什麼是稀土?

2021-02-15 中科院地質地球所

近日中美貿易戰升級使得稀土成為了一個很熱的話題,發改委有關負責人回應新華社記者關於中國是否會將稀土作為武器反制美方打壓的問題時表示,如果有誰想利用我們出口稀土所製造的產品反用於遏制和打壓中國的發展,那麼稀土主要產地「贛南原中央蘇區人民、中國人民都會不高興的」。其中之意,不言而喻。

5月29日,環球時報在微博發起了一場國家級的炫富:

首先我們要明白,稀土(Rare Earth Elements)並不是土,它是一種重要的戰略資源和「工業維生素」,是二十一世紀高科技和功能材料寶庫。它們常以氟碳鈰礦以及獨居石等單礦物的形式存在,具有磁性和光學性質,可使電子器件的效率更高。

具體來看,稀土元素是對全部鑭系元素——鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉕(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)鑥(Lu)以及鈧(Sc)和釔(Y)共17種元素的合稱,位於元素周期表第III副族。

已知自然界中稀土礦物超過200種。最早發現稀土的是芬蘭化學家加多林(John Gadolin),他於1794年從一塊形似瀝青的重質礦石中分離出第一種稀土「元素」(釔土,即Y2O3)。因為18世紀發現的稀土礦物較少,當時只能用化學法製得少量不溶於水的氧化物,歷史上習慣地把這種氧化物稱為「土」,因而得名稀土。

通常把鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪稱為輕稀土;把鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥、釔稱為重稀土。鈧既不屬於輕稀土,也不屬於重稀土。

根據礦物特點可分為鈰組和釔組,鈰組(輕稀土):鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤和銪。釔組(重稀土):釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥和釔。

稀土主要應用於軍事、冶金、石油化工、玻璃陶瓷、新材料等領域。數據顯示,在我國,一半以上的稀土被用於軍事和新材料。

如果沒有稀土,我們將不再有電視屏幕、電腦硬碟、光纖電纜、數位相機和大多數醫療成像設備。如果沒有稀土,人類就將告別航天發射,全球的煉油系統也將停擺。

作為「現代工業維生素」, 稀土有豐富的磁、光、電特性,為人類提供了打開現代新材料寶庫的鑰匙。這些材料主要包括稀土永磁材料、稀土催化材料、發光材料、貯氫材料、磁製冷材料、光導纖維、磁光存儲材料、巨磁阻材料、稀土雷射材料、超導材料、介電材料等。

這些材料在航空、航天、信息、電子、能源、交通、醫療衛生等13個領域、40個行業得到了廣泛的應用,所以稀土也有「現代工業維生素」之稱,很形象地描述了稀土對於現代工業的重要性。

作為戰略元素的稀土,雖然軍事利用在稀土消耗總量中並不佔主要位置,但稀土的開發利用確實大大促進了軍事科技的發展。局部戰爭,特別是未來局部戰爭從一定意義上講已經成為稀土的利用能力之戰。

比如,鉺、釹等稀土元素都在雷射測距領域發揮著重要作用。摻鉺的雷射晶體輸出的雷射大氣傳輸性能較好,對戰場的硝煙穿透能力較強,並且不易被敵人探測,照射軍事目標的對比度較大,已製成軍事上用的對人眼安全的可攜式雷射測距儀。美軍使用的M1A1坦克的雷射測距儀由於摻用了稀土元素,可以達到4000米的瞄準距離,一般可以先敵2000米發現對方。此外,M1A1坦克擁有可以射穿700毫米裝甲的貧鈾穿甲彈以及更厚的稀土裝甲鋼,其橫向衝擊值比一般使用的碳鋼提高了70%至100%。

M1A1主戰坦克

除了鉺,美軍的步兵和近戰武器系統的夜視設備中還大量摻用了鑭。鑭本身並不發光,但可以作為發光元素製造閃爍晶體,設備加入鑭元素後,就像人的肉眼加上望遠鏡,不僅可以看得更遠,同時鑭的特性還可以讓人在黑暗的條件下看清楚面前的物體。

在民用領域,鑭主要用於製造特種合金精密光學玻璃,高折射光學纖維板,適合做攝像機、照相機、顯微鏡鏡頭和高級光學儀器稜鏡等。但是鑭的特性使其在軍事上有廣泛用途,特別是夜視設備。

