稀土材料及技术替代策略分析

来源：中国稀土 2015年07月13日 10:12  

    近几年来有一个说法在稀土业内以较高频次被提及，那就是“替代”。人们常常讲到稀土材料被其他材料替代，或稀土材料或稀土应用技术替代了另外一些材料和技术。如何评价稀土材料及技术的替代，或者被替代，相应地产生何种效应，是下面要分析和讨论的话题。

    一、工程技术的发展史是技术创新和技术进步的历史，也是新技术、新材料、新产品替代老技术、老材料、老产品的历史。

    从人类文明的发展历史看，上面提到的替代从几千年前就开始了，如青铜工具取代石器，铁器又取代青铜器。到了近现代，这种替代愈发明显和加速，而且这种替代和被替代会生生不息地持续下去。一般来说，这种材料或技术的替代源于科学技术的进步，会产生更好的使用效果，更理想的性价比，并带来更低的资源或能源消耗。

    技术及产品替代可分为三种。第一种是系统替代或全面替代，如铁路牵引由蒸汽到柴油机再到电动车；第二种是改进型替代，如汽车发动机油耗因技术进步逐渐降低；第三种是所谓颠覆性替代或创新，如数码照相技术对胶卷相机的替代等等。

    稀土新材料的发展特别是永磁、发光等四种主要材料的发展，对上述覌点做出了最有力的诠释。让我们先从发光材料说起，1964年铕激活的钒酸钇(YVO4：Eu3+)问世，作为彩电的红粉，真正解决了多年来彩电粉中红粉性能缺失导致彩电屏色彩严重失真问题，从此令人赏心悦目的彩色电视取代黑白电视，人们共享视觉艺术的盛宴。1973年，稀土三基色荧光粉的推出，直到近几年日渐成熟的LED技术，使人类照明和显示进入了低耗高效的新时代。而1983年研发成功的第三代稀土永磁钕铁硼，其磁能积为铁氧体磁体的6-10倍，被称为磁王。它对其他已有的磁性材料岂止是替代，而是以其他材料难以企及的磁能积，优异的性价比，使众多的电磁应用产品如电机、HDDR、MRI、EPS等同时做到了轻量化和高使用性能。采用稀土永磁电机和稀土镍氢电池的混合动力汽车(HEV)，平均油耗下降20%-40%。如第三代普锐斯车，其油耗低至2.63升/百公里，而同类型车一般为6.3升/百公里。储氢材料、催化材料，还有其他各种稀土功能材料也都如此，都对原有技术或产品做出了破坏性或创新性替代，这是否定之否定的胜利，是灿烂的工业文明的一次又一次飞跃。

    二、宏观经济发展中的替代趋势及对稀土产业的影响

    宏观经济的发展进程呈现以下六个趋势：

    1、消费替代投资成为拉动经济增长的主要动力。如2011年我国最终消费对经济贡献率为55%，2012年为51.8%，2014年超过50%，对GDP的贡献率亦超过五成。

    2、内需替代外需过程加速，如1906年我国对外贸依存度65.2%，而2012年为47%，2014年更降为41.5%。

    3、服务业增长快于一、二产业增长，但我国第三产业占比仍低于发达国家。

    4、低碳经济替代高碳经济成为调整产业结构的主要目标，低碳和循环经济呼唤新技术、新产品的推出，乃至新的商业模式出现。

    5、城镇化与工业化带来更多商机和市场。

    6、以信息技术为代表的新兴技术和产业部分替代传统技术和产业，其中也不乏前者对后者的提升，并且对新材料、新技术、新装备提出了更高要求。

    面对以上六个宏观经济发展的重要趋势，稀土产业应危中寻机，难中求进，主动寻找市场，培育市场，恢复失去的市场，更好地在经济转型升级，高新技术对传统产业替代、迭代、改造的进程中，寻求自己的生存与发展空间。比如说，今后要更加重视稀土原材料在新一代信息技术中的应用，着力拓展稀土在机器人、数控机床、轨道交通、海洋工程装备、农机机械装备等领域的应用，扩大在3C产品等民用电子信息消费品中的消费量，巩固在新能源、新能源汽车中取得的成果，研发并生产高性价比稀土新材料，探索在生物工程、医疗保健设备，以及医药特别是外用药中的新应用。

