今日科普 | 石英砂 从风花雪月到硬核科技

提起石英砂，大家可能会觉得有些陌生。但是，如果是沙子呢？那可就再熟悉不过了，建筑工地的沙堆、操场上的沙坑、海边的沙滩······沙子的身影可以说触手可及。石英砂其实就是非常纯净的沙子，也就是二氧化硅含量非常高的沙子。俗话说，人不可貌相，再寻常不过的沙子背后也蕴含着丰富的科学知识。或许，听了今天这个故事，你会对这普普通通的沙子，产生刮目相看的新感觉。

石英砂

石英砂

矿物

材料属性

沙子就像儿女一样，千百万年来栖身于大地母亲的怀抱。人类何尝又不是如此呢？从远古时代到现如今的工业文明，人类一路走来，离不开大自然的滋养，矿产资源便是其中重要的组成部分。

某种程度上讲，地球相当于是一个“石球”，它上边分布着各种各样大大小小的石头，或者说叫矿石，这些矿物材料都是可以被人类所利用的。因此，我们生存的地球家园是一个矿产资源的宝库。矿物材料具有很大的利用价值，是文明演进的物质载体，是战略性的资源。

矿物材料可以用于金属冶炼。比如，磁铁矿可以用于冶炼钢铁，黄铜矿可以炼铜，硬水铝石可以炼铝，锂辉石是金属锂的重要来源，独居石里含有多种稀土元素。

矿物材料可以提供能源。我们所熟知的煤炭、石油和天然气等化石燃料支撑着现代人类的工业文明。铀矿石里边的铀作为核燃料将把核能纳入到未来的新能源体系中。

矿物材料可以提供化工原料。黄铁矿里的硫是制硫酸的重要原料。盐湖里的卤水可以用来制盐酸（HCl）和氢氧化钠（NaOH）。天然纯碱、芒硝都是重要的基础化工原料。

矿物材料可以作为建筑材料。传统建筑用的三合土，就包括黏土、石灰和沙子。打地基会用到花岗石等石材，在现代建筑中这些石材又被用来作为地板或者内外墙面装饰，既有实用，又美观。

矿物材料还可以作为轻工产品的原料。高岭土又称瓷土，是陶瓷工业的重要原料。生产玻璃，要用到石英砂。

由此可知，沙子作为矿物材料家族的一员，所发挥的作用不可小觑。

石英砂

材料

来历

沙子是地球的孩子，它是如何诞生的呢？这无疑是个科学问题，似乎应该是到科学文献里寻找答案。不过先别忙！让我们先查查字典吧。

我们通常把“沙”和“砂”混用。

根据《辞源》的释义，“沙”是指细碎的土石的微粒，也作“砂”，同时说“水散石也”，也就是说流水的剪切力或冲击力把石头打散了，“水少沙现”，则是说河流里裹挟的泥沙由于重力的作用沉积下来。而“砂”是“石之细碎者”，也就是特别小的石头。

“沙”和“砂”有个共同点，都是来源于岩石，而且字形都含有“少”，就是小的意思。那么，答案就显而易见了，沙子是岩石经过风化或者流水的侵蚀作用形成的。是不是有点意外？科学和人文其实是相通的，我们的文化瑰宝汉字里也同样蕴含着科学的奥秘。

石英砂的化学组成

组成地壳成分的前四位元素是氧（O）、硅（Si）、铝（Al）、铁（Fe）。特别是前三种元素，构成了地壳的基本骨架。大多数岩石特别是坚硬的岩石的主要成分是二氧化硅（SiO2），而粘土则主要由硅铝酸盐构成。铁元素则以“杂质”形态广泛存在于岩石和土壤中。

石英砂作为从岩石母体剥离下来的子代，它主要的成分仍然是二氧化硅。并且当沙子中二氧化硅的含量大于80%，才能称之为是石英砂。

二氧化硅的结构是一个硅氧四面体，硅在四面体的中心，氧在四面体的4个顶点上。通常把这种硅氧四面体表述成正四面体，似乎4个硅氧键是完全一样的，其实并非如此。这就造成了硅氧四面体的正负电荷是不重合的，因此二氧化硅晶体具有压电性质，这也是石英钟工作原理的化学基础。

二氧化硅晶体属于原子晶体，具有物理化学性质稳定，熔沸点高，硬度大等特点，这与日常生活中我们对于沙子的认知是一致的。

纯净的二氧化硅晶体是白色的。但是我们通常接触到的沙子很少有白色的，这是因为沙子通常含有杂质，比如说常见的黄沙含有水合的氧化铁（Fe₂O₃·xH₂O），红褐色的沙子则含有赤铁矿（Fe₂O₃）。而非常纯净的石英砂才会是白色，这类白沙一方面作为景观给我们带来美的享受，另一方面则适合于作为化工原料使用。

