稀土拋光粉產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前景

胡珊珊 韓丹 楊劍英/文

上海交通大學包頭材料研究院

1 引言

隨著我國稀土拋光粉產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鈰稀土磨粉及其磨料制品已具備了粒度尺寸一致、硬度適中、研磨能量大、拋光耗時短、拋光精度高、使用壽命長、工作環(huán)境清潔等優(yōu)點，并且已經(jīng)完全取代了過去使用的氧化鐵磨粉。應(yīng)用于玻璃表面、平板玻璃、陰極射線管、手機電腦屏幕、玻璃外殼、目鏡、光學玻璃、鏡片、寶石、金屬表面拋光、水晶、裝飾板材以及機械設(shè)備的冷加工。隨著顯示器行業(yè)的快速發(fā)展，我國稀土拋光粉的消耗量也逐漸增加，發(fā)展前景廣闊。

2 稀土拋光粉的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

2.1 基本情況

氧化鈰是稀土拋光粉的主要成分。通常拋光粉的分級方法都是按照氧化鈰的數(shù)量來分類的。拋光粉的拋光特性，主要和氧化鈰濃度、理化性質(zhì)（活性、粘度）等因素有關(guān)。稀土材料拋光粉中的氧化鈰含量越高，拋光功能就越強，壽命也越長，價值越高；反之，氧化鈰含量越低，壽命較短，價格也越低。因此高鈰稀土拋光粉一般用作半導體元器件的表面拋光，而低鈰拋光粉則廣泛用作拋光光學玻璃、液晶顯示屏、手機蓋板等產(chǎn)品。

稀土拋光材料的“拋光機制”通常也可以看作是物理研磨與化學磨的共同功能。物理研磨法是將稀土拋光后的物質(zhì)表面進行機械研磨，使物體表面光滑。化學拍打過程是通過稀土對拋光材料表面硅醇鍵的脫水和氧橋鍵的生成，從而控制了在硅基材料分解過程中的再生，也因此增加了拋光速度。

2.2 國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

20 世紀30 年代，歐美首先進行了研究開發(fā)，利用稀土氧化物用作拋光粉來拋光玻璃。到了20 世紀60 年代，日本利用氯化稀土為主要原料，采用化學法，除雜結(jié)晶合成后生產(chǎn)稀土拋光粉 。20 世紀90 年代，國外生產(chǎn)的稀土拋光粉產(chǎn)品已形成標準化和系列化。目前世界的稀土拋光粉生產(chǎn)商，大多集中在中國、日本、美國、法國、英國、韓國等國家。比較有名的廠家是日本的昭和株式會社、日本三井金屬礦業(yè)株式會社、日本AGC 株式會社、法國的羅地亞(現(xiàn)在的法國索爾維集團)，還有中國的上海加博微電子新材料公司。其中，稀土拋光粉制造公司在日本具有較強的優(yōu)勢，不但產(chǎn)量規(guī)模很大，同時也在全球客戶中取得了主要的市場占有率。

20 世紀60 年代開始，中國就開始大量生產(chǎn)稀土拋光粉，主要以混合稀土拋光粉、石膏石和純氧化鈰等為原料。到了20 世紀70 年代，稀土拋光粉已經(jīng)代替了常規(guī)的氧化鐵，用于玻璃打磨。20 世紀90 年代，中國稀土拋光粉材料的制備、應(yīng)用以及生產(chǎn)技術(shù)方面都獲得了長足的發(fā)展。稀土拋光材料領(lǐng)域出現(xiàn)了從傳統(tǒng)玻璃表面加工到光電子顯示產(chǎn)品的新發(fā)展，從傳統(tǒng)應(yīng)用到光電高科技應(yīng)用的改進。在產(chǎn)量方面，國內(nèi)稀土拋光材料的應(yīng)用從20 世紀80 年代的不到40 噸增加到2018 年的3 萬噸左右。2022 年，我國稀土拋光材料產(chǎn)量達到3.73 萬噸，居世界第一。

2.3 存在問題

目前，國內(nèi)稀土拋光粉的品種已初步滿足了光學玻璃、液晶顯示玻璃基板、觸控式玻璃蓋板、ITO鍍膜玻璃、透明金剛石等產(chǎn)業(yè)的拋光需求，并徹底改變了過去中國國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)全部依賴進口的不良局面。但和國外相比，還是存在較大的差距，主要表現(xiàn)在以下幾方面:

(1)目前中低端的稀土拋光粉已經(jīng)無法適應(yīng)國內(nèi)外市場的需要。雖然當前的國內(nèi)生產(chǎn)工藝已經(jīng)在稀土拋光粉產(chǎn)業(yè)上實現(xiàn)了很大的提升。生產(chǎn)與使用上都可以達到的市場需求，但對于少數(shù)高檔稀土拋光粉的應(yīng)用來說，在半導體集成電路淺槽離技術(shù)(STI)方面，與外國相比具有一定的工藝差距。在拋光的關(guān)鍵部件中，主要依賴于進口。

