稀土材料及技術替代策略分析
【中鎢在線新聞網-鎢新聞】
近幾年來有一個說法在稀土業內以較高頻次被提及，那就是“替代”。人們常常講到稀土材料被其他材料替代，或稀土材料或稀土應用技術替代了另外一些材料和技術。如何評價稀土材料及技術的替代，或者被替代，相應地產生何種效應，是下面要分析和討論的話題。
一、工程技術的發展史是技術創新和技術進步的歷史，也是新技術、新材料、新產品替代老技術、老材料、老產品的歷史
從人類文明的發展歷史看，上面提到的替代從幾千年前就開始了，如青銅工具取代石器，鐵器又取代青銅器。到了近現代，這種替代愈發明顯和加速，而且這種替代和被替代會生生不息地持續下去。一般來說，這種材料或技術的替代源于科學技術的進步，會產生更好的使用效果，更理想的性價比，并帶來更低的資源或能源消耗。
技術及產品替代可分為三種。第一種是系統替代或全面替代，如鐵路牽引由蒸汽到柴油機再到電動車；第二種是改進型替代，如汽車發動機油耗因技術進步逐漸降低；第三種是所謂顛覆性替代或創新，如數碼照相技術對膠卷相機的替代等等。
稀土新材料的發展特別是永磁、發光等四種主要材料的發展，對上述覌點做出了最有力的詮釋。讓我們先從發光材料說起，1964年銪激活的釩酸釔（YVO4：Eu3+）問世，作為彩電的紅粉，真正解決了多年來彩電粉中紅粉性能缺失導致彩電屏色彩嚴重失真問題，從此令人賞心悅目的彩色電視取代黑白電視，人們共享視覺藝術的盛宴。1973年，稀土三基色熒光粉的推出，直到近幾年日漸成熟的LED技術，使人類照明和顯示進入了低耗高效的新時代。而1983年研發成功的第三代稀土永磁釹鐵硼，其磁能積為鐵氧體磁體的6-10倍，被稱為磁王。它對其他已有的磁性材料豈止是替代，而是以其他材料難以企及的磁能積，優異的性價比，使眾多的電磁應用產品如電機、HDDR、MRI、EPS等同時做到了輕量化和高使用性能。采用稀土永磁電機和稀土鎳氫電池的混合動力汽車（HEV），平均油耗下降20%-40%。如第三代普銳斯車，其油耗低至2.63升/百公里，而同類型車一般為6.3升/百公里。儲氫材料、催化材料，還有其他各種稀土功能材料也都如此，都對原有技術或產品做出了破壞性或創新性替代，這是否定之否定的勝利，是燦爛的工業文明的一次又一次飛躍。
二、宏觀經濟發展中的替代趨勢及對稀土產業的影響
宏觀經濟的發展進程呈現以下六個趨勢：
1、消費替代投資成為拉動經濟增長的主要動力。如2011年我國最終消費對經濟貢獻率為55%，2012年為51.8%，2014年超過50%，對GDP的貢獻率亦超過五成。
2、內需替代外需過程加速，如1906年我國對外貿依存度65.2%，而2012年為47%，2014年更降為41.5%。
3、服務業增長快于一、二產業增長，但我國第三產業占比仍低于發達國家。
4、低碳經濟替代高碳經濟成為調整產業結構的主要目標，低碳和循環經濟呼喚新技術、新產品的推出，乃至新的商業模式出現。
5、城鎮化與工業化帶來更多商機和市場。
6、以信息技術為代表的新興技術和產業部分替代傳統技術和產業，其中也不乏前者對后者的提升，并且對新材料、新技術、新裝備提出了更高要求。
面對以上六個宏觀經濟發展的重要趨勢，稀土產業應危中尋機，難中求進，主動尋找市場，培育市場，恢復失去的市場，更好地在經濟轉型升級，高新技術對傳統產業替代、迭代、改造的進程中，尋求自己的生存與發展空間。比如說，今后要更加重視稀土原材料在新一代信息技術中的應用，著力拓展稀土在機器人、數控機床、軌道交通、海洋工程裝備、農機機械裝備等領域的應用，擴大在3C產品等民用電子信息消費品中的消費量，鞏固在新能源、新能源汽車中取得的成果，研發并生產高性價比稀土新材料，探索在生物工程、醫療保健設備，以及醫藥特別是外用藥中的新應用。
三、稀土在高新技術的發展和技術/產品替代中發揮了重要作用
