中国粉体网讯
1 引言
钨被誉为“工业牙齿”[1]，是欧盟《关键原材料清单》所列18种关键原材料之一，也是我国24种战略性矿产之一。2025年2月，商务部、海关总署发布公告，对仲钨酸铵、氧化钨、钨粉等钨相关物项实施出口管制，进一步凸显了钨资源在大国博弈中的战略地位。
据美国地质调查局（USGS）《矿产品概要2026》数据[2]，全球钨储量超过470万t，其中我国储量约250万t，占全球总量的53%左右，居世界首位；2025年全球钨矿产量约8.5万t，我国产量达6.7万t，占全球总产量的79%左右。然而，我国钨产业长期“大而不强”，高端高纯钨产品（5N级以上）的制备技术和市场份额曾长期被美国、日本和欧洲企业垄断。近年来，随着国内半导体产业链国产化加速和出口管制政策落地，高纯钨粉及靶材的自主可控已成为产业发展的核心命题。
高纯钨粉的品质直接决定下游制品的性能。先进制程半导体对钨靶材的纯度要求已从5N提升至6N甚至7N级别，对U、Th等放射性杂质的含量要求低于1×10-7%，以避免α射线导致器件“软误差”。同时，面向核聚变和增材制造的新需求，球形、超细、高纯度钨粉的开发也成为研究热点。本文沿制备全流程梳理高纯钨粉的技术体系，结合最新市场与产业数据，分析其应用前景与发展方向。
2 高纯钨粉制备技术
高纯钨粉的制备遵循“钨矿浸出—高纯APT—WO3前驱体—氢还原钨粉”的技术路线[3]，每个环节的除杂效果和粒度控制都直接影响最终产品质量。
2.1 高纯仲钨酸铵的制备与深度净化
仲钨酸铵（APT）是制备高纯钨粉的起始原料[4]。从钨矿物浸出得到钨酸钠溶液后，需经过提取、转型、深度净化和蒸发结晶才能得到高纯APT。目前主流的深度净化工艺有三种：
热离解-氨溶法[5]：将工业APT在250～350℃下热离解为易溶于氨水的含水氧化钨，滤去氨不溶物后蒸发结晶。该方法流程短、操作简便，适用于小批量高纯APT生产，但能耗高、除杂效率有限，获得更高纯度产品需要多次循环。
离子交换法：利用阴离子交换树脂选择性吸附钨酸根离子。通过改进洗钠、洗氯环节，严控辅助材料中K、Na含量，可制备低K、低Na、低Cl的高纯APT，总杂质控制在7×10-5以内。二次离子交换饱和吸附法进一步将P、Fe、Mo、S等杂质除去率提升至99.9%以上。该法产品纯度高、质量易控，但废水排放量较大。
溶剂萃取法：在酸性介质中以有机胺为萃取剂，氨水反萃获得钨酸铵溶液。与离子交换法相比，废水量减少75%～80%，且不引入Cl⁻和铜盐杂质。近年来发展的碱性萃取工艺可同步去除P、As、Si等杂质，简化了工艺流程。
实际生产中，三种工艺常根据原料杂质特点组合使用。其中，与钨化学性质相似的钼、钒元素的深度分离是迈向6N级纯度的关键瓶颈，也是当前研究的重点方向。
2.2 三氧化钨前驱体的制备
以高纯APT为原料制备WO3粉体，普遍采用酸沉淀法[6]。其工艺要点如下：先将APT溶于质量分数2%的氨水中，在100℃水浴搅拌下获得约1.5mol/L的钨酸铵溶液。沉淀剂选用浓盐酸而非硝酸或硫酸，因为Cl⁻分子量更小，可减少颗粒间的聚集黏附。加料方式采用正加法（盐酸滴入钨酸铵溶液），可获得形状规则、粒度均匀、分散性高的前驱体；反加法则易生成胶状团聚体。
pH值是控制WO3粒度的关键参数。研究表明，当pH=1时，WO3前驱体平均粒度可低至45nm。前驱体经纯水和酒精多次洗涤后，在700℃下煅烧300min完成向WO3的转变，所得WO3粉体平均粒度约130nm，非气体杂质总含量不超过5ppm。
2.3 两段式氢还原制备高纯钨粉