(2)稀土拋光粉的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)兩極分化態(tài)勢。目前，中國的稀土及拋光粉行業(yè)發(fā)展不平衡，中小企業(yè)數(shù)量眾多，大型企業(yè)少。在國際市場上很難擁有競爭優(yōu)勢。而這些中小企業(yè)產(chǎn)品同質(zhì)化嚴重，導致競爭激烈、利潤較低。然而，少數(shù)大型企業(yè)仍繼續(xù)提高創(chuàng)新能力，優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，并致力于服務(wù)高端領(lǐng)域，從而產(chǎn)生了兩級差異化。產(chǎn)業(yè)發(fā)展的兩極分化也將推動整個產(chǎn)業(yè)整合資源。未來，行業(yè)的龍頭企業(yè)還將吸收弱小企業(yè)，以實現(xiàn)大規(guī)模效應(yīng)，并進一步增強研發(fā)實力，進而使我們的稀土拋光粉等產(chǎn)品在國際市場上具有一定的競爭力。

另外，稀土產(chǎn)品和拋光材料的價格變動，嚴重干擾了產(chǎn)業(yè)的長遠穩(wěn)定與發(fā)展。近年來，受疫情影響，行業(yè)內(nèi)部已進行了一定幅度的重新整合，并提高了行業(yè)集中度。

3 稀土拋光粉的種類和技術(shù)特性

3.1 稀土拋光粉的種類

稀土拋光粉的主要成分是氧化鈰，并有氟化物、鐵、石英等物質(zhì)。稀土拋光粉按照生產(chǎn)工藝的性質(zhì)和氧化鈰的含量，可以分成以下三種。

第一個最常見的生產(chǎn)方法就是以少銪氯化稀土為原料，通過化學沉淀法制備成稀土氧化物含量為40%～ 70%，鈰含量為30%～ 65%，粒徑為1 um～ 4 um的拋光粉。由于這種稀土拋光粉價格比較低廉，而且切割效率高，廣泛應(yīng)用于陰極射線管、平板玻璃和鏡片的拋光。

第二類鈰基拋光粉。主要是用混合稀土氫氧化物為原料，以化學方法預處理得到稀土氯化物，通過化學沉淀而產(chǎn)生的稀土氧化物含量為80%～100%，鈰含量為40%～ 80%，粒徑為0.5 um～ 4 um。這種稀土拋光粉具有成分均勻、粒度好、表面穩(wěn)定性好的優(yōu)點，但售價也相對比較貴?，F(xiàn)在已普遍用于拋光光學玻璃掩層和液晶顯示屏。

第三種生產(chǎn)方法是以稀土混合物分離后的氧化鈰為原料，以物理化學方法加工成硬度大、粒度均勻、細小的稀土氧化鈰粉末產(chǎn)品。稀土氧化物比例大于90%，鈰含量超過99%以上。打磨時間長，由于粒子形態(tài)與硬度一致，打磨表面平整，純度好，所以在拋射面上平整，無瑕疵，無雜質(zhì)污垢，適合于高速拋光、精細的光學儀器元件、光傳感透鏡、半導體器件、液晶顯示屏等高性能工件的打磨。

3.2 稀土拋光粉的技術(shù)特性

對于含有特殊原材料和加工技術(shù)的稀土拋光粉，稀土材料拋光粉的尺寸大小直接決定了拋光效果和完成率。而一般材料尺寸愈大，對玻璃的表面拋光效果和表面粗糙度也愈大，而對不同的材料表面拋光的拋光粉尺寸需求也存在著一定差別，如對平板玻璃和彩色玻璃外殼的表面光潔度要求并不大。但所用的拋光粉尺寸需要更大(1 um～ 4 um)，而對普通光學玻璃表面拋光的拋光粉尺寸需求就比較大，一般規(guī)定為亞微米尺寸的分布。但如果使用了聚氨酯的高速拋光工藝，對粒度大小和懸浮液質(zhì)量的要求會相當大，但也不是越小越好，越細則越均勻。

另外，由于氧化鈰的純度以及其他稀土元素的濃度都影響著稀土拋光粉的穩(wěn)定性，因此氧化鈰的高濃度也增加了打磨成本。在稀土拋光粉中，影響最主要的物質(zhì)為機械雜質(zhì)以及稀土拋光粉中的個別較硬粒子，而這些都將會導致設(shè)備的磨損，進而對外表形成劃傷。其中雜質(zhì)主要包含于工藝設(shè)備中的元素粒子，以及在煅燒過程中來自于過大的元素氧化物凝聚物等。在近年來，化學分析技術(shù)的使用已經(jīng)成了制備稀土拋光粉的重點，尤其是制備高性能稀土拋光粉的化學技術(shù)，主要是用來研究高鈰稀土拋光粉的粒徑。