1794年芬蘭化學家加多林發現稀土以來，稀土從“養在深閨人未識”到初步應用，再到發揮重要作用，迄今已有221年的歷史了。1891年稀土及釷用于煤油燈罩應算是最早的或說初級的應用。隨后的一二十年又有發火合金，及用于放映電影的弧光燈問世。1947年鈰用于球墨鑄鐵，是鑄造史上具有里程碑意義的發明。但真正在現代工程材料中的應用還是從上世紀60年代開始，代表產品主要有加入鑭的高檔光學玻璃，以及SmCo5磁體，這一磁體的應用使大中型火箭制導系統輕量化和精確化。而其后每10年左右，就有一種重要稀土新材料問世，如1970年的LaNi5，1983年的釹鐵硼磁體，1996年的白光LED等等。這些稀土新材料、新技術對原有材料和技術的替代，在功能材料及結構材料歷史上，一次次刷新產品相關指標的記錄，并推動相關元器件和整機性能的全面提升。使得以電機、顯示器、充電電池、3C產品等為代表的新產品，不斷地向輕量化、高性能、高效率、低能耗方向發展。
四、各國實施稀有、稀土資源替代策略和措施的狀況
多年來各發達國家十分重視制定稀有、稀土資源替代策略和措施，并加大實施力度。如日本相關的替代重點有如下內容：電子材料方面注重以鋅替代銦，用來生產透明電極；尋找鎵、錫的替代材料；在催化劑領域開展金屬有機化合物替代鉑；在切削刀片方面用鈦部分取代鎢。在稀土的替代方面，則是在釹鐵硼中對鏑的替代和減量化，發光材料中對鋱的替代等。2007年日本文部科學省、經產省就提出了“元素戰略計劃”，“稀有金屬替代材料”計劃。2011年日本經產省向企業界發放了421億日元補貼，用于稀土減量化技術開發和稀土回收利用技術，110個公司的160個項目受益。2013年9月，日本文部省、經產省組織啟動超級計算機“京”，研究利用穩定開采的天然資源代替稀土，以生產性能相同或相近的新材料，主要考慮采用鈉、硅、鈣等20種儲量豐富的常見元素。東大等高校及科研單位2500人參與研發。美國、德國等國家也有類似的項目和可觀的投入。
從稀土替代的效果看，2011年日本東京大學開發了無稀土強力永磁體，可用于混合動力車和家電；2012年5月，日本信越化工稱滲鏑工藝成功用于釹鐵硼材料，空調用稀土永磁用鏑量減半；而美國鉬公司與Boulder Wild公司開發了少用或不用鏑的風力發電機。
五、對其他稀有金屬的替代比稀土更緊迫
人們經常講稀土如何稀缺，要重視對稀土的替代。其實稀土不稀，更為稀缺的資源所在多有。“不識廬山真面目，只緣身在此山中”。作為稀土圈內的業內人士，也包括眾多關心稀土的粉絲，應該知道更需要替代的資源不是稀土，而是銦、銻、鉍、鍺、錫、鎵等為代表的其他稀有金屬。這些稀有金屬雖不像貴金屬鉑、銠、鈀等那么稀少而昂貴，但它們的地球儲量也大大少于稀土。它們的豐度值如下（PPM）:銦0.049，銻0.2，鉍0.048，鍺1.8， 錫2.2，鎵18。最能說明問題的是時下最火的鋰離子電池的鋰資源，鋰的豐度只有20ppm，那么稀土是多少呢？鈰+鑭+釹+鐠=68+32+38+9.5=147.5，是鋰的豐度的7.37倍。還有大家很熟悉的鉛，可能認為它并不稀缺，而實際上鉛的豐度只有14ppm，而釹的豐度是38，那么有誰能想到鉛還比釹更稀少呢？而鉑、銠、鈀分別為0.003，0.0002，0.0006，稀土中的低豐度元素鈥為1.4，鋱為1.1，鋱的豐度是銠的5500倍。當然以上數據是各元素在大陸上的地殼中的豐度，上地殼的資源是較易開采的，而不少元素在大陸中地殼和大陸下地殼的分布與上地殼僅略有差異而已。
再從與現代工程材料常用的幾種資源來看，它們的可開采年限大大低于稀土的可開采量，這也是很容易被人們忽略的基本事實。比如銦的可采年限為10年，鉑為15年，鎢為23年，而銻只有5年，這真是令人難以置信。當然還有很多元素，開采年限也只有十幾到幾十年的時間。全球稀土儲量至少在1億噸以上，按年采15萬噸，則可采年限為666年。需要指出的是，上述年限都是估算的靜態數據，今后會有新的可采資源被發現，隨著技術的進步和對稀缺資源價格的寬容度的提升，動態的使用年限一般都會被延長，甚至延長很多，其中也包括稀土。
