“三稀”矿产:点亮未来科技的隐形基石
本文编辑: 何陈临秋
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郭文弟,助理工程师,主要从事区域地质调查、矿产资源评价与地学科普相关工作。
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文/郭文弟, 呼啸, 石磊, 何燕君, 王雄.
我们手中的智能手机、飞驰的电动汽车、连接全球的通信网络——这些现代生活的奇迹背后,都离不开一组非凡的元素:稀土、稀有和稀散元素,它们拥有一个共同的名字——“三稀”矿产。“三稀”矿产是推动科技创新、助力全球能源转型的隐形力量。虽然名字里带个“稀”字,但它们并非遥不可及,反而像是高科技时代的“隐形助手”和“工业维生素”。从让手机屏幕色彩斑斓的稀土元素,到保障电动汽车强劲动力的稀有金属锂和钴,再到风力发电机组中不可或缺的钕铁硼永磁体(含钕、镝、铽),这些元素凭借独特特性,稳稳支撑着清洁能源与数字化产业的蓬勃发展。
稀土元素:高科技产业的“维生素”
稀土元素素有“工业维生素”“新材料之母”的美誉,它并非单一元素,而是元素周期表中15种镧系元素与钪、钇的总称。这些元素因4f电子层的独特结构,具备优异的光、电、磁及催化性能,即便在材料中仅添加微量稀土元素,也能实现其性能的跨越式提升。根据原子结构和性质的显著差异,稀土可分为轻稀土[镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)]和重稀土[钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu),以及钪(Sc)和钇(Y)]。有趣的是,稀土之“稀”并非指储量稀少。实际上,稀土元素在地壳中的丰度远高于金、铂等贵金属,只因它们分布分散、提取难度大,才被冠以“稀”字。
全球稀土资源分布极不均衡。2025年,哈萨克斯坦宣布发现世界第三大稀土矿床,总储量达935.4万吨,这一发现使其成为稀土供应格局中的重要变量。不过,我国在全球稀土领域仍保持绝对主导地位,不仅拥有全球最多的稀土储量(约4 400万吨),还贡献了全球60%的稀土产量,同时掌控着90%以上的加工环节。我国的稀土资源呈现“北轻南重”的特点:内蒙古白云鄂博矿区是全球最大的轻稀土基地,而江西赣州、福建龙岩等南方地区则蕴藏着高价值的离子型中重稀土资源。
稀土元素的战略价值源于其独特的光、电、磁性质,因此,稀土元素成为尖端技术领域不可或缺的关键材料。钕铁硼永磁体作为目前性能最优的永磁材料,不仅能将电动汽车电机效率提升30%以上,还支撑着风力发电机的大型化发展,同时也是人形机器人驱动部件、F—35战机航电系统的核心材料。铈基催化剂在汽车尾气净化系统中扮演关键角色,可将氮氧化物排放量降低90%以上,同时广泛应用于工业电厂脱硝、船舶尾气处理等领域,堪称环保治理的“工业净化器”。铕、铽荧光材料是制造节能照明设备和显示器核心发光部件的关键原料。钇钡铜氧超导体不仅是医疗核磁共振成像设备的核心部件,还应用于高能物理实验装置与超导输电线路,其零电阻特性可使输电损耗降低90%以上,为能源高效利用开辟了新路径。
从新能源汽车续航能力的稳定提升到风电叶片的平稳转动,从手机屏幕的清晰显色到医疗检测的精准诊断,这些“藏得散却本事硬”的稀土元素,正在以无处不在的方式为我们的生活赋能,为各类高科技应用提供关键支撑。
稀有金属:能源转型的核心引擎
稀有金属包括锂、铍、铌、钽、锆、铪、铼、锶、铷、铯10种,在新能源、航空航天和核能领域发挥着不可替代的作用,是支撑高端产业发展的重要基础。
其中,锂被誉为“白色石油”,是制造锂电池的核心原料。我们日常使用的充电宝、出行依赖的电动汽车,其核心储能部件都离不开这种稀有金属,它与人们的日常生活息息相关。锂资源在自然界中以多种形式存在,主要有三种“藏身”方式:盐湖锂如同“泡在水里的宝藏”,可从盐湖卤水中直接提取;硬岩锂恰似“藏在石头里的宝贝”,主要通过开采锂辉石、锂云母等矿石获取;黏土型锂则属于较新的资源类型,其开发潜力仍在进一步探索中。
我国的锂资源分布极为集中,仅青藏高原的盐湖和川西地区的伟晶岩带,就占据全国锂储量的85%以上,相当于大半“家底”稳稳集中在这两个“黄金地段”。
