稀土材料及其節(jié)能應(yīng)用

葉羽錦　甘家毅　蔣藝

一、引言

稀土有“工業(yè)維生素”的美稱(chēng)。如今已成為極其重要的戰(zhàn)略資源，也是賀州市重要的戰(zhàn)略資源。稀土元素氧化物是指元素周期表中原子序數(shù)為57～71的15種鑭系元素氧化物，以及與鑭系元素化學(xué)性質(zhì)相似的鈧（Sc）和釔（Y）共17種元素的氧化物。

二、稀土永磁節(jié)能材料

燒結(jié)釹鐵硼永磁材料作為稀土永磁材料的第三代產(chǎn)品，是一種高剩磁、高矯頑力、高磁能積的實(shí)用新型永磁材料。主要應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、變頻家電、節(jié)能電梯、汽車(chē)電機(jī)、其他工業(yè)節(jié)能電機(jī)等方面，對(duì)磁能積和嚴(yán)格要求輕薄短小的下游領(lǐng)域有不錯(cuò)的效果。

我國(guó)的釹鐵硼的應(yīng)用分為高科技用途、傳統(tǒng)用途和低檔用途。高科技用途包括混合動(dòng)力汽車(chē)電機(jī)（HEV），永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)，MRI，VCM，電動(dòng)助力車(chē)（EAV）等。這部分用量增長(zhǎng)最快，占我國(guó)釹鐵硼磁體消費(fèi)的50%左右，近年來(lái)是拉動(dòng)釹鐵硼磁體消費(fèi)的主要?jiǎng)恿?。低牌?hào)用途主要是在浙江慈溪等地生產(chǎn)的服裝、箱包用的磁性紐扣或家具上門(mén)吸等。在此方面的用途所占比例正逐漸降低，但總量仍逐年增加，因它作為廢料可以回收再利用，仍有一定的生命力。

釹鐵硼的傳統(tǒng)應(yīng)用目前沒(méi)有衰退，隨著低碳經(jīng)濟(jì)理念的到來(lái)，它正應(yīng)用到新的領(lǐng)域。隨著新的應(yīng)用領(lǐng)域還未得到完全開(kāi)發(fā)，預(yù)計(jì)未來(lái)5年釹鐵硼行業(yè)全球仍將保持15%的增速，而我國(guó)有望保持20%的增速。

三、稀土發(fā)光節(jié)能材料

在照明領(lǐng)域，享有第四代照明光源美譽(yù)的固體白光LED，以其節(jié)能、環(huán)保和長(zhǎng)壽命的突出優(yōu)點(diǎn)受到越來(lái)越多的科研人員的關(guān)注，LED將成為21世紀(jì)新一代的環(huán)保節(jié)能光源。正是因?yàn)槠溆衅渌彰鞴庠礋o(wú)可替代的優(yōu)點(diǎn)，包括中國(guó)、美國(guó)、日本和歐洲在內(nèi)的世界各國(guó)都加大了對(duì)這一領(lǐng)域的研究，都爭(zhēng)相搶占開(kāi)發(fā)這一領(lǐng)域的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

與鹵粉熒光燈相比，應(yīng)用了稀土發(fā)光材料的節(jié)能燈（稀土熒光燈）的光效更高，顯色性更好，使用壽命也更長(zhǎng)，節(jié)能燈能夠在鹵粉熒光燈的基礎(chǔ)上節(jié)能30%～50%，顯色指數(shù)提高15%～40%，使用壽命增加三倍以上。2013年6月，中科院（財(cái)苑）應(yīng)用化學(xué)研究所與成都四川新力光源股份有限公司合作研發(fā)的“發(fā)光余輝壽命可控稀土LED發(fā)光材料研發(fā)及其在半導(dǎo)體照明中的應(yīng)用”成果，近日通過(guò)了由中科院組織的成果鑒定。專(zhuān)家組認(rèn)為，該原創(chuàng)性稀土發(fā)光材料有效解決了國(guó)際上一直未能攻破的交流LED照明設(shè)備頻閃的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化的跨越，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。同時(shí)也使中國(guó)成為世界上唯一掌握通過(guò)稀土熒光粉生產(chǎn)低頻閃交流LED產(chǎn)品的國(guó)家。

