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，保障我國重大工程領(lǐng)域關(guān)鍵核心材料的自主可控，實現(xiàn)資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為技術(shù)優(yōu)勢和產(chǎn)品優(yōu)勢。

黃小衛(wèi)

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(zhì)，被譽為“現(xiàn)代工業(yè)維生素”和“21世紀新材料寶庫”，已成為全球公認的重要戰(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，已被應用于航天、航空、信息、電子、能源、交通、醫(yī)療衛(wèi)生等10多個領(lǐng)域的40多個行業(yè)。

隨著科技的發(fā)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(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用在發(fā)光材料、晶體材料、光纖材料、光學玻璃、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(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，可改變光纖的光學性能和能級結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)光放大，實現(xiàn)光增益，實現(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能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，主要用于PET-CT核醫(yī)學、高能物理、工業(yè)無損探傷、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(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(fā)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(xiàn)在）。

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

多年來，國內(nèi)稀土工作者根據(jù)稀土資源的特點，開發(fā)了一系列具有原創(chuàng)性的稀土提取分離技術(shù)并實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應用，我國稀土采、選、冶技術(shù)世界領(lǐng)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(yè)的進步和發(fā)展。歷經(jīng)幾十年的發(fā)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(yè)體系和產(chǎn)業(yè)鏈，已成為全球最大的稀土資源國、生產(chǎn)國、出口國和應用國。目前，我國稀土冶煉分離產(chǎn)品產(chǎn)量占全世界的85%以上，在提取分離技術(shù)、原料供應及國際貿(mào)易等方面具有明顯優(yōu)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(zhì)，實現(xiàn)稀土與雜質(zhì)分離，達到純化的目的，從而制備出高純度的稀土材料。自發(fā)現(xiàn)稀土元素以來，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(zhì)接近往往有較多的稀土元素賦存在一起，同時，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(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)進行金屬提純，各項技術(shù)之間各有優(yōu)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(nèi)外關(guān)注的焦點之一，美國和日本等發(fā)達國家均將除Pm以外的16種稀土元素列為“稀土世紀的戰(zhàn)略元素”，加以戰(zhàn)略儲備和重點研究；歐盟發(fā)布的《歐盟危急原材料》《用于國防技術(shù)的原材料》，歐盟也將稀土列為對歐洲軍事防務、經(jīng)濟發(fā)展至關(guān)重要的材料；稀土被廣泛應用于十大重點制造業(yè)領(lǐng)域，是支撐強國戰(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個省二十多個市的政府工作報告中均對“稀土”的相關(guān)內(nèi)容表達出高度關(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(fā)展。一方面，可以進一步提高我國稀土提純技術(shù)水平和稀土產(chǎn)業(yè)國際競爭能力，使我國高純稀土材料實現(xiàn)從跟跑到并領(lǐng)跑的跨越，促進我國磁、光、電等功能材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，直接經(jīng)濟效益達百億，帶動下游產(chǎn)業(yè)規(guī)模達萬億，鞏固我國在世界稀土冶煉分離領(lǐng)域的領(lǐng)先地位；另一方面，有助于實現(xiàn)稀土高值化應用，拓寬稀土高端應用，增強原始創(chuàng)新底層支撐，解決受制于人的難題，為相關(guān)應用提供關(guān)鍵核心材料，對我國的國家安全經(jīng)濟社會發(fā)展具有重要作用。

結(jié)語

時光荏苒，長達百年的探索歷程為高純稀土材料領(lǐng)域的科研人員帶來了寶貴的經(jīng)驗，無論是制備技術(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(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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