中國稀土之釹元素,超強磁鐵打造現代生活!

2020-12-15 東城觀星

中東有石油,中國有稀土,中東的石油正面臨低價,中國的稀土卻供不應求。隨著高科技產業的發展,工業領域對稀土的需求只增不減。稀土中需求量最大的元素,就是排行第四的釹元素,我們可以叫她四姑娘。這個名字可不是白叫的,人家釹和硝酸反應可以生成一種粉紅色的化合物。

鑭鈰鐠釹鉕釤銪,釓鋱鏑鈥鉺銩鐿鑥,鑭系家族一共有十五個元素,加上釔元素就是我們通常說的稀土元素。這些元素化學性質非常接近,除短壽命元素鉕以外,其他元素在地球上不分家,通常都集中在一起,自然界沒有單一稀土元素的礦。這些元素的氧化物也叫稀土,其實它們並不都那麼稀缺,地球上最多的鈰、鑭、釹三個元素,在地殼中的含量比鎢、錫、鉬、鉛、鈷還高。四姑娘釹的地殼含量跟我們熟悉的銅的含量差不多,但釹要想形成礦藏可比銅困難多了。稀土元素屬於分散元素,全世界到處都有稀土元素,但很難富集成礦藏,所以我們一般人都覺得它們非常稀有。世界範圍內,稀土礦產資源比較集中,主要儲量和產量都在中國。我國的內蒙古白雲鄂博有世界最大的稀土礦,也是釹的主要產地之一。

一、釹鐵硼磁鐵是釹元素最大的應用

釹元素最大的應用就是製造性能優良的磁鐵,這種磁鐵叫釹鐵硼磁鐵,它是目前已發現的磁性最強的永磁鐵。這種磁鐵磁性特別強,兩個比粉筆還小的磁鐵就能夠穿過人類的手掌相互吸住。直接吸在一起的兩個小磁鐵棒,一般女性都難以把它們直接分開。由於這種磁鐵磁性太強了,很多玩客專門買這種磁鐵做各種有趣的實驗,比如用兩塊磁鐵夾碎一些常見的生活用品、跟超強磁鐵拔河等,樂此不疲!

當然,這麼強的磁鐵可不是僅僅能用來玩的,它在現實中的應用非常廣泛。小到話筒耳機,大到高鐵輪船,都能用到這種永磁鐵。可以說釹鐵硼永磁鐵的發現和應用,為我們帶來了精緻便捷的現代化生活。

我們的電腦要用到硬碟,硬碟要想正常工作,必須有一個電機帶動碟片高速轉動。那麼小的一個電動機每分鐘能帶著大磁碟 轉動7200轉,這是多麼驚人的能力啊。要想獲得這種能力,一般的磁鐵是做不到的,必須用釹鐵硼磁鐵。這麼高的轉速,還不是它的極限。搞科研的朋友們好多都用過高轉速的離心機吧,有些離心機轉速能夠達到每分鐘十萬轉,這樣的轉速,釹鐵硼磁鐵做成的電動機直接就可以實現。

我們用到的手機,都有震動功能,在寸土寸金的手機內部發揮震動功能的電動機一定非常小,這就要求磁鐵的磁性非常強,當然是釹鐵硼的領地了。汽車雨刷的電動機,也是非常小的,但力氣卻很大。還有,一些高檔手機的外放功能越來越強,音質越來越好,而外放的喇叭卻很小,不用說你也能猜到,也是釹鐵硼磁鐵帶來的效果!另外,有些音樂明星訂製的話筒非常昂貴,一個話筒就能值十幾萬二十萬,可不僅是因為外殼漂亮,而是收音效果非常棒,當然發揮重要作用的依然是釹鐵硼磁鐵。

我們國家大力發展新能源汽車,其中電動汽車被認為是取代燃油汽車的最佳選項。但是要想取代燃油汽車,得達到燃油汽車的性能。這要求汽車的電動機的動力強勁、節能省電、轉速快。目前來說,釹鐵硼磁鐵在高檔電動汽車領域裡應用還是很廣泛的,給電動汽車帶來了非凡的性能。比如,我國比亞迪公司新生產的比亞迪漢汽車,百公裡加速只需3.9秒。更恐怖的是,特斯拉Roadster百公裡加速只需1.9秒,這是燃油車難以實現的成績。

除了新能源汽車,說到中國現代工業的名片,大家一定能想到高鐵!高鐵這麼快的速度,完全不是靠內燃機來實現的,而是靠電動機,這種電動機帶來的是安靜、高速而強勁的動力。除了高鐵以外,動車、地鐵等軌道交通工具也都是使用電動機來驅動的,其中釹鐵硼磁鐵製造的電機未來將佔據很大的份額。這還不算完,現在海上的輪船也有使用電動機驅動的趨勢。世界各國都在發展全電推動的艦船系統,把輪船的動力改成電動機驅動,內燃機只用來發電,甚至內燃機被核能取代,完全發展出環保的電動輪船。這要求電動機的動力非常強勁,目前釹鐵硼磁鐵製作出的電動機功率已經超過了百萬瓦,也就是一臺電動機相當於幾百個客廳空調的功率,或者是十臺家用轎車的動力。如此強勁的動力,將來必然帶來船舶領域的動力變革。