氢还原是工业上制备钨粉最主流的方法[7]。WO3在氢气中逐级脱氧，还原路径为WO3→WO2.9→WO2→W，总反应为WO3+3H2→W+3H2O。
为获得纳米级钨粉，通常采用两段式还原工艺：第一段600℃保温150min，初步还原得到粒度约1.1μm的产物；第二段800℃保温150min，彻底还原为金属钨粉，平均粒度可控制在930nm左右。若第二段温度过高，颗粒会因高温烧结而粗化。
工艺参数对粒度的影响规律清晰：料层厚度从20mm减至2.5mm时，钨粉平均粒度从930nm降至330nm；氢气流量从200mL/min增至500mL/min时，粒度进一步降至210nm。其本质在于，减薄料层和增大氢流量都能更快带走还原产生的水蒸气，降低炉内水蒸气分压，从而抑制“挥发-沉积”机制导致的颗粒长大。
采用上述酸沉淀+两段氢还原工艺制备的钨粉，经辉光放电质谱（GDMS）分析74种元素，非气体杂质总含量低于2ppm，达到5N级高纯钨粉要求，其中U、Th含量可控制在1×10-7%以下，满足半导体靶材使用标准。
2.4 新型制备技术
除传统氢还原外，近年来新兴的制备技术主要有两类：
等离子体法：利用温度达104℃以上的等离子体炬作为热源，不规则钨粉在毫秒级时间内熔融并在表面张力作用下球化，可获得球形度高、流动性好的钨粉，特别适合增材制造应用。2026年公开的射频等离子体提纯专利，利用杂质与钨熔沸点差异结合氢气还原作用，可进一步去除Na、Mg、Cu、Fe等多种金属杂质，同时实现粉体提纯与球化。
碳热还原法：针对氢还原过程中WO2(OH)2挥发导致晶粒长大的问题，动态碳热还原法在真空气氛下可有效避免这一现象，制备出纳米级钨粉，且产物纯度高于氩气气氛。该方法为纳米钨粉的规模化制备提供了新路径。
3 高纯钨粉的核心应用
高纯钨粉的下游应用结构高度集中，半导体溅射靶材占据最大份额，核聚变和增材制造则是增长最快的新兴领域。
3.1 半导体溅射靶材
半导体溅射靶材是高纯钨粉最主要的高端应用[8]。钨靶材通过磁控溅射沉积在硅片表面，用作晶体管栅极接触、通孔填充和互连线阻挡层。钨具有电阻率低、抗电子迁移能力强的特点，在先进制程中不可或缺。
靶材性能对致密度和晶粒尺寸有严格要求：致密度需达99.5%以上以避免溅射过程中打火（Arcing），晶粒尺寸需≤100μm以保证成膜均匀性。工业上通常采用“一次热压烧结+二次热等静压”的两阶段工艺：先在1800℃、50MPa下热压获得致密度98%以上的坯体，再在1800℃、200MPa下热等静压实现近全致密，最终致密度可达99.7%，晶粒尺寸约19μm，满足12英寸晶圆先进制程需求。
从市场规模看，2025年全球高纯钨市场中，半导体溅射靶材占比约65.2%，收入约4.2亿美元；全球钨靶材整体市场约4.5亿美元，预计2032年将增至7.44亿美元，年复合增长率约7.45%。国内市场方面，2026年中国钨靶市场规模预计达17.04亿元人民币，同比增长约20%，主要驱动来自中芯国际、华虹、长江存储等晶圆厂的扩产。
3.2 核聚变与核能
核聚变被视为人类未来的终极能源，而钨因其高熔点、低溅射刻蚀率和低中子活化特性，是托卡马克装置面向等离子体部件的首选材料。据行业测算，ITER实验堆第一代偏滤器即需约150t超高纯钨，未来商业聚变电站的需求量将达到这一规模的5～10倍。
在国内，粉末挤出成型（PEP）等增材制造工艺已实现钨偏滤器部件的商业化制备，可承受10 MW/m²的热负荷，大幅降低了核聚变装置核心部件的制造成本。随着全球聚变投资热潮，核聚变领域对高纯钨粉的需求正在从实验室走向工程化阶段。
