高純稀土之光：科技領域的璀璨明星

院士的話

高純稀土材料是新一代電子信息等高端領域的材料基礎，但提純難度大，相關技術被國外掌控。亟需解決高純稀土材料純化工程化、關鍵敏感雜質痕量去除技術難題及核心裝備制造，保障我國重大工程領域關鍵核心材料的自主可控，實現資源優勢轉化為技術優勢和產品優勢。

黃小衛

中國工程院院士

中國有研科技集團首席科學家

▲元素周期表中的稀土元素分布

何為稀土元素？

稀土元素是鑭系元素和鈧（Sc）、釔（Y）共計17種金屬元素的總稱。稀土元素因其豐富而又獨特的磁、光、電等物理化學性質，被譽為“現代工業維生素”和“21世紀新材料寶庫”，已成為全球公認的重要戰略資源。稀土元素能與其它材料組成性能各異、品種繁多的新型材料，其最顯著的功能就是大幅度提高其它產品的質量和性能，已被應用于航天、航空、信息、電子、能源、交通、醫療衛生等10多個領域的40多個行業。

隨著科技的發展以及對新材料更高的性能需求，普通的稀土原料難以保證材料的性能，需要高純甚至超高純的稀土材料來體現和保證高新材料的高性能。高純稀144土材料通常指其純度大于4N（99.99%），純度大于6N（99.9999%）的則為超高純稀土材料，高純稀土材料包括高純稀土化合物，高純稀土金屬及靶材等。

高純稀土化合物主要有高純稀土氧化物、高純稀土鹵化物等，高純稀土氧化物主要應用在發光材料、晶體材料、光纖材料、光學玻璃、固態電池、電子材料等高科技領域。高純稀土氧化物中氧化釹、氧化鉺等廣泛應用于激光玻璃、激光晶體、激光透明陶瓷、電子陶瓷等；高純氧化鈰主要應用于生產玻璃著色劑、玻璃拋光粉、稀土發光材料；高純氧化鐿可用于制備高功率光纖激光器，可改變光纖的光學性能和能級結構，實現光放大，實現光增益，實現大功率光纖激光器制備；高純氧化镥可用于高性能閃爍晶體，在X射線等高能粒子的撞擊下可高效地將高能粒子的動能轉變為光能，主要用于PET-CT核醫學、高能物理、工業無損探傷、靜態數字成像及核探礦等領域。

高純稀土金屬及靶材是高性能稀土磁、光、電功能材料的物質基礎，廣泛應用于國防軍工、新能源汽車、集成電路、新型顯示及5G通訊等戰略性新興產業領域。其中高純金屬鈧主要用于制備鋁鈧合金靶材，經磁控濺射后生產氮化鋁鈧薄膜，濾波器帶寬提高2倍以上，滿足新一代通信系統寬帶、高頻的應用需求，廣泛用于5G通訊濾波器、雷達濾波器。

▲稀土氧化物的具體應用

稀土元素分離敲開啟蒙時代的大門

蓋施耐德（K.A.Gschneider）把稀土冶金及其應用開發分成三個時代：搖籃時代（1787年~1949年），啟蒙時代（1950~1969年）與黃金時代（1970年~現在）。

稀土的黃金時代開啟之后，中國的稀土工業迅速崛起。中國憑借擁有世界上最大稀土資源以及資源質量好、品種全、易開采的優勢，加上技術的進步（張國成院士、黃小衛院士等開發的第三代硫酸法），自1986年起稀土的生產量超過了美國，成為了世界上最大的稀土生產國。隨后中國稀土產品迅速向高純、高附加值方向轉化，積極參與國際競爭，促使世界范圍內的稀土產品的第三次大降價。

多年來，國內稀土工作者根據稀土資源的特點，開發了一系列具有原創性的稀土提取分離技術并實現大規模工業應用，我國稀土采、選、冶技術世界領先，各個時代應運而生的代表性成果有力推動了我國稀土工業的進步和發展。歷經幾十年的發展，我國建立了較完整的稀土采、選、冶、分離提純、稀土材料與應用工業體系和產業鏈，已成為全球最大的稀土資源國、生產國、出口國和應用國。目前，我國稀土冶煉分離產品產量占全世界的85%以上，在提取分離技術、原料供應及國際貿易等方面具有明顯優勢。

▲（a）高純稀土合金靶材；（b）雷達；（c）新型顯示面板；（d）華龍一號

高純稀土材料是如何制備的？

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高純稀土材料的制備，我們可以簡單地理解為去除稀土材料中的雜質，實現稀土與雜質分離，達到純化的目的，從而制備出高純度的稀土材料。自發現稀土元素以來，稀土元素的分離純化研究工作一直沒有中斷，稀土礦物中鑭系元素多是共生的，稀土元素之間性質接近往往有較多的稀土元素賦存在一起，同時，稀土中雜質種類則涵蓋了元素周期表中大部分元素，包括堿金屬、堿土金屬、過渡金屬、錒系元素和非金屬元素，要將某一稀土元素從16種稀土元素中單獨提取、同時在分離多種類型雜質具有極大的難度。目前，與稀土分離有關的技術主要包括分步沉淀法、溶劑萃取法、離子交換法和吸附法等，將單一稀土元素提煉之后再采用熔鹽電解、金屬熱還原制備成金屬，再采用真空蒸餾、區域熔煉等技術進行金屬提純，各項技術之間各有優缺點和適用范圍。

以工匠之心，攻克工程化難題

/ NEWS TODAY

目前，稀土已成為國內外關注的焦點之一，美國和日本等發達國家均將除Pm以外的16種稀土元素列為“稀土世紀的戰略元素”，加以戰略儲備和重點研究；歐盟發布的《歐盟危急原材料》《用于國防技術的原材料》，歐盟也將稀土列為對歐洲軍事防務、經濟發展至關重要的材料；稀土被廣泛應用于十大重點制造業領域，是支撐強國戰略不可或缺的關鍵材料。2023年內蒙古、江西、福建、甘肅、四川、廣西、山東、湖南等13個省二十多個市的政府工作報告中均對“稀土”的相關內容表達出高度關注。

因此，發展超高純稀土材料制備工程化技術及裝備，將有力推動稀土在超導材料、儲氫材料、通訊濾波器、平面顯示材料、新型熒光粉、OLED用鍍膜材料、閃爍晶體、大功率激光晶體和光纖材料等方面的快速發展。一方面，可以進一步提高我國稀土提純技術水平和稀土產業國際競爭能力，使我國高純稀土材料實現從跟跑到并領跑的跨越，促進我國磁、光、電等功能材料產業創新，直接經濟效益達百億，帶動下游產業規模達萬億，鞏固我國在世界稀土冶煉分離領域的領先地位；另一方面，有助于實現稀土高值化應用，拓寬稀土高端應用，增強原始創新底層支撐，解決受制于人的難題，為相關應用提供關鍵核心材料，對我國的國家安全經濟社會發展具有重要作用。

結語

時光荏苒，長達百年的探索歷程為高純稀土材料領域的科研人員帶來了寶貴的經驗，無論是制備技術研發，還是高端裝備研制，前方的道路注定不會一路無阻。我們有理由相信，既然我們能夠攻克稀土冶煉技術難題，并站在世界之巔，那么突破高純稀土材料的工程化制備技術及裝備也一定指日可待。

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