另外，稀土長(zhǎng)余輝發(fā)光材料是一種新型環(huán)保節(jié)能材料，它能在吸收太陽(yáng)光和燈光的能量之后，將部分能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，然后緩慢地把儲(chǔ)存的能量以可見(jiàn)光的形式釋放出來(lái)。它在光源撤除后仍能長(zhǎng)時(shí)間地發(fā)出可見(jiàn)光，且還具有耐高溫、耐摩擦、高強(qiáng)度、耐刻劃、阻燃、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)良特性，是理想的節(jié)能環(huán)保長(zhǎng)壽命光學(xué)材料，在建筑、交通和國(guó)防等領(lǐng)域有重要的價(jià)值。

四、稀土儲(chǔ)氫材料

燃料電池是氫能開(kāi)發(fā)利用的最有效的方式之一。它是一種全新的綠色電池，通過(guò)氫和氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)獲得電能，產(chǎn)物是水，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、靜音和低排放等其他二次電池所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。從20世紀(jì)90年代起國(guó)內(nèi)外掀起了一股研究燃料電池的熱潮，特別是質(zhì)子交換膜燃料電池，它將成為部分電動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)助動(dòng)車(chē)的動(dòng)力。

采用稀土儲(chǔ)氫合金為負(fù)極材料的鎳氫二次燃料電池，與傳統(tǒng)的鎳鎘電池相比較，鎳氫電池具有能量密度高、耐過(guò)充、充放電能力強(qiáng)、無(wú)重金屬鎘污染等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、摩托車(chē)、自行車(chē)等交通工具及筆記本電腦、傳真機(jī)、數(shù)據(jù)錄入器等信息化產(chǎn)業(yè)中。此外，稀土儲(chǔ)氫合金在氫氣的分離提純回收運(yùn)輸、熱泵、空調(diào)制冷、傳感器及驅(qū)動(dòng)器等方面也有大量的應(yīng)用。

鎳氫電池在電動(dòng)工具和電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域正顯示出巨大的發(fā)展前景。最近幾年的汽車(chē)市場(chǎng)上，混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展前景受到各方面的一致好評(píng)。各大合資和本土汽車(chē)廠商也紛紛推出混合動(dòng)力汽車(chē)車(chē)型和開(kāi)發(fā)計(jì)劃，國(guó)家發(fā)改委于2008年初適時(shí)為服務(wù)于奧運(yùn)的奇瑞A5、一汽奔騰等混合動(dòng)力汽車(chē)頒發(fā)了“準(zhǔn)生證”，同時(shí)加緊制定混合動(dòng)力汽車(chē)的鼓勵(lì)政策和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展。隨著技術(shù)的進(jìn)步和廠商有針對(duì)性的推廣，中國(guó)混合動(dòng)力汽車(chē)市場(chǎng)的大門(mén)將逐漸打開(kāi)。

專(zhuān)家預(yù)計(jì)“十三五”期間，中國(guó)混合動(dòng)力汽車(chē)市場(chǎng)將迎來(lái)井噴式增長(zhǎng)，年均增長(zhǎng)率將達(dá)到12%。

五、稀土催化材料

稀土催化材料具有良好的助催化性能，已形成石油化工催化劑、汽車(chē)尾氣凈化催化劑、柴油清潔添加劑、天然氣催化燃燒材料、有機(jī)廢氣凈化催化劑、固體氧化物燃料電池（SOFC）催化材料以及合成橡膠稀土催化劑等多種產(chǎn)品。它已成為石化、環(huán)境、能源、化工等催化應(yīng)用領(lǐng)域不可或缺的重要組分。

