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《中国科学报》 (2012-05-10 A2 国际)

稀土元素(Rare Earth Elements,REE)从18世纪末叶开始陆续被发现,共有17种,包括化学元素周期表中的15种镧系元素——镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu),以及与镧系元素密切相关的两个元素钪(Sc)和钇(Y)。

研究人员还特别指出,该研究并非意味着在供给方面必然会出现问题,而是强调了开发新来源、提高在设备中的使用效率、寻找替代材料、开发循环利用等方面的重要性。

稀土危机从何而来?

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美国最近启动了本国稀土元素的开发,最著名的是位于加州莫哈韦沙漠东部的芒廷帕司稀土矿山(Mountain Pass,见上图),主要开采铈、钕等金属。该矿山曾经是世界上最大的稀土矿山之一,具有50多年的开发历史,超过50英亩(约合20万m²)的大型露天采坑。2002年由于环保问题,以及中国廉价出口的影响被迫关停,默默沉寂了10多年(图中的积水正是由于长期停工造成的)。

中国曾满足世界上95%的稀土金属需求。去年9月,中国政府暂停稀土对日本的出口两个月,世界倍感恐慌,纷纷加大对本国资源的安全控制。由于全球对稀土金属的强烈需求,美国稀土生产商和技术公司 Molycorp Minerals 去年12月重新启动了开采作业。该公司目前是西半球唯一的稀土金属生产商,也是中国之外屈指可数的稀土开发矿商之一。

但即使中国不采取限制性政策,美国加州芒廷帕司矿山全力恢复生产,全球性的稀土供不应求局面也很快会到来。特别是钕和镝,它们广泛用于产生强磁,是电动汽车、混合动力车和风力发电设备必不可少的组件。美国能源部预测,由于电动汽车和风力电厂的快速扩张,2015年将出现这些稀土金属的紧缺。

澳大利亚的一些矿山也在开发作业,跟美国的芒廷帕司稀土矿加在一起能够在某种程度上提高全球性供给,但还远不足以解决未来几年的稀土危机。

美国麻省理工学院材料系统实验室的Randolph Kirchain领衔的一项研究显示,随着全球对低碳能源和零碳能源的认同度不断提升,一些关键清洁能源技术的金属原材料供给瓶颈问题逐渐浮现出来。

稀土元素缘何性感?

如果你在手心粘上一小块钕磁铁碎片,手掌向下伸开,置于桌上。掌骨是人体磁性最强的部位,手掌骨被磁化后将在你的手背上形成一个强磁场。这时你胆敢在手掌和手背上各放上一块稍大的钕磁铁,强力的磁场可能生生把你的骨头弄裂!

这就是稀土元素的磁性特征。

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稀土元素被广泛应用于电子、石油化工、冶金、机械、能源、轻工、环境保护、农业等领域。应用稀土可生产荧光材料、稀土金属氢化物电池材料、电光源材料、永磁材料、储氢材料、催化材料、精密陶瓷材料、激光材料、超导材料、磁致伸缩材料、磁致冷材料、磁光存储材料、光导纤维材料等。

大多数稀土元素呈现顺磁性,比如钆在0℃时比铁具更强的铁磁性。某些稀土元素的磁性特征使其在电动汽车、混合动力汽车、风力发电,甚至国防工业等方面大显身手。用过苹果 iPad 2 的原装保护套就会到磁性是如此重要。而稀土金属所产生的永久性强磁则可以用“性感万分”来修饰。

该研究着重讨论了两种稀土元素:风轮机磁体上用到的钕和电动汽车发动机上用到的镝。这两种稀土元素尽管并不是使用最广泛的,但可能面临的供给瓶颈最大。一台3.5 MW的风轮机一般含有600 kg的稀土。传统汽车的稀土用量仅为0.5 kg左右,而电动汽车的用量则几乎有10倍之多。研究指出,未来25年,镝的需求量将增长2600%,钕的需求量将增长700%。

科研尝试应对危机

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美国的芒廷帕司稀土矿山山口处的氟碳铈矿原石

科学家正在努力研究改变铝、镍、铁和钴合金的结构,使用纳米级别铁-钴针状物和铝的合金来研发可能的替代品。但需要多久才能取得实质性成果,如何将理论研究推向工业材料学实践等等问题还在云雾之中。研究的终极目标是生产不含稀土金属的强磁体。令人沮丧的是,貌似没有任何物质能够替代稀土磁体,因为自1983年以来,尚且没有任何产品可以,哪怕是接近稀土磁铁的超级性能。

更为实际的是,科学家正在探索生产更高效的稀土磁铁产品。目前的工艺是加热压缩磁性物质,生产大型块体,尔后切割成预先设计的形状。这种加工工艺和流程,产生了大量的金属氧化物废渣,其中嵌有大量切割刀片的碎末;而这些废渣无法用来重新生产磁体。研究如何利用这些废渣,或者开发更好的工艺来直接成型产品而不产生废渣,将会为该行业带来福祉。

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