製造智慧型手機運用到的一些稀土材料

此外,稀土已經成為先進戰鬥機製造中的必需材料。比如戰機實現超音速巡航,就需要稀土材料製造的發動機,以及含有稀土成分的機身,否則它在起飛後肯定毀滅於自己強大動力當中。大型航空、太空飛行器使用稀土合金已經成為共識。以空客A380、波音787這些世界上最大的飛機為例,其機體特別是機翼都是稀土合金材料。而大型客機一般都可以用於改裝轟炸機和運輸機。

稀土在美國各行各業的用處

目前,美國等西方國家將元素周期表裡的32個元素列為戰略元素,17種稀土中,除人造的鉕之外所有16種元素均位列其中,佔所有戰略元素的一半,可見稀土作為戰略元素,在西方軍事裝備當中的重要地位和意義。

中國是名副其實的世界稀土資源較大的國家之一,已探明的稀土資源量約6588萬噸。國務院新聞辦2012年發布的《中國的稀土狀況與政策》白皮書顯示,我國稀土儲量約佔世界總儲量的23%。中國稀土資源不但儲量豐富,而且還具有礦種和稀土元素齊全、稀土品位及礦點分布合理等優勢,為中國稀土工業的發展奠定了堅實的基礎。中國稀土資源成礦條件十分有利、礦床類型單一、分布面廣而相對集中。

一直以來中國稀土礦藏豐富,佔據四個世界第一:儲量第一、產量第一、出口量第一和消費量第一。中國之所以成為稀土大國,除了以量取勝,更重要的是在稀土的開採和提煉環節,中國積累了相當大的優勢。中國不光有稀土礦,最重要的是還有稀土產業鏈,這是全世界最領先的。鄧小平總設計師曾說:「中東有石油,中國有稀土。」中國稀土大國的地位,一語道明。

中國的稀土資源主要分布在內蒙古、江西、廣東、廣西、四川、山東等地,並具有「北輕南重」(北方輕稀土為主、南方重稀土為主)的分布特點。 其中內蒙古白雲鄂博的鐵、鈮、稀土共生礦床中,輕稀土佔比大於90% ,儲量約為世界總儲量的一半,白雲鄂博也被稱為「稀土之都」。

美國稀土資源是世界稀土礦儲存最多、種類最齊全的,儲藏量較大的主要有氟碳鈰礦、獨居石以及作為副產品回收的黑稀金礦、矽鈹釔礦和磷釔礦。位於加利福尼亞的聖貝迪諾縣的芒廷帕斯礦床(Mountain Pass),該礦山1949年勘探放射性礦物時發現,稀土品位為5~10%(REO),儲量達500萬噸之多(佔全球百分之十三),為一大型稀土礦床。

自20世紀60年代中期以來,芒廷帕斯礦長期供應著世界一半以上的稀土產量,20世紀80年代,中國開始進入世界稀土供應市場,但直至90年代初期,芒廷帕斯一個礦山的稀土供應量一直可以與整個中國在世界市場的供應量相匹敵。1995年之後,中國在國際市場上的稀土供應持續暴漲,並低價競爭,芒廷帕斯礦不敵中國的競爭,於2002年關閉。

芒廷帕斯稀土礦鳥瞰圖

美國很早就開採獨居石,開採的砂礦量為佛羅裡達州的格林科夫斯普林斯礦。礦床長約19km,寬1.2km,厚為6m,獨居石較為豐富。此外,北卡羅來納州、南卡羅來納州、喬治亞州、愛達荷州和蒙大拿州也有砂礦分布,儲量也相當可觀。不過美國早已關閉了87家大型稀土礦,包括2002年關閉全球最大的芒廷帕斯礦山。美國87家礦山如果全部開工,可以滿足世界稀土礦280年的商業性需求。中國限制稀土出口後,美國一些礦山重新開工,其中芒廷帕斯礦山於2012年8月底重新開始運作。

 

印度主要礦床是砂礦。印度的獨居石生產從1911年開始,最大礦床分布在喀拉拉邦、馬德拉斯邦和奧裡薩拉邦。有名礦區是位於印度南部西海岸的恰瓦拉和馬納範拉庫裡奇稱為特拉範科的大礦床,它在1911~1945年間的供礦量佔世界的一半,是稀土礦重要的產地。1958年在鈾、釷資源勘探中,在比哈爾邦內陸的蘭契高原上發現了一個新的獨居石和鈦鐵礦礦床,規模巨大。印度獨居石釷含量高達8%ThO2。在馬納範拉庫裡奇採的重砂獨居石佔5~6%。鈦鐵礦佔65%,金紅石3%,鋯英石5~6%,石榴石7~8%。