除锂之外,铍的应用价值同样突出。由铍铜合金制造的弹簧可承受上亿次压缩而不变形,是航空航天精密仪器的核心组件;铍金属还具备优异的中子慢化能力,是核反应堆不可或缺的材料。我国铍矿主要分布在新疆和四川,其中,占总储量48%的铍矿与锂、钽铌矿伴生,高品位独立铍矿床十分稀缺。不过值得关注的是,近年来在秦岭雪宝顶等地区发现独立铍矿体,为我国铍资源保障带来新希望。
铌、钽这对“孪生金属”因熔点高(铌:2 468℃,钽:2 996℃)、耐腐蚀性强,成为电子和航天工业的关键材料。其中,纯度大于99.9%的高纯氧化铌是5G滤波器的基础原料,全球60%的钽用于制造手机电容器。我国铌钽资源集中分布在内蒙古和湖北,但矿石品位仅为国外的1/10,选冶难度大,这也导致大量矿产沦为“呆矿”(即因当前技术条件限制,暂时无法开采利用的“沉睡矿藏”),难以有效开发。
稀散元素:隐形技术命脉
稀散元素在地壳中含量极低,包括镓、锗、铟、铊、铼、镉、硒和碲8种元素,它们天生“不喜独居”,极少形成独立矿床,始终以“微量伴生”形式“寄宿”在其他主矿产中,且不同元素对“寄主”各有偏好,遍布各类矿产资源中。例如,山西平朔煤田的镓藏于煤层,云南个旧锡矿的铟伴生于锡矿石,陕西金堆城钼矿的铼依附于钼矿。这种分散特性让它们的提取过程如同“大海捞针”,需依托主矿加工后的副产物进行多步分离提纯,平均回收率通常低于50%,这也正是稀散元素所面临资源困境的核心所在。
这8种元素虽“藏得深”,却个个身怀绝技,凭借独特的物理化学特性成为高端科技领域的“隐形功臣”。其中,镓凭借优异的半导体性能,为卫星通信、5G基站、快充技术与航天器太阳能电池赋能,还能强化合金性能;锗是红外光学领域的核心材料,支撑军用夜视仪、红外探测器的研发与应用,同时可提升光纤信号传输距离,助力空间太阳能电池与核物理探测技术发展;铟以氧化铟锡的形态,成为触摸屏、显示器的关键导电材料,为量子点显示与芯片封装提供支持;铊的同位素(铊—201)可用于心脏造影,实现冠心病的精准诊断,同时助力红外探测与超导技术研发;铼凭借超高熔点,成为航空发动机涡轮叶片的关键添加剂,还可应用于石油精炼与核反应堆;镉是核反应堆控制棒的理想材料,其化合物支撑高端显示器发光,在大电流放电场景中不可或缺;硒兼具光电转换与抗氧化特性,是薄膜太阳能电池、复印硒鼓的核心原料;碲与金属形成的化合物,撑起了低成本、高转换效率的光伏电池与电子设备散热系统,赋能高频半导体与红外探测技术升级。
我国稀散元素产业呈现出“用得好”的特点:依托煤炭和铝工业副产物,建立了全球最完整的镓、锗供应链,供应全球90%以上的初级镓产品。然在高纯材料(如纯度达99.9999%的锗单晶)制备方面仍受限于提纯技术瓶颈,有待进一步突破。
携手“三稀” 以启未来
“三稀”矿产就像高端制造业的“隐形骨架”,默默支撑着我们生活中的许多高科技产品,倘若缺少这些矿产,智能手机的高清屏幕、电动汽车的长续航电池等都难以成型。可以说,这些矿物虽然不常被看见,却在悄然推动科技进步和能源转型,更与每个人的日常生活紧密相连。近年来,全球资源领域涌现不少新动态:哈萨克斯坦在稀土方面有了新的发现;巴西实现了铌矿的高效提取;我国也在持续优化国内镓、锗等资源的高效利用模式。这些动态吸引了全球的关注和研发投入,推动着矿产资源向着更加绿色、高效的方向迈进。
对我们而言,既要充分发挥资源储备丰富的优势,也要继续加强技术创新和产业升级。通过理论研究、技术攻关和应用拓展等多方协同努力,我们正稳步推进从“资源大国”到“创新强国”的转变。真正决定未来发展的,不仅在于我们拥有多少矿产资源,更在于我们能否以创新和智慧,更清洁、更智能、更可持续地用好这些珍贵矿产。
相信随着认知的深化、技术的突破与规范的完善,这些 “藏器于身” 的“三稀”矿产必将释放更大的能量,为科技进步与产业升级注入持久动力,照亮高质量发展的前行之路。
最后,看一下17个稀土元素,你读对了几个呢?
镧(Lán)、铈(Shì)、镨(Pǔ)、钕(Nǚ)、钷(Pǒ)、钐(Shān)、铕(Yǒu)、钆(Gá)、铽(Tè)、镝(Dī)、钬(Huǒ)、铒(Ěr)、铥(Diū)、镱(Yì)、镥(Lǔ)、钪(Kàng)、钇(Yǐ)。