    三、稀土在高新技术的发展和技术/产品替代中发挥了重要作用

    1794年芬兰化学家加多林发现稀土以来，稀土从“养在深闺人未识”到初步应用，再到发挥重要作用，迄今已有221年的历史了。1891年稀土及钍用于煤油灯罩应算是最早的或说初级的应用。随后的一二十年又有发火合金，及用于放映电影的弧光灯问世。1947年铈用于球墨铸铁，是铸造史上具有里程碑意义的发明。但真正在现代工程材料中的应用还是从上世纪60年代开始，代表产品主要有加入镧的高档光学玻璃，以及SmCo5磁体，这一磁体的应用使大中型火箭制导系统轻量化和精确化。而其后每10年左右，就有一种重要稀土新材料问世，如1970年的LaNi5，1983年的钕铁硼磁体，1996年的白光LED等等。这些稀土新材料、新技术对原有材料和技术的替代，在功能材料及结构材料历史上，一次次刷新产品相关指标的记录，并推动相关元器件和整机性能的全面提升。使得以电机、显示器、充电电池、3C产品等为代表的新产品，不断地向轻量化、高性能、高效率、低能耗方向发展。

    四、各国实施稀有、稀土资源替代策略和措施的状况

    多年来各发达国家十分重视制定稀有、稀土资源替代策略和措施，并加大实施力度。如日本相关的替代重点有如下内容：电子材料方面注重以锌替代铟，用来生产透明电极；寻找鎵、锡的替代材料；在催化剂领域开展金属有机化合物替代铂；在切削刀片方面用钛部分取代钨。在稀土的替代方面，则是在钕铁硼中对镝的替代和减量化，发光材料中对铽的替代等。2007年日本文部科学省、经产省就提出了“元素战略计划”，“稀有金属替代材料”计划。2011年日本经产省向企业界发放了421亿日元补贴，用于稀土减量化技术开发和稀土回收利用技术，110个公司的160个项目受益。2013年9月，日本文部省、经产省组织启动超级计算机“京”，研究利用稳定开采的天然资源代替稀土，以生产性能相同或相近的新材料，主要考虑采用钠、硅、钙等20种储量丰富的常见元素。东大等高校及科研单位2500人参与研发。美国、德国等国家也有类似的项目和可观的投入。

    从稀土替代的效果看，2011年日本东京大学开发了无稀土强力永磁体，可用于混合动力车和家电；2012年5月，日本信越化工称渗镝工艺成功用于钕铁硼材料，空调用稀土永磁用镝量减半；而美国钼公司与Boulder Wild公司开发了少用或不用镝的风力发电机。

    五、对其他稀有金属的替代比稀土更紧迫

    人们经常讲稀土如何稀缺，要重视对稀土的替代。其实稀土不稀，更为稀缺的资源所在多有。“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。作为稀土圈内的业内人士，也包括众多关心稀土的粉丝，应该知道更需要替代的资源不是稀土，而是铟、锑、铋、锗、锡、镓等为代表的其他稀有金属。这些稀有金属虽不像贵金属铂、铑、钯等那么稀少而昂贵，但它们的地球储量也大大少于稀土。它们的丰度值如下(PPM):铟0.049，锑0.2，铋0.048，锗1.8，锡2.2，镓18。最能说明问题的是时下最火的锂离子电池的锂资源，锂的丰度只有20ppm，那么稀土是多少呢？铈+镧+钕+镨=68+32+38+9.5=147.5，是锂的丰度的7.37倍。还有大家很熟悉的铅，可能认为它并不稀缺，而实际上铅的丰度只有14ppm，而钕的丰度是38，那么有谁能想到铅还比钕更稀少呢？而铂、铑、钯分别为0.003，0.0002，0.0006，稀土中的低丰度元素钬为1.4，铽为1.1，铽的丰度是銠的5500倍。当然以上数据是各元素在大陆上的地壳中的丰度，上地壳的资源是较易开采的，而不少元素在大陆中地壳和大陆下地壳的分布与上地壳仅略有差异而已。

    再从与现代工程材料常用的几种资源来看，它们的可开采年限大大低于稀土的可开采量，这也是很容易被人们忽略的基本事实。比如铟的可采年限为10年，铂为15年，钨为23年，而锑只有5年，这真是令人难以置信。当然还有很多元素，开采年限也只有十几到几十年的时间。全球稀土储量至少在1亿吨以上，按年采15万吨，则可采年限为666年。需要指出的是，上述年限都是估算的静态数据，今后会有新的可采资源被发现，随着技术的进步和对稀缺资源价格的宽容度的提升，动态的使用年限一般都会被延长，甚至延长很多，其中也包括稀土。