石英砂

材料

类型

石英砂可以分成两大类，一类是天然形成的沙子，另一类则是人工砂。天然沙又分成河砂、海砂和风成砂三类。河砂是河道沉积物里的沙子。这一类的沙子的重要特点是颗粒适中，不大也不小，并且表面光滑，更重要的是经过流水的“千淘万漉”，杂质比较少。河砂大显身手的场合是在建筑领域，万丈高楼平地起，离不了沙子的贡献，这些沙子就是河沙。

海砂就是海里的沙子，它的特点是盐碱含量较高，对钢筋的腐蚀性比较大，因此海砂就不适合做现代建筑材料。但是海砂的储量非常的大，辽阔的大海，漫长的海岸线都有大量的海砂存在，人们也为海砂找到了一展身手的机会，那就是金属铸造方面，主要用海砂做翻砂铸造的砂型。

风成砂其实就是沙漠里的沙子，这类沙子颗粒非常的细，盐碱等杂质含量也比较大，所以也不能用于建筑材料，也就是说世界上的几大沙漠中不计其数的沙子是不堪大任的。

由此可见，在3种天然砂中，河砂最为重要。有点出人意料的是，河砂是一种不可再生的资源，国家有关部门已经将河砂纳入出口管制范围。这是因为，虽然河流并不罕见，但是河砂的形成需要漫长的时间，因此总储量是有限的，这就造成了河砂的不可再生资源属性。并且采集河砂的过程也会破坏河道的生态环境甚至会造成灾难性的后果。随着全球城市化进程的加速，建筑行业对于河砂的消耗量非常巨大，联合国环境署已经把河砂的短缺现象列为21世纪重大的环境挑战之一。

除了上述的天然砂之外，还有一类人为加工的沙子，称作破碎砂。也就是说把大块的石英砂岩或者石英石破碎到合适的尺寸。破碎砂算得上是真正意义上的石英砂，纯度往往比较高，因此可以用来制造玻璃，甚至芯片，在工业领域和高科技领域具有广泛应用。

石英砂根据纯度的等级可以分成3N、4N和5N等多个级别，N用来表示9，3N就是二氧化硅含量大于等于99.9%，以此类推。可见，N越多纯度就越高。

3N级的石英砂通常用作玻璃制造、铸造和建筑。4N级属于精制石英砂，用于光伏玻璃、半导体器件电子封装和精密铸造等方面。高纯石英砂则是5N级，用于半导体制造、光纤通信和航空航天领域。

那么破碎砂是怎么生产的呢？简单来说，就是把大块的石英岩矿石打碎。只不过这个粉碎过程是从800毫米，到300毫米，再到50毫米递进式进行的。进一步地，再用专门的制砂机加工成0.1到0.5毫米的颗粒，最后用振动筛进行更精细的分级。以上粉碎过程满足了对石英砂在尺寸上的要求，但是纯度提升仍需努力。

石英砂的提纯包括物理提纯和化学提纯。

物理提纯主要包括磁选和浮选，也就是先通过强力磁铁的磁吸作用把含铁的杂质去除，再利用不同组分颗粒密度的不同在重力作用下进一步提纯，此时石英砂的纯度可以达到3N，再经过深度的综合提纯可以达到4N级。

化学提纯包括酸洗和氯化焙烧两种工艺。酸洗过程中，可以用盐酸溶解铁、铝的氧化物，用氢氟酸（HF）溶解硅酸盐，用硝酸（HNO3）去氧化去除重金属离子，最终使得石英砂达到4N级别。氯化焙烧是在高温和氯气（Cl2）等氯化剂气氛下，通过化学反应把钠、钾、铁等金属杂质转化为氯化物去除的过程，可使石英砂达到5N以上更高的纯度。

石英砂

材料

传统应用

沙子是人类早已熟知的天然矿物材料，有着悠久的应用历史。石英砂的传统应用包括建筑、铸造和玻璃制造等领域。

沙子位列传统的建筑材料的“四大金刚”当中，与砖块、瓦片和石头互为补充，共同构筑起为人类遮风挡雨的栖身住所。沙子颗粒细小并且持水性有限，还需要与其他成分结合，才能充分发挥出建筑构建粘结剂的作用，这样就产生了“三合土”。三合土由沙子、粘土和石灰等3种成分构成，是我国的传统建筑材料，堪称古代“混凝土”。从百姓房屋到皇家宫苑再到万里长城，三合土在中华文明发展史上发挥了重要作用。

