随着碳达峰碳中和战略的贯彻实施，光伏产业发展步入快车道。无论是光伏行业坩埚用高纯石英砂，还是光伏超白玻璃用低铁石英砂，其市场需求都迎来了爆发式的增长。整个光伏产业链对高品质石英矿源，石英原料深加工技术的需求也显得更为迫切。2023年4月21日，第一届光伏行业用石英砂技术与市场交流大会在安徽凤阳隆重召开，会议期间，我们邀请到了业内专家、学者，优秀企业家代表做客对话栏目，进行访谈交流。本期为您分享的是中国粉体网对我国矿物材料学及石英原材料行业的知名专家、成都理工大学汪灵教授的专访。
巨著出版，助力中国非金属矿产业高质量发展
近日，由国家科学技术学术著作出版基金资助、地质出版社出版的《矿物材料学原理》一经面世，便在非金属矿行业内引起了强烈反响和高度好评。本书是迄今为止国内外第一部关于矿物的材料属性与应用的基础性、实用性和系统性理论著作，也是一本非金属矿产资源高效开发利用的实用工具书。我国矿物学泰斗、中国科学院院士叶大年研究员在该书序言中写道：“本书是关于矿物材料学的集大成之作，填补了矿物材料学的系统性理论研究空白，丰富和发展了矿物学，对于矿物材料学具有奠基性意义。”
据了解，该书第一次印刷版在预售期间就全部售罄，为满足大家需要又进行了第二印刷，这在学术著作出版发行中是罕见的。该书作者成都理工大学汪灵教授，在接受中国粉体网记者独家专访时，分享了他写作该书的心路历程。
汪灵教授告诉我们，写作这样一本书是他一辈子想做的一件事情，而促使汪教授能耗费数十年之功完成这样一本巨著的动力之一，便是其博士生导师叶大年院士对他的殷切期望：写一本好书，是一个科学家一生的奋斗目标之一。
人生的目标，往往离不开时代的背景。上个世纪八十年代初，由于历史原因，我国经济落后、百废待兴，在非金属矿工业领域，我国虽然非金属矿产资源非常丰富，但开发利用却极为落后。因此，老一辈的科学家大声呼吁要重视非金属矿产资源的开发利用，提出要“迎接新石器时代的挑战”，那个时候刚大学毕业并且攻读非金属矿产地质与勘查专业的汪灵深受鼓舞，下定决心要一生致力于我国非金属矿产资源的开发利用。
2002年开始，国家在中国地质大学、成都理工大学、中国矿业大学、中南大学四所大学首批设立了矿物材料学博士点，博士点设立以后，涉及到教学和教材，也就是从那个时候开始，汪灵教授感觉到了写这本书的重要性和紧迫性，并开始着手准备相关的国内外资料。
在谈及科研的选题方向时，汪灵教授特别提到了中央所提出的四个面向：面向国际前沿、面向国民经济的主战场、面向国家的重大需求和面向人民生命健康。而《矿物材料学原理》这本书之所以能够在非金属矿行业引起热烈反响，汪灵教授认为正是由于这本书的主题是面向我国对非金属矿产资源高效开发利用的迫切需要，同时也面向了国家对矿物功能材料的重大需求。
长期以来，人们对矿物的研究主要集中在其资源属性方面，随着人类社会对矿产资源的需求日益增大，以及对材料性能的要求不断提高，矿物材料属性逐渐进入人们的视野，并越来越受到重视。然而迄今为止，国内外还没有一部关于矿物材料学的系统性理论著作问世。矿物材料学是诞生于中国的一门新兴的综合性的交叉学科，《矿物材料学原理》的出版，对我国非金属矿产资源的高效开发利用，对加强矿物功能材料的研究与应用，以及高层次人才培养和学科建设等方面都具有重大的意义。
心系非矿，推动战略性非金属矿产扩容
近些年，战略性矿产、关键矿产等概念逐渐被人们所了解，一方面是国家层面的高度重视，另一方面是学术界的大力推动。在采访中，汪灵教授告诉中国粉体网记者，战略性矿产是指对国家的经济、国防和战略性新兴产业发展至关重要的矿产资源，或者并同时是我国有资源优势、可以调控国际市场的矿产资源（可卡别人脖子），或者并同时是我国资源短缺、存在较大安全隐患的矿产资源（可被别人卡脖子）。
非金属矿产资源现已被广泛应用于石油、化工、冶金、建筑、机械、农业、环保、医药等行业，并越来越多地被用于国防、航天、通信等高科技领域，在经济社会发展中具有十分重要的作用。随着非金属矿产的物理和化学新性质不断研究与发现，以非金属矿产为主要原料的矿物功能材料等新应用不断拓展，在国家战略性新兴产业发展中正发挥着越来越重要的作用。
