近期,美国与乌克兰之间关于矿产资源的合作协议成为焦点,尤其是其中涉及的稀土元素,引发了全球关注,也反映了稀土在全球科技竞争和产业链中的战略地位。稀土并不是普通意义上的“土”,而是镧系元素(共15种)以及钪和钇这17种金属元素的统称。这些元素具有独特的电子层结构,赋予了它们独特的物理和化学性质,在现代经济与国防科技中占据着至关重要的地位。
稀土是高科技产业的核心材料,推动全球技术创新和产业升级,也是先进武器系统、雷达、导弹、卫星和隐身技术中不可或缺的关键材料,直接关系到国家的军事优势和国防安全。因此,确保稀土供应链的稳定已成为各国在经济与国防战略中的重中之重。
稀土元素在磁性材料、催化剂、光学材料、中子吸收材料、储氢材料、航空航天合金材料等方面发挥着不可替代的作用。磁性材料是稀土元素应用的主要领域之一,约占稀土总量的60%,其中稀土永磁材料占据了绝大部分。2024年,中国稀土永磁材料产量已占全球总量的90%左右。钕铁硼磁体因性能优异,在电动汽车驱动电机、风力发电机、消费电子等众多现代科技与工业领域不可或缺,有力推动了清洁能源、信息技术及高端制造业的快速发展。钐钴磁体同样是稀土磁性材料的重要成员,具有高磁能积、优异的耐高温和抗腐蚀性,在一些极端环境下成为唯一的选择。
催化领域是仅次于永磁材料的全球第二大稀土应用方向。稀土元素独特的4f电子层结构可显著提升催化反应的效率和环保性能。在石油裂化领域,镧和铈作为助催化剂能够提高催化活性、增强热稳定性、延长催化剂寿命以及改善产物选择性,同时有助于减少炼油过程中的有害气体排放。在汽车尾气净化方面,铈基储氧材料使三元催化剂的CO/HC氧化效率和NOx还原率分别超过98%和90%,成为满足国六/欧六排放标准的关键材料。
在光学材料应用方面,稀土元素如镧、钕、镱和铒在高性能光学器件中扮演着至关重要的角色。它们能够显著提升相机镜头、望远镜及其他精密光学玻璃的折射率和色散性能,从而优化成像质量。此外,稀土元素在固态激光器中也是不可或缺的,可提供特定波长的激光输出。稀土元素同样是半导体材料的关键掺杂剂,对改善其电学和光学性能具有重要作用。
在中子吸收材料方面,钆和钐凭借其卓越的中子吸收特性,在核能领域具有不可替代的重要作用,尤其在核反应堆控制棒中发挥着关键作用。控制棒作为调节核裂变反应速率的核心部件,通过吸收中子精确控制反应堆功率输出,确保其稳定运行;紧急情况下,控制棒能够快速插入堆芯终止链式反应,防止反应堆失控,为核电站的安全运行提供重要保障。
稀土储氢合金是镍氢电池通常采用的负极材料,稀土元素能够与氢形成稳定的氢化物,从而提高储氢容量、降低反应活化能,使电池在充放电过程中更加高效。稀土元素在固体氧化物燃料电池的电解质中也不可或缺,通过掺杂显著提升了氧离子导电性和热稳定性,是其高效运行的关键。
稀土元素不仅在功能材料中有广泛应用,在结构材料中也是不可或缺的关键材料。其独特的物理和化学性质能够显著提升合金的性能,满足航空航天领域对材料高强度、耐高温、抗腐蚀等苛刻要求。通过添加稀土元素,可以细化合金晶粒结构,提高强度、韧性、抗疲劳性能以及耐腐蚀能力,从而延长部件使用寿命。特别是,稀土元素还能改善高温合金的高温稳定性和抗蠕变性能,使其适用于航空发动机热端部件等极端环境。
稀土元素在传统工业和高科技领域占据重要地位的同时,也在能源转型、信息技术发展和前沿科学研究中发挥着关键作用。随着全球对清洁能源、智能技术和高端制造需求的持续增长,稀土材料的战略价值将愈发凸显,成为提升国家科技竞争力和保障经济安全的重要支柱。当然,稀土的难点在于其开采、提纯、加工过程的技术复杂性和环境保护要求,这些问题正在逐步得到解决,但仍然是制约稀土产业发展的关键因素。(责任编辑:张小花 TT1000)