在现代建筑领域，沙子仍然在发挥着重要的作用，只不过化身成了“混凝土”的组分出现在高楼大厦桥梁隧道当中。在混凝土中，硅酸盐水泥作为“胶水”把沙子和石子这些骨架材料粘结在一起，在水的作用下硬化，可以使建筑物达到很高的称重强度。

金属铸造是沙子的另外一个传统应用领域。铸造需要模具，沙子的可塑性为制造铸造模具提供了方便。采用沙子作为模具的工艺称为“翻砂铸造”，用于制造模具的沙子（通常为海沙）称为“型砂”。型砂对于沙子的颗粒尺寸和纯净度都有着高的要求。铸造过程中，型砂加入一些其他添加物质后根据需要压制出特定的“砂型”，将熔化的金属汁液灌注到砂型的空腔中，冷却、脱模之后，就可以得到相应的金属部件。从日常生活中的铁锅、饼铛再到汽车、飞机的发动机，许多金属产品的铸造加工都离不开沙子。

玻璃生产也大量需要石英砂。我们常见的玻璃可以认为是硅酸钠（Na2SiO3）和硅酸钙（CaSiO3）的复合物，称为“钠钙玻璃”，生产原料就是由石英砂、纯碱（碳酸钠，Na2CO3）和石灰石（碳酸钙，CaCO3）组成，石英砂是其中的核心原料。如果单纯用石英砂作原料则可以得到“石英玻璃”，其化学成分为高纯度的二氧化硅，耐热性、抗腐蚀等物理化学性质相较于普通玻璃而言更加优异。

石英砂

材料

高科技应用

石英砂在高科技中的应用主要体现在信息技术领域。

石英砂可以用来制造光纤。光纤也叫光导纤维，是纤维状的高纯二氧化硅，通俗地讲就是微米尺度直径的石英细丝，比头发还要细一些。光纤传导的是光信号，最大的特点是可以实现光线的全发射，而且光的损耗非常的低，能够抗干扰，传导速率非常之高，容量也非常之大，因此光纤非常适合于高效地传输海量数据。

多根光纤“拧成一股绳”就构成了光缆，跨越高山大洋的光缆把地球的各个角落连接在一起，构成了当今世界庞大的互联网矩阵。我们几乎每时每刻都离不开的数字化工作、学习、生活、通信甚至娱乐方式都是建立在光纤的物理基础之上。伴随着人工智能时代的到来，数据处理量与日俱增，高性能的光纤光缆仍然在发挥着不可替代的信息载体作用。

除此之外，光纤的高速传导特性还可以在传感器领域大显身手。当环境中的温度、压强、应力、化学物质等因素发生改变时，光纤中的光波会发生敏感的波动，检测这些光信号的改变即可反向感知出相应因素的变化。这类光纤传感器通常结构小巧，在人体疾病诊断和治疗、工业探伤和测控、国防探测和安防监控等多个领域都可以精准高效地完成工作任务。

石英砂的另外的一个高科技应用又有点令人意外，那就是可以制造半导体芯片。很难想象，来自石头的沙子能变化成高科技的核心支撑载体。

芯片的基材就是单晶硅（Si），也就是非常纯净的结晶性硅单质。单晶硅可以说是现代信息技术的基石，原因是它是一种带隙（1.12电子伏特）适中的半导体材料，非常适合控制电子传输，用于构建逻辑电路。并且单晶硅的纯净度非常高，缺陷非常小，因此传输电子的效率也非常的高。这些特点对高性能半导体器件而言是非常重要的。

石英砂是硅的氧化物，要想得到单质硅，需要经过复杂的化学还原以及提纯过程。进一步地，从单质硅到单晶硅还需要一系列的晶体生长和加工过程。可以说，石英砂的华丽转身凝结了大量现代科技的智慧。

单晶硅芯片的重要性不言而喻，不论是手机、计算机，还是新能源汽车、电冰箱、洗衣机，日常生活的方方面面都离不开芯片，更不必说航空航天、国防工业等高精尖领域。

看了这些石英砂的故事，你有怎样的感受呢？从远古走来的一粒沙子，为人类的生存服务，为人类的未来提供支撑，毫无疑问，这个漫长而曲折的过程浸透着劳动汗水和智慧光芒。

求索无止境，创新无止境，让我们奔跑在科学大道上去拥抱那不可思议的人类未来吧。

石英砂

作者：薛斌（上海海洋大学）