作为《矿产保护与利用》战略性非金属矿产专辑的唯一特约主编，汪灵教授根据我国非金属矿产资源在国家经济安全、国防安全和战略性新兴产业发展中的重要作用，结合矿产资源的保障能力与特色，并根据前人的研究结果，在与国内同行专家讨论和交流基础上，建议将磷矿、钾盐、萤石、石墨、石英、高岭土、叶蜡石、膨润土、凹凸棒石、海泡石、硅藻土、重晶石、硼矿、锂矿、锆英石等15种矿产列为我国在当前和今后一段时期内的战略性非金属矿产，而此前相关政策文件仅把磷、钾盐、晶质石墨、萤石等４种非金属矿产列入了战略性矿产目录。
对于矿产资源开发，汪灵教授始终有个观点：矿产资源有许多是不可再生的，老天只给了我们这一次机会，因此，我们要高效利用，从而实现它的有效保护，否则就可能出现好矿低用。汪灵教授用石英举例说明，比如有一些石英矿产资源是很好的，但是我们却把它用到很低端的用途中，这是一个很大的浪费。汪灵教授特别提醒，我们做矿产资源一定时刻要有环境意识和资源保护意识，这样才能符合国家现在的开发利用的要求。
高屋建瓴，奠定高纯石英应用的理论基础
据汪灵教授介绍，高纯石英是石英玻璃、硅材料及相关产业发展的物质基础，广泛应用于电子信息、光伏、光通信和电光源等行业，其中，SiO2纯度≥99.998%（4N8）的高纯石英高端产品不仅是一种新材料和矿物功能材料，而且是半导体、光伏、电子信息和高端电光源等生产必不可少的关键基础材料，也是我国芯片发展（晶圆制造与芯片封装等）不可或缺的关键材料之一，在电子信息、新材料和新能源等战略性新兴产业以及国防军工、国家安全中具有非常重要的作用和地位。因此，汪灵教授认为高纯石英应用前景非常广阔，并在高纯石英系统性理论研究方面取得令人瞩目的成果。
第一，高纯石英的概念与产品等级分类
汪灵教授根据研究结果，明确了高纯石英的概念：高纯石英是SiO2纯度大于99.9%的石英砂系列产品的总称，其本质是以天然石英矿为原料经提纯加工获得的具有极高SiO2纯度且具有一定粒度的石英晶体原材料，其概念应同时具备纯度、粒度和矿物相三个特征。
他根据我国行业生产及应用实际情况，提出了高纯石英产品等级分类：首先根据我国高纯石英产品产生及应用情况，按SiO2纯度将高纯石英产品分为4个等级：高端ω(SiO2) ≥99.998%（4N8），中高端ω(SiO2) ≥99.995%（4N5），中端ω(SiO2) ≥99.99%（4N），低端ω(SiO2) ≥99.9%（3N）。其中ω(SiO2)≥99.998%（4N8）的高纯石英高端产品是一种关键基础材料、新材料和矿物功能材料。
第二，石英的提纯定律与高纯石英原料品级划分
据汪灵教授分析，天然石英矿中都存在杂质矿物、气液包裹体和类质同像替代等三类杂质，其中：有一部分是可分离提纯的，这是石英提纯加工可能性的理论依据；有一部分是不可分离提纯的，这就是石英提纯加工局限性的产生机理。
据此，汪灵教授清晰地提出了石英的提纯定律：对于具有一定粒度的石英砂产品来说，任何一种石英矿都存在一定的提纯加工局限性，在现有经济技术条件下都有一个提纯极限值。换句话说，一个石英矿能够加工什么纯度的石英砂产品，是天生注定的。
汪灵教授根据提纯加工效果对高纯石英原料进行品级划分，并将高纯石英原料划分为与高纯石英砂系列产品等级相对应的4个等级，即：A级，又叫优质矿或优质原料，可用于提纯加工SiO2纯度4N8的高端高纯石英砂产品；B级，又叫上等矿或上等原料，可用于提纯加工SiO2纯度4N5的中高端高纯石英砂产品；C级，又叫中等矿或中等原料，可用于提纯加工SiO2纯度4N的中端高纯石英砂产品；D级，又叫下等矿或下等原料，可用于提纯加工SiO2纯度3N的低端高纯石英砂产品。
第三，高纯石英四大技术是有机整体
大概在十多年以前，国内在面对高纯石英高端产品“卡脖子“问题时，大多是认为国内矿石提纯的技不如人。汪灵教授经过多年系统的研究之后发现，并在当时首次提出了这样的观点：高纯石英技术应该包括矿石的评价遴选技术、提纯技术、产业化装备技术和检测技术四大方面，它是一个有机的整体，既相互独立，又相互联系和相互制约。因此，发展我国高纯石英技术是一项系统工程，仅仅从某个方面努力是难以达到效果的。并首先明确指出，其中以高纯石英原料的识别、评价与遴选技术最为关键。