從上面的基本數據和基本態勢的描述中，我們應該得出稀土及其他稀有、稀貴、稀散金屬的“廬山真面目”，那就是我們這個星球上比稀土還要稀少的資源還有很多，那么結論自然應該是：保護好行將耗盡的稀有、稀貴、稀散資源。尋找儲量較大、開采年限較長的資源去替代它們，還有一條結論應該是開發用稀土尤其是輕稀土去取代更稀缺的資源（元素）的新技術。
六、稀土材料被替代的原因分析
多年來發達國家用其他原材料替代稀土的呼聲不絕于耳，各國的很多舉措也加大替代稀土和稀土減量化研究的力度。2011年之后這種趨勢尤為明顯。究其原因不外乎以下幾條：
一是稀土原料供應出現的特定情況。從上世紀80年代中期以后，中國成為全球最大的稀土供應國。長期以來，中國以全球23%的儲量，供應了全球稀土需求量的90-97%。為保護資源和減少環境污染、恢復生態，實行了兩個指令性計劃，并設置了出口配額和相應的關稅。盡管出口配額基本滿足了國外需求的量甚至還用不完，盡管我們做出了環境和生態的巨大犧牲，但稀土主要消費國家還是不滿意。他們在WTO鍥而不舍地拿配額及關稅說事，同時加大中國以外的稀土資源開采。在這種半是虛構的所謂稀土供應有問題的思維支配下，大力推出稀土替代就是不足為怪的了。
二是曾經的價格劇烈波動引發了替代。這一現象以2011年為典型。當時確實因高價（或天價）稀土，給當時迅猛發展的釹鐵硼為代表的新材料澆了一盆冷水，原本用鐵氧體等老材料被高性能的稀土材料替代的大好局面，變成了返回了老材料的逆向替代，從而丟失了不少培育了二十余年的釹鐵硼市場。而恢復失地則是步履艱難。
三是由于技術或技術集成的變化造成稀土材料被替代，對于普遍具有高性價比的稀土新材料而言，這種情況并不多見。典型的案例是格力集團的相關技術。格力+獲廣東省科技進步特等獎的無稀土永磁材料的空調電機及控制技術，采用同步磁阻電機及控制技術，比稀土變頻機能源效率提高7.3%，抗退磁能力提升41%，成本下降22%，震動和噪聲也明顯降低。這種替代在技術上講屬于一種系統替代，既基本技術或技術原理發生改變，從而導致材料及設備都發生根本性的變化。一般來說從材料到技術到裝備全面地被替代。
四是重稀土元素如鏑、鋱因資源相對緊缺，價格相對高企而引發了替代或減量化技術的發展。所幸的是目前鏑、鋱等中重稀土供應已不再緊張，價格也可接受，在高端釹鐵硼生產中很難被完全取代。
七、下面我們做一個簡單的總結
1、稀土發展史是一部科技創新史，也是稀土新技術、新材料、新裝備對原有技術、材料和裝備的替代的歷史。
2、上述替代包括改進性替代，主要源于工程化技術的提升；也包括全面替代或顛覆性替代，主要源于基礎研究或應用基礎研究；
3、稀土新材料推廣及應用，具有巨大的經濟效益和環境生態效益，并遠遠大于稀土新材料產生自身的效益；
4、與某些稀有、稀貴、稀散金屬相比，稀土在地殼中的豐度比較高，稀土資源可使用年限要長的多，因而鍺、銦、鉍、鎵、釕、銠、鈀等元素的替代及減量化技術的開發顯得更為重要和緊迫；
5、稀土原材料對原有原材料的替代，具有優異的性能和性價比，并顯著提高相關產品的符合性能，而且一般來說稀土原材料很難被替代，或替代后會犧牲性能或降低性價比；
6、稀土上中下游企業應良性互動、共同發力，擴大稀土在中高端功能材料，及優質結構材料中的應用領域和應用量。特別要注意恢復、培育、發展以釹鐵硼為代表的主要稀土材料的市場，爭取更大的發展空間。稀土業內人士要努力避免稀土被替代，同時在更強更優的新一代材料出現之前，絕不輕言對稀土的替代。
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