俄羅斯的稀土儲量很大,主要是伴生礦床位於科拉半島,存在於鹼性巖中的含稀土的磷灰石。俄羅斯的主要稀土來源就是從磷灰石礦石中回收稀土,此外,在磷灰石礦石中,還可回收的稀土礦物有鈰鈮鈣鈦礦,含稀土為29~34%。另外,在赫列比特和森內爾還有氟碳鈰礦。

20世紀60年代,由於國內稀土生產工藝和技術十分落後,那段時期是美國壟斷了全球稀土資源的供給,我國只能低價向外國出口稀土礦,然後再高價進口稀土製品。一些國家把稀土生產技術作為高度機密對中國實行封鎖,中國對於如此重要的礦產資源,只能把它當作一種最原始的原料賤賣給掌握核心開發利用技術的國家,嚴峻的現實迫使中國加快稀土分離和提純技術的開發。在關鍵時候,總有一些「脊梁」們挺身而出。

1972年,「中國稀土之父」徐光憲開始了中國稀土分離提純技術領域「前無古人」的嘗試。17種稀土元素的化學性質極為相似,分離提純十分困難,當時國際上稀土分離的主流選擇是「離子交換法」和「分級結晶法」,兩種方法分離成本均很高,提煉出的稀土元素純度較低,不適合大規模的工業生產。

「中國稀土之父」徐光憲與夫人在實驗室工作

1975年,他經過刻苦攻關,提出了串級萃取理論,鐠、釹分離係數打破了世界紀錄,在國際上首次實現了用推拉體系高效率萃取分離稀土的工業生產。2008年,徐光憲獲得「國家最高科學技術獎」,被譽為「中國稀土之父」。也由於技術突破,從上世紀90年代初起,中國單一高純稀土大量出口,使國際市場的稀土價格大幅下降,一些國外生產商不得不減產、轉產甚至停產。中國實現了從稀土資源大國向生產大國、出口大國的轉變。

中國稀土發展到現在,實際上其在全球稀土行業中的地位,並非依賴儲量或開採量的「以量取勝」,而是建立在開採和提煉等環節的成熟技術以及生產效率優勢,中國的稀土行業要保持競爭力,必須繼續高度重視技術創新與迭代。專注稀土產業的諮詢公司ThREE調查發現,2011年以來,中國每年的稀土專利申請量超過世界其他國家的總和,預計到2021年初,中國累積的稀土專利數量將超過其他國家之和。

這種積極態勢卻並非輕易得來,我們也曾遭遇過「資源陷阱」。如上文中國稀土的發展歷程中提到,上世紀60年代是美國壟斷了全球稀土供給,中國只能低價大量出口稀土礦,再高價進口稀土製品。中國加快稀土分離和提純等技術的開發後,局面才有了改觀。

在中國稀土以「白菜價」大量出口的年代,美國、澳大利亞、加拿大等擁有稀土礦的國家普遍限制或停採本國稀土礦,而是從中國進口搞起了戰略儲備,囤積量巨大。資源匱乏的日本更是早就把稀有礦產資源的儲備放到戰略位置。而且,隨著稀土的重要性和價格的上漲,稀土應用技術的研發也在加快,稀土回收、減量使用稀土的技術以及稀土替代技術都在積極摸索,這也是西方擺脫稀土依賴的路徑。美國近幾年恢復了發展稀土元素(REEs)的可行性研究,尤其是投入巨資,設立多個項目組,加大了從煤炭和煤炭副產品中回收稀土元素的研究工作。

因此在這些事實的基礎上,我們在尋求反遏制手段的同時,不可盲目自信,需時刻清醒地認識到,如果中國驟然實施管制,短期內美國必遭衝擊,但若想單靠稀土一招扼住美國的喉嚨,恐怕是很困難的。正如我國華為早已籌備自己的備用晶片,美國也在準備自己的反制手段。大國競爭從來都是綜合實力和國家意志的長期較量,當今情勢之下,我們更需要的是踏踏實實地做好自己的事情,抱有必勝信念的同時,也要做好持久作戰的準備。

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