3.3 增材制造与硬质合金
增材制造为钨这种难加工材料提供了新的成形路径。气雾化或等离子体球化制备的球形钨粉，可用于激光选区熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）工艺，制造传统方法难以加工的复杂形状钨构件，在航空航天、医疗CT靶材、辐射屏蔽等领域具有广阔前景。
硬质合金仍是钨的传统最大消费领域。随着精密刀具向超细晶（晶粒尺寸<0.5μm）方向发展，对亚微米乃至纳米钨粉的需求持续增长。厦门钨业通过机械合金化结合等离子体工艺，已实现100～200nm钨粉的规模化生产。
4 国内产业格局与发展趋势
4.1 主要企业与竞争格局
我国高纯钨产业已形成从冶炼提纯到靶材制造的完整产业链[9]。上游端，厦门钨业、中钨高新、江钨集团等企业掌握着APT和钨粉的大规模制备能力，2025年国内主流企业已完成氢还原工艺的智能化升级，还原炉温控精度达±1.5℃，批次间粒径变异系数（CV值）稳定在4.2%以下，优于ISO标准限值。
下游靶材端，宁波江丰电子是国内超高纯金属溅射靶材的龙头企业，产品覆盖铝、钛、钽、铜、钨等全系列，纯度达6N～7N级别，已进入台积电、中芯国际、SK海力士等全球头部晶圆厂供应链。2025年江丰电子靶材业务收入达28.5亿元，同比增长22.13%，公司正在筹划赴港上市以进一步扩大产能。
从全球竞争格局看，美国Praxair、日本Tosoh、日本Nikko Materials、奥地利Plansee等企业仍占据高端市场主导地位，但国内企业在5N级产品上已实现国产替代，正向6N级先进制程靶材发起冲击。
4.2 技术与市场发展趋势
综合行业动态，高纯钨粉领域呈现四大发展趋势：
一是超高纯化。先进制程对钨纯度的要求从5N向6N、7N迈进，特别是Mo、V等相似元素的深度分离以及U、Th等放射性杂质的极致控制，成为技术攻关的核心方向。
二是超细/纳米化。随着硬质合金晶粒细化和半导体器件微型化，钨粉粒度从微米级向亚微米、纳米级发展，100～200nm级钨粉已实现规模化生产，更细的纳米钨粉制备是未来重点。
三是球形化与专用化。面向增材制造和热喷涂应用，球形钨粉的需求快速增长，等离子体球化工艺成为粉体改性的主流技术路线。同时，针对不同下游场景（靶材、3D打印、核聚变）的专用粉体品种不断细化。
四是绿色化与智能化。传统离子交换工艺废水量大，溶剂萃取工艺产生氨氮废水，开发短流程、低排放的绿色制备工艺是行业共识。同时，智能化控制已成为标配，温控精度和批次稳定性持续提升。
5 结语
我国是全球钨资源第一大国，储量和产量均占全球一半以上，但长期面临“资源大国、产业小国”的结构性矛盾。经过多年技术积累，我国已建立起从高纯APT制备、酸沉淀法WO3前驱体制备到两段式氢还原制备纳米钨粉的完整技术体系，5N级高纯钨粉已实现稳定批量生产，并在半导体靶材领域实现了关键国产替代。展望未来，高纯钨粉产业面临三重机遇：一是半导体先进制程扩产带来的靶材需求持续增长；二是核聚变商业化进程加速带来的新增量市场；三是出口管制背景下，全球钨产业链重构为国内高端钨材企业创造的替代空间。与此同时，也需要正视在6N级超高纯钨粉批量稳定性、大尺寸靶材均匀性、核心装备自主化等方面与国际先进水平的差距。突破相似元素深度分离、纳米粉体制备、球形粉规模化等关键技术，将是我国从钨资源大国迈向钨材料强国的必由之路。
参考文献
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