目前，石油化工裂化催化是稀土催化劑最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。以2015年為例，我國(guó)原油加工量達(dá)到了5.22億噸，使用FFC稀土分子篩催化劑消費(fèi)的稀土就已經(jīng)達(dá)到10000噸。據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，2015～2020年，我國(guó)原油加工量將繼續(xù)保持在5億噸以上，用于FCC催化劑的稀土用量將超過(guò)10000噸。

稀土除用于制造石油裂化催化劑外，在汽車(chē)尾氣凈化催化領(lǐng)域也已得到了廣泛應(yīng)用。采用稀土作為助催化劑，可以有效提高催化劑的性能并減少貴金屬的消耗量。2000年歐洲制定歐Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了一氧化碳、氮氧化物等排放的具體標(biāo)準(zhǔn)，到2005年實(shí)施歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，上述排放物允許數(shù)量又下調(diào)了40%～50%。隨著環(huán)保法規(guī)對(duì)汽車(chē)尾氣排放的日益嚴(yán)格的控制，稀土汽車(chē)尾氣催化劑市場(chǎng)將進(jìn)一步擴(kuò)大。據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，2020年我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)量將超過(guò)2500萬(wàn)輛，我國(guó)汽車(chē)尾氣凈化器市場(chǎng)需求量至少在2000萬(wàn)套以上，對(duì)稀土催化材料的消費(fèi)需求將超過(guò)5500噸。

六、其他節(jié)能材料應(yīng)用

稀土合金。將稀土元素引入鎂合金，形成具有高強(qiáng)度性、耐腐蝕性能好、耐高溫的鎂稀土合金是鎂合金研發(fā)的前沿。以通用汽車(chē)應(yīng)用鎂稀土合金的發(fā)動(dòng)機(jī)為例，在一臺(tái)V6缸體、活塞等部件運(yùn)用鎂稀土合金，總計(jì)減重18kg，減重率為30%，鎂稀土合金汽車(chē)輪轂已在日本得到了應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在高速公路運(yùn)行，和鋁合金輪轂汽車(chē)相比，它降耗20%；在市內(nèi)運(yùn)行降耗達(dá)15%以上。稀土高鐵鋁合金電線電纜，綜合成本比銅質(zhì)材料低20%，每公里線路降低15%以上造價(jià)以及降低2%～3%。

稀土超導(dǎo)體。應(yīng)用氧化釔，稀土超導(dǎo)體是一種高溫超導(dǎo)材料，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)許多單一稀土氧化物及某些混合稀土氧化物都是制造高溫超導(dǎo)材料的原料。超導(dǎo)材料可以制作超導(dǎo)磁體而用于磁懸浮列車(chē)，可用于發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力運(yùn)輸、微波及傳感器等方面，節(jié)能效果顯著。

太陽(yáng)能電池。應(yīng)用氧化鉺、氧化鐿。通過(guò)具有光譜上、下轉(zhuǎn)化功能的稀土發(fā)光材料可以將太陽(yáng)能電池不能有效吸收并利用的紫外光和紅外光轉(zhuǎn)換成能被太陽(yáng)能電池有效吸收利用的光，從而使硅材料的太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高2%～4%。

七、結(jié)語(yǔ)

在全球逐步邁入工業(yè)4.0的背景下，“中國(guó)制造2025”也開(kāi)始在“十三五”進(jìn)入政策的黃金期，也是賀州市“十三五”發(fā)展稀土產(chǎn)業(yè)的黃金期。處于改革轉(zhuǎn)型期新常態(tài)的中國(guó)經(jīng)濟(jì)需要發(fā)展廣泛應(yīng)用稀土的新能源、新材料等高科技產(chǎn)品，這正是新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。稀土材料擁有優(yōu)越的性能，在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，將越發(fā)體現(xiàn)出其不可替代的作用。

（葉羽錦單位為賀州市節(jié)能監(jiān)察中心；甘家毅單位為中鋁廣西有色金源稀土有限公司；蔣藝單位為賀州職業(yè)學(xué)院）