高纯石英加工技术的特殊性决定了高纯石英加工生产装备要求很高，研发适用特殊工艺条件下的安全、环保、节能、高效的生产装备至关重要。由于高纯石英的战略地位非常重要，其高端产品的加工技术被美国、德国等所垄断，并限制技术和产品出口，不可能进口其生产线，因此汪灵教授建议，要实现我国高纯石英高端产品国产化，必须加强高纯石英加工装备技术研究。
同时，在检测技术方面，汪灵教授指出，对于石英的SiO2纯度和品级很难通过原矿直接测定，一般是通过检测原矿提纯前后的杂质含量来界定SiO2纯度和矿石的质量品级。国内检测技术总体而言还没有很好的统一，（杂质）没测全、测不准的问题容易引起行业的一些乱象。
第四，解决高纯石英“卡脖子”问题的关键所在
在谈及当下高纯石英高端产品的“卡脖子”问题时，汪灵教授一针见血地指出，我国4N8高纯石英高端产品未能国产化的根本原因是，迄今为止还没有找到能够稳定满足工业生产需要的高纯石英优质原料。因此，发现能够稳定满足工业生产需要的高纯石英优质原料（汪灵教授称之为“A级矿”）是重点努力方向，这也是解决我国4N8高纯石英高端产品“卡脖子”问题的关键所在。
高纯石英原料的来源主要分为水晶、脉石英和花岗伟晶岩三种。水晶矿床一般规模较小，目前主要用作工艺品原料。现阶段，国内高纯石英资源的找矿方向主要侧重于脉石英。那么，国内花岗伟晶岩石英找矿及开发利用进展如何呢？
本次采访中，汪灵教授指出，美国尤尼明公司和挪威石英公司生产的高纯石英高端系列产品能获得国际垄断地位的根本原因，是拥有世界上迄今为止唯一发现的独特的高纯石英优质原料——花岗伟晶岩石英。
来自Spruce Pine的IOTA?白岗岩
汪灵教授介绍说，伟晶岩型石英已引起国内的关注，并在新疆阿尔泰、北秦岭等地区的找矿方面取得初步进展。在开发利用方面，有人以北秦岭伟晶岩石英为原料，采用破碎、筛分、浮选、高温焙烧、水淬和热压酸浸等方法，制备出4N高纯石英砂；以河南某地花岗伟晶岩为原料，采用粗碎、煅烧水淬、细碎、磁选、浮选和酸浸等方法，制备出4N5高纯石英砂。
同时，汪灵教授还指出，我国并不缺少中低端高纯石英生产的原料，极为稀缺的是能够加工4N8高纯石英高端产品的优质原料。根据汪灵教授的研究结果，尽管天然水晶和脉石英可作为加工高纯石英的原料，但是能够提纯加工4N8高纯石英高端产品的优质原料也只是其中的极个别。汪灵教授由此推断，能够成为4N8高纯石英高端产品的花岗伟晶岩石英优质原料，也应当是众多矿床或矿点中的极个别。
汪灵教授认为，我们的任务不仅仅是要发现这片森林，我们更重要的是要在这片森林中去发现那棵参天大树，这个参天大树就是其中能够做高端产品的那个矿点，虽然有一定难度，但是经过国内同行的齐心努力，不光是在脉石英方面有可能取得突破，在花岗伟晶岩石英方面也同样有可能突破，我们中国人最终一定能够解决这个问题。
末尾的话：企业应实事求是、量力而行
近两年，随着光伏产业的加速发展，光伏用高纯石英高端产品的价格也在不断的攀升，从而让产业界、资本界的众多人士趋之若鹜。汪灵教授建议，企业不一定都要去做高端产品。因为，各种等级的高纯石英产品都有它们的应用领域和市场需求，例如中高端、中低端产品也可用于芯片封装、覆铜板、拉管、耐火材料等，毕竟用于光伏石英坩埚的4N8高端产品只占我国高纯石英市场的25%左右。汪灵教授建议企业根据自己矿的特点和优势有针对性的去做，才能生产出市场需要的高附加值产品。
有矿或有目标矿，这是第一步，否则就如同无米之炊。有了矿，需要知道自己的矿是什么，能做什么。也就是需要明确石英的矿床工业类型，大致了解石英矿的品级还有对应的高纯石英产品的等级。据汪灵教授介绍，按照今天的技术手段，是可以比较准确地评价出来企业的矿能够做什么，然后再根据市场的情况有针对性的进行生产。企业只有实事求是、量力而行、尊重科学，才可能少走弯路。否则，如果企业盲目的以为自己的石英矿什么都能做，甚至只想做用于石英坩埚的4N8高纯石英高端产品，就会造成费时、费力、费资金的现象。
（中国粉体网采访、编辑/平安；经汪教授审阅）