    从上面的基本数据和基本态势的描述中，我们应该得出稀土及其他稀有、稀贵、稀散金属的“庐山真面目”，那就是我们这个星球上比稀土还要稀少的资源还有很多，那么结论自然应该是：保护好行将耗尽的稀有、稀贵、稀散资源。寻找储量较大、开采年限较长的资源去替代它们，还有一条结论应该是开发用稀土尤其是轻稀土去取代更稀缺的资源(元素)的新技术。

    六、稀土材料被替代的原因分析

    多年来发达国家用其他原材料替代稀土的呼声不绝于耳，各国的很多举措也加大替代稀土和稀土减量化研究的力度。2011年之后这种趋势尤为明显。究其原因不外乎以下几条：

    一是稀土原料供应出现的特定情况。从上世纪80年代中期以后，中国成为全球最大的稀土供应国。长期以来，中国以全球23%的储量，供应了全球稀土需求量的90-97%。为保护资源和减少环境污染、恢复生态，实行了两个指令性计划，并设置了出口配额和相应的关税。尽管出口配额基本满足了国外需求的量甚至还用不完，尽管我们做出了环境和生态的巨大牺牲，但稀土主要消费国家还是不满意。他们在WTO锲而不舍地拿配额及关税说事，同时加大中国以外的稀土资源开采。在这种半是虚构的所谓稀土供应有问题的思维支配下，大力推出稀土替代就是不足为怪的了。

    二是曾经的价格剧烈波动引发了替代。这一现象以2011年为典型。当时确实因高价(或天价)稀土，给当时迅猛发展的钕铁硼为代表的新材料浇了一盆冷水，原本用铁氧体等老材料被高性能的稀土材料替代的大好局面，变成了返回了老材料的逆向替代，从而丢失了不少培育了二十余年的钕铁硼市场。而恢复失地则是步履艰难。

    三是由于技术或技术集成的变化造成稀土材料被替代，对于普遍具有高性价比的稀土新材料而言，这种情况并不多见。典型的案例是格力集团的相关技术。格力+获广东省科技进步特等奖的无稀土永磁材料的空调电机及控制技术，采用同步磁阻电机及控制技术，比稀土变频机能源效率提高7.3%，抗退磁能力提升41%，成本下降22%，震动和噪声也明显降低。这种替代在技术上讲属于一种系统替代，既基本技术或技术原理发生改变，从而导致材料及设备都发生根本性的变化。一般来说从材料到技术到装备全面地被替代。

    四是重稀土元素如镝、铽因资源相对紧缺，价格相对高企而引发了替代或减量化技术的发展。所幸的是目前镝、铽等中重稀土供应已不再紧张，价格也可接受，在高端钕铁硼生产中很难被完全取代。

    七、下面我们做一个简单的总结

    稀土发展史是一部科技创新史，也是稀土新技术、新材料、新装备对原有技术、材料和装备的替代的历史。

    上述替代包括改进性替代，主要源于工程化技术的提升；也包括全面替代或颠覆性替代，主要源于基础研究或应用基础研究；

    稀土新材料推广及应用，具有巨大的经济效益和环境生态效益，并远远大于稀土新材料产生自身的效益；

    与某些稀有、稀贵、稀散金属相比，稀土在地壳中的丰度比较高，稀土资源可使用年限要长的多，因而锗、铟、铋、镓、钌、铑、钯等元素的替代及减量化技术的开发显得更为重要和紧迫；

    稀土原材料对原有原材料的替代，具有优异的性能和性价比，并显著提高相关产品的符合性能，而且一般来说稀土原材料很难被替代，或替代后会牺牲性能或降低性价比；

    稀土上中下游企业应良性互动、共同发力，扩大稀土在中高端功能材料，及优质结构材料中的应用领域和应用量。特别要注意恢复、培育、发展以钕铁硼为代表的主要稀土材料的市场，争取更大的发展空间。稀土业内人士要努力避免稀土被替代，同时在更强更优的新一代材料出现之前，绝不轻言对稀土的替代。