高纯稀土之光：科技领域的璀璨明星

院士的话

高纯稀土材料是新一代电子信息等高端领域的材料基础，但提纯难度大，相关技术被国外掌控。亟需解决高纯稀土材料纯化工程化、关键敏感杂质痕量去除技术难题及核心装备制造，保障我国重大工程领域关键核心材料的自主可控，实现资源优势转化为技术优势和产品优势。

黄小卫

中国工程院院士

中国有研科技集团首席科学家

▲元素周期表中的稀土元素分布

何为稀土元素？

稀土元素是镧系元素和钪（Sc）、钇（Y）共计17种金属元素的总称。稀土元素因其丰富而又独特的磁、光、电等物理化学性质，被誉为“现代工业维生素”和“21世纪新材料宝库”，已成为全球公认的重要战略资源。稀土元素能与其它材料组成性能各异、品种繁多的新型材料，其最显著的功能就是大幅度提高其它产品的质量和性能，已被应用于航天、航空、信息、电子、能源、交通、医疗卫生等10多个领域的40多个行业。

随着科技的发展以及对新材料更高的性能需求，普通的稀土原料难以保证材料的性能，需要高纯甚至超高纯的稀土材料来体现和保证高新材料的高性能。高纯稀144土材料通常指其纯度大于4N（99.99%），纯度大于6N（99.9999%）的则为超高纯稀土材料，高纯稀土材料包括高纯稀土化合物，高纯稀土金属及靶材等。

高纯稀土化合物主要有高纯稀土氧化物、高纯稀土卤化物等，高纯稀土氧化物主要应用在发光材料、晶体材料、光纤材料、光学玻璃、固态电池、电子材料等高科技领域。高纯稀土氧化物中氧化钕、氧化铒等广泛应用于激光玻璃、激光晶体、激光透明陶瓷、电子陶瓷等；高纯氧化铈主要应用于生产玻璃着色剂、玻璃抛光粉、稀土发光材料；高纯氧化镱可用于制备高功率光纤激光器，可改变光纤的光学性能和能级结构，实现光放大，实现光增益，实现大功率光纤激光器制备；高纯氧化镥可用于高性能闪烁晶体，在X射线等高能粒子的撞击下可高效地将高能粒子的动能转变为光能，主要用于PET-CT核医学、高能物理、工业无损探伤、静态数字成像及核探矿等领域。

高纯稀土金属及靶材是高性能稀土磁、光、电功能材料的物质基础，广泛应用于国防军工、新能源汽车、集成电路、新型显示及5G通讯等战略性新兴产业领域。其中高纯金属钪主要用于制备铝钪合金靶材，经磁控溅射后生产氮化铝钪薄膜，滤波器带宽提高2倍以上，满足新一代通信系统宽带、高频的应用需求，广泛用于5G通讯滤波器、雷达滤波器。

▲稀土氧化物的具体应用

稀土元素分离敲开启蒙时代的大门

盖施耐德（K.A.Gschneider）把稀土冶金及其应用开发分成三个时代：摇篮时代（1787年~1949年），启蒙时代（1950~1969年）与黄金时代（1970年~现在）。

稀土的黄金时代开启之后，中国的稀土工业迅速崛起。中国凭借拥有世界上最大稀土资源以及资源质量好、品种全、易开采的优势，加上技术的进步（张国成院士、黄小卫院士等开发的第三代硫酸法），自1986年起稀土的生产量超过了美国，成为了世界上最大的稀土生产国。随后中国稀土产品迅速向高纯、高附加值方向转化，积极参与国际竞争，促使世界范围内的稀土产品的第三次大降价。

多年来，国内稀土工作者根据稀土资源的特点，开发了一系列具有原创性的稀土提取分离技术并实现大规模工业应用，我国稀土采、选、冶技术世界领先，各个时代应运而生的代表性成果有力推动了我国稀土工业的进步和发展。历经几十年的发展，我国建立了较完整的稀土采、选、冶、分离提纯、稀土材料与应用工业体系和产业链，已成为全球最大的稀土资源国、生产国、出口国和应用国。目前，我国稀土冶炼分离产品产量占全世界的85%以上，在提取分离技术、原料供应及国际贸易等方面具有明显优势。

▲（a）高纯稀土合金靶材；（b）雷达；（c）新型显示面板；（d）华龙一号

高纯稀土材料是如何制备的？

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高纯稀土材料的制备，我们可以简单地理解为去除稀土材料中的杂质，实现稀土与杂质分离，达到纯化的目的，从而制备出高纯度的稀土材料。自发现稀土元素以来，稀土元素的分离纯化研究工作一直没有中断，稀土矿物中镧系元素多是共生的，稀土元素之间性质接近往往有较多的稀土元素赋存在一起，同时，稀土中杂质种类则涵盖了元素周期表中大部分元素，包括碱金属、碱土金属、过渡金属、锕系元素和非金属元素，要将某一稀土元素从16种稀土元素中单独提取、同时在分离多种类型杂质具有极大的难度。目前，与稀土分离有关的技术主要包括分步沉淀法、溶剂萃取法、离子交换法和吸附法等，将单一稀土元素提炼之后再采用熔盐电解、金属热还原制备成金属，再采用真空蒸馏、区域熔炼等技术进行金属提纯，各项技术之间各有优缺点和适用范围。

以工匠之心，攻克工程化难题

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目前，稀土已成为国内外关注的焦点之一，美国和日本等发达国家均将除Pm以外的16种稀土元素列为“稀土世纪的战略元素”，加以战略储备和重点研究；欧盟发布的《欧盟危急原材料》《用于国防技术的原材料》，欧盟也将稀土列为对欧洲军事防务、经济发展至关重要的材料；稀土被广泛应用于十大重点制造业领域，是支撑强国战略不可或缺的关键材料。2023年内蒙古、江西、福建、甘肃、四川、广西、山东、湖南等13个省二十多个市的政府工作报告中均对“稀土”的相关内容表达出高度关注。

因此，发展超高纯稀土材料制备工程化技术及装备，将有力推动稀土在超导材料、储氢材料、通讯滤波器、平面显示材料、新型荧光粉、OLED用镀膜材料、闪烁晶体、大功率激光晶体和光纤材料等方面的快速发展。一方面，可以进一步提高我国稀土提纯技术水平和稀土产业国际竞争能力，使我国高纯稀土材料实现从跟跑到并领跑的跨越，促进我国磁、光、电等功能材料产业创新，直接经济效益达百亿，带动下游产业规模达万亿，巩固我国在世界稀土冶炼分离领域的领先地位；另一方面，有助于实现稀土高值化应用，拓宽稀土高端应用，增强原始创新底层支撑，解决受制于人的难题，为相关应用提供关键核心材料，对我国的国家安全经济社会发展具有重要作用。

结语

时光荏苒，长达百年的探索历程为高纯稀土材料领域的科研人员带来了宝贵的经验，无论是制备技术研发，还是高端装备研制，前方的道路注定不会一路无阻。我们有理由相信，既然我们能够攻克稀土冶炼技术难题，并站在世界之巅，那么突破高纯稀土材料的工程化制备技术及装备也一定指日可待。

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