景氣度將不斷提高。

參考來源：

馬千里.高純石英玻璃制備制備過程的研究和工藝優(yōu)化

湖北菲利華石英玻璃股份有限公司2021年年度報告

民生證券.新材料系列#4：高端石英材料龍頭，產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢地位突出菲利華（300395.SZ）首次覆蓋報告

東亞前海證券.下游需求多重共振，石英高潛力龍頭未來可期——菲利華（300395.SZ）首次覆蓋報告

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初末）

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