4 稀土拋光粉的技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題

我國生產(chǎn)低品位稀土拋光粉的規(guī)模和技術(shù)都已經(jīng)成熟，但在高端應(yīng)用領(lǐng)域仍存在差距。其問題主要是在中國國內(nèi)產(chǎn)品的加工性能與精度控制上還存在著差異，尤其是半導體集成電路(STI)技術(shù)中所用的氧化鈰等拋光材料，仍依賴于進口。稀土拋光粉的粒度控制、結(jié)晶形狀與形貌管理上的難題一直存在。在高性能稀土拋光材料方面，由于無法控制較大顆粒的雜質(zhì)，以及大批量生產(chǎn)工藝的一致性和穩(wěn)定性較差，在設(shè)計、應(yīng)用、工業(yè)化等關(guān)鍵應(yīng)用階段均未能實現(xiàn)重大突破。新型稀土拋光材料的研究進展相對緩慢。目前，稀土材料拋光粉的技術(shù)問題主要表現(xiàn)為：

4.1 生產(chǎn)工藝落后

鈰基稀土拋光粉的生產(chǎn)技術(shù)分別采用固相反應(yīng)法和液相反應(yīng)法。固相反應(yīng)工藝以稀土精礦為主要原料，直接在高溫下焙燒，再經(jīng)過精細處理來獲取液相反應(yīng)法是通過沉積、分解、蒸餾，最后再經(jīng)過洗滌和高溫分解等處理獲得超細的物質(zhì)。由于生產(chǎn)工藝和原料的差異，稀土拋光粉的粒度和尺寸的不同。不同的粒徑大小和晶體結(jié)構(gòu)，影響了拋光量和拋光精度。同時，在拋光粉生產(chǎn)過程中前驅(qū)體和沉淀器的選擇，也影響了生產(chǎn)廢水的處理方式。

4.2 粒徑控制技術(shù)不成熟

稀土拋光粉的平均粒徑大小和粒度分布，也是影響拋光粉性能的關(guān)鍵因素。拋光粉的平均粒徑越大，研磨速度也就越高，對拋光物體的表面粗糙度影響也越大。相反，拋光粉的平均粒徑較小，從而減少了磨量，降低研磨速度，也提高了拋光對象的表面光滑度。而拋光粉一般平均粒徑分布范圍較窄，過粗或過細的顆粒也比較少，無大顆粒拋光粉則拋光對象的表面質(zhì)量較高，但少細顆粒拋光粉則可提高研磨速度。高端稀土拋光粉的粒度控制不僅要從中間粒度D50 開始，還要從最大粒度、中間粒度D50 和粒度分布來綜合考慮。

4.3 大顆粒及雜質(zhì)難以消除

稀土拋光粉主要包括了其他的稀土元素La、Pr、Nd，以及其他的稀土金屬元素F、S、Ca、Fe 等。F 和S 的存在改變了拋光粉的結(jié)晶外觀、色澤和拋光特性。在生產(chǎn)過程中，鐵銹、機械雜物、氟化稀土硬粒子會混入，這種雜物和大粒子將嚴重改變拋光粉的拋光特性，造成嚴重劃傷。

4.4 晶型控制不完全

二氧化鈰的晶體形狀和形貌直接關(guān)系著打磨物料的拋光精度和打磨效率。目前，大部分的拋光粉在生產(chǎn)過程中都采用了氟，其前驅(qū)體的制備過程以及后續(xù)的焙燒工藝、氟的導入過程和焙燒工藝等均關(guān)系著氧化鈰的片粒形和厚度。氟化反應(yīng)的不均勻，會造成在焙燒過程中產(chǎn)生大量與稀土氟化物混雜的硬塊，并留下大量未反應(yīng)的稀土氧化物顆粒。而摻雜的氟化稀土顆粒的硬塊也容易產(chǎn)生劃傷。另外，若留下大量不反應(yīng)的稀土氧化物顆粒，將無法長期維持高拋光度。

4.5 高端稀土拋光材料產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的穩(wěn)定性差

高端稀土拋光材料的產(chǎn)業(yè)化，除了保證其基本性能和質(zhì)量指標滿足市場要求之外，還必須保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)批次的一致性，因此在工藝擴大、生產(chǎn)設(shè)備選擇、工藝設(shè)計等方面都非常重要。同時，政府還需要認真考慮節(jié)能、減少消費、三廢排放等問題，以盡可能實現(xiàn)低排放、無污染的生產(chǎn)。

5 稀土拋光粉的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

隨著我國的光電信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，稀土拋光粉的使用領(lǐng)域也在不斷改變，由傳統(tǒng)的電視顯像管用玻殼拋光等普通拋光，到了液晶顯示等更精確的電子光學設(shè)備用高性能拋光?；谮厔莸难芯?，液晶顯示等中高端的電子光學設(shè)備生產(chǎn)工藝也是當前稀土拋光粉的主要應(yīng)用研究熱點。日本昭和已經(jīng)實現(xiàn)電氣裝置、半導體器件拋光、電腦驅(qū)動件拋光、玻璃基拋光、PC 及液晶拋光等的先進技術(shù)，體現(xiàn)出了拋光粉材料在未來的發(fā)展趨勢。而高檔拋光粉的高附加值、經(jīng)濟效益強大，在我國高新科技領(lǐng)域中顯示出重要地位，具有廣闊的應(yīng)用前景。