除了這些,釹鐵硼磁鐵在風力發電領域有非常廣泛的應用,未來會不會大面積應用到其他發電領域也是值得期待的。我們家裡安裝的變頻空調需要釹鐵硼磁鐵,很多小家電需要釹鐵硼磁鐵,醫院裡的很多醫療設施需要釹鐵硼磁鐵,未來的電動機器人也需要釹鐵硼磁鐵,航空航天更需要釹鐵硼磁鐵。2011年美國用最後一個太空梭發射了阿爾法磁譜儀2,用於尋找反物質和暗物質。由於太空梭即將退役,磁譜儀的後期維護比較困難,國際合作研發團隊決定放棄用液氦冷卻的超導磁鐵,換用中國生產的釹鐵硼永磁鐵。該磁體內徑1.2米,重量2.6噸,中心磁場強度達到了1370高斯,相對來說地球表面的磁場強度大概是0.5-0.6高斯。當年發射時,國內媒體大量報導,引發了國人一波自豪感!9年了,這臺磁譜儀現在還在國際空間站上工作。

這麼強的磁鐵,原料主要來自中國,生產也主要在中國進行,日本、歐洲和美國的大公司為了更方便地獲得原材料,紛紛到中國開設合資工廠,為世界源源不斷提供功能強大且應用廣泛的釹鐵硼磁鐵。藉助這個領域的蓬勃發展,我國的新能源產業也得到了重要支撐,不用擔心別國卡脖子,風電、高鐵、電動汽車等都發展強勁。

二、釹鐵硼磁鐵的主要生產技術

說了這麼多好處,下面說說問題。要說磁鐵產業哪家強?中國釹鐵硼磁鐵供應量達到了世界的85%以上。但是,我國稀土產業和磁鐵產業,分為低端和高端。國內大部分企業在低端產業扎堆,技術含量低,相互之間惡性競爭,徘徊在盈利和虧損之間。

至於高端,技術門檻就會比較高了,雖然我國這些年在永磁鐵方面的研發力度很大,研發成果也很多,但最基礎的專利和標準都是日本、美國和歐洲企業掌控著的。前幾年我國的企業要麼就是購買人家的專利授權,要麼就是邊生產邊打官司。好在這兩年很多核心專利已經過了保護期了,中國企業才好受一些,可以涉足很多以前不能涉足的領域了。

你可能說了,不就是一個磁鐵嗎,成分大家都知道,工藝也差不多弄明白了,生產就完了,哪有那麼多的專利啊?還真不是這麼簡單!釹鐵硼磁鐵磁性雖強,但如果不做好保護的話,消磁也是很快的,不同領域使用的磁鐵生產工藝也不一樣。

首先,稀土元素屬於活潑金屬,特別容易被氧化,一旦氧化,磁性就沒有了。所以,不管是生產過程,還是製成成品,都是要做好防氧化的。敲碎釹鐵硼磁鐵,一般都能發現,表面那層亮晶晶的外殼只是一層保護膜。

其次,釹鐵硼磁鐵本身特別怕熱,受熱很容易消磁,這就大大限制了它的使用範圍。為了讓它能持久保持磁性,不容易受外界的影響,必須給釹鐵硼磁鐵增加保護機制。現有的做法之一,就是添加一定量的鏑元素或鋱元素。鋱元素是稀土元素中的老九,鏑元素是老十,它倆都是重稀土,在地球上儲量遠小於輕稀土。(註:輕稀土包括釹,重稀土包括釓鋱鏑鈥鉺銩鐿鑥和。中國北方稀土礦主要是輕稀土,南方有重稀土礦。)由於少,所以貴,添加他倆,就會增加磁鐵的生產成本。現在各國都在研究少添鏑和鋱或者不添鏑和鋱的技術,這方面日本和美國是比較領先的。

再次,釹鐵硼磁鐵,目前主要有三種不同的生產工藝,中國並不都佔優勢。第一種是燒結釹鐵硼技術,這是產量最大的釹鐵硼磁鐵,中國公司從產量上佔據比較明顯的優勢。但是惡性競爭也比較明顯。第二種是粘結釹鐵硼技術,這項技術生產的磁鐵主要應用於硬碟和光碟機的電動機。這項技術的難度比前面那個更高,掌握的公司比較少。之前核心專利被美國公司和日本公司掌握,後來核心專利過期了,中國一些企業產量越來越高。這項技術生產的磁鐵,中國也佔據70%多,近80%的產量。但是,合資公司佔據不小的比例。第三種,是熱壓/熱變形釹鐵硼技術。美國麥格昆磁是其原材料快淬磁粉的唯一供應商,日本大同電子是最大的MQ-Ⅲ磁體的生產商。中國公司正在入門中。

所以,中國雖然是稀土儲量最大的國家,釹鐵硼磁體產量最大的國家,技術積累比較靠前的國家,但是並不是技術壟斷的國家。

美日歐,雖然資源儲備不太充足,稀土提煉和分離技術也生疏了,但是在稀土應用領域的技術儲備還是很強的。很多先進的稀土材料專利還是掌握在美日歐企業手裡面的。

我國通過大力發展新能源產業,為國內企業快速發展創造了條件,湧現出了一批龍頭企業,比如三環公司就是我國最大的釹鐵硼磁體生產企業。近些年,我國的材料科學領域發展非常迅速,研究成果數量和專利數量都居於世界前列。未來中國佔據稀土材料產業鏈頂端是完全有可能的,後面我會陸續介紹稀土的其他應用。

國內的高科技企業只要不學狗不理,真心發展科技事業,還是能夠得到國家和人民支持的。

作為我們普通老百姓,要多支持國貨,支持國內高科技企業發展,更要好好培養我們的下一代為國家發展做貢獻。

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