高純稀土之光：科技領(lǐng)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(lǐng)域的材料基礎(chǔ)，但提純難度大，相關(guān)技術(shù)被國(guó)外掌控。亟需解決高純稀土材料純化工程化、關(guān)鍵敏感雜質(zhì)痕量去除技術(shù)難題及核心裝備制造，保障我國(guó)重大工程領(lǐng)域關(guān)鍵核心材料的自主可控，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為技術(shù)優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。

黃小衛(wèi)

中國(guó)工程院院士

中國(guó)有研科技集團(tuán)首席科學(xué)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(jì)17種金屬元素的總稱。稀土元素因其豐富而又獨(dú)特的磁、光、電等物理化學(xué)性質(zhì)，被譽(yù)為“現(xiàn)代工業(yè)維生素”和“21世紀(jì)新材料寶庫(kù)”，已成為全球公認(rèn)的重要戰(zhàn)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(chǎn)品的質(zhì)量和性能，已被應(yīng)用于航天、航空、信息、電子、能源、交通、醫(yī)療衛(wèi)生等10多個(gè)領(lǐng)域的40多個(gè)行業(yè)。

隨著科技的發(fā)展以及對(duì)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(lái)體現(xiàn)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(yīng)用在發(fā)光材料、晶體材料、光纖材料、光學(xué)玻璃、固態(tài)電池、電子材料等高科技領(lǐng)域。高純稀土氧化物中氧化釹、氧化鉺等廣泛應(yīng)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(yīng)用于生產(chǎn)玻璃著色劑、玻璃拋光粉、稀土發(fā)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(xué)性能和能級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光放大，實(shí)現(xiàn)光增益，實(shí)現(xiàn)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(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽埽饕糜赑ET-CT核醫(yī)學(xué)、高能物理、工業(yè)無(wú)損探傷、靜態(tài)數(shù)字成像及核探礦等領(lǐng)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(zhì)基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工、新能源汽車、集成電路、新型顯示及5G通訊等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。其中高純金屬鈧主要用于制備鋁鈧合金靶材，經(jīng)磁控濺射后生產(chǎn)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(tǒng)寬帶、高頻的應(yīng)用需求，廣泛用于5G通訊濾波器、雷達(dá)濾波器。

▲稀土氧化物的具體應(yīng)用

稀土元素分離敲開(kāi)啟蒙時(shí)代的大門(mén)

蓋施耐德（K.A.Gschneider）把稀土冶金及其應(yīng)用開(kāi)發(fā)分成三個(gè)時(shí)代：搖籃時(shí)代（1787年~1949年），啟蒙時(shí)代（1950~1969年）與黃金時(shí)代（1970年~現(xiàn)在）。

稀土的黃金時(shí)代開(kāi)啟之后，中國(guó)的稀土工業(yè)迅速崛起。中國(guó)憑借擁有世界上最大稀土資源以及資源質(zhì)量好、品種全、易開(kāi)采的優(yōu)勢(shì)，加上技術(shù)的進(jìn)步（張國(guó)成院士、黃小衛(wèi)院士等開(kāi)發(fā)的第三代硫酸法），自1986年起稀土的生產(chǎn)量超過(guò)了美國(guó)，成為了世界上最大的稀土生產(chǎn)國(guó)。隨后中國(guó)稀土產(chǎn)品迅速向高純、高附加值方向轉(zhuǎn)化，積極參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，促使世界范圍內(nèi)的稀土產(chǎn)品的第三次大降價(jià)。

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)稀土工作者根據(jù)稀土資源的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一系列具有原創(chuàng)性的稀土提取分離技術(shù)并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，我國(guó)稀土采、選、冶技術(shù)世界領(lǐng)先，各個(gè)時(shí)代應(yīng)運(yùn)而生的代表性成果有力推動(dòng)了我國(guó)稀土工業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，我國(guó)建立了較完整的稀土采、選、冶、分離提純、稀土材料與應(yīng)用工業(yè)體系和產(chǎn)業(yè)鏈，已成為全球最大的稀土資源國(guó)、生產(chǎn)國(guó)、出口國(guó)和應(yīng)用國(guó)。目前，我國(guó)稀土冶煉分離產(chǎn)品產(chǎn)量占全世界的85%以上，在提取分離技術(shù)、原料供應(yīng)及國(guó)際貿(mào)易等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

▲（a）高純稀土合金靶材；（b）雷達(dá)；（c）新型顯示面板；（d）華龍一號(hào)

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(jiǎn)單地理解為去除稀土材料中的雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)稀土與雜質(zhì)分離，達(dá)到純化的目的，從而制備出高純度的稀土材料。自發(fā)現(xiàn)稀土元素以來(lái)，稀土元素的分離純化研究工作一直沒(méi)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(zhì)接近往往有較多的稀土元素賦存在一起，同時(shí)，稀土中雜質(zhì)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(guò)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(dú)提取、同時(shí)在分離多種類型雜質(zhì)具有極大的難度。目前，與稀土分離有關(guān)的技術(shù)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(qū)域熔煉等技術(shù)進(jìn)行金屬提純，各項(xiàng)技術(shù)之間各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。

以工匠之心，攻克工程化難題

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目前，稀土已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)之一，美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家均將除Pm以外的16種稀土元素列為“稀土世紀(jì)的戰(zhàn)略元素”，加以戰(zhàn)略儲(chǔ)備和重點(diǎn)研究；歐盟發(fā)布的《歐盟危急原材料》《用于國(guó)防技術(shù)的原材料》，歐盟也將稀土列為對(duì)歐洲軍事防務(wù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要的材料；稀土被廣泛應(yīng)用于十大重點(diǎn)制造業(yè)領(lǐng)域，是支撐強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略不可或缺的關(guān)鍵材料。2023年內(nèi)蒙古、江西、福建、甘肅、四川、廣西、山東、湖南等13個(gè)省二十多個(gè)市的政府工作報(bào)告中均對(duì)“稀土”的相關(guān)內(nèi)容表達(dá)出高度關(guān)注。

因此，發(fā)展超高純稀土材料制備工程化技術(shù)及裝備，將有力推動(dòng)稀土在超導(dǎo)材料、儲(chǔ)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(fā)展。一方面，可以進(jìn)一步提高我國(guó)稀土提純技術(shù)水平和稀土產(chǎn)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力，使我國(guó)高純稀土材料實(shí)現(xiàn)從跟跑到并領(lǐng)跑的跨越，促進(jìn)我國(guó)磁、光、電等功能材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)百億，帶動(dòng)下游產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)萬(wàn)億，鞏固我國(guó)在世界稀土冶煉分離領(lǐng)域的領(lǐng)先地位；另一方面，有助于實(shí)現(xiàn)稀土高值化應(yīng)用，拓寬稀土高端應(yīng)用，增強(qiáng)原始創(chuàng)新底層支撐，解決受制于人的難題，為相關(guān)應(yīng)用提供關(guān)鍵核心材料，對(duì)我國(guó)的國(guó)家安全經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要作用。

結(jié)語(yǔ)

時(shí)光荏苒，長(zhǎng)達(dá)百年的探索歷程為高純稀土材料領(lǐng)域的科研人員帶來(lái)了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，無(wú)論是制備技術(shù)研發(fā)，還是高端裝備研制，前方的道路注定不會(huì)一路無(wú)阻。我們有理由相信，既然我們能夠攻克稀土冶煉技術(shù)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(shù)及裝備也一定指日可待。

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