稀土具有工业“黄金”之美誉,稀土由于拥有十分优良的光电磁等物理特性,能与其他材料组成性能各异、品种繁多的新型材料,所以,稀土最显著的功能能够大幅提高其他产品的质量和性能。比如大幅度提高用于制造飞机、坦克、导弹的钢材、铝合金、镁合金、钛合金的战术性能。
稀土是电子、激光、核工业、超导等诸多高科技的润滑剂。稀土材料科技一旦被用于军事,势必带来军事科技的大幅飞跃。比如美军在冷战后几次局部战争中之所以能够具有压倒性的控制,一个重要原因是缘于在稀土科技领域的更胜一筹。
二、在冶金工业作用:
将稀土金属或氟化物、硅化物加入到钢中,可以起到精炼、脱硫、中和低熔点有害杂质的作用,还可以改善钢的加工性能;稀土硅铁合金、稀土硅镁合金作为球化剂生产稀土球墨铸铁,由于这种球墨铸铁特别适用于生产有特殊要求的复杂球铁件,被广泛用于汽车、拖拉机、柴油机等机械制造业;将稀土金属添加至镁、铝、铜、锌、镍等有色合金中,可以改善合金的物理化学性能,并提高合金室温及高温机械性能。
三、在石油化工作用
采用稀土制成的分子筛催化剂,具有活性高、选择性好、抗重金属中毒能力强的优点,因而取代了硅酸铝催化剂用于石油催化裂化过程;
在合成氨生产过程中,用少量的硝酸稀土为助催化剂,其处理剂量比镍铝催化剂大1.5倍;在合成顺丁橡胶和异戊橡胶过程中,采用环烷酸稀土-三异丁基铝型催化剂,可以获得的产品性能优良,具有设备挂胶少,运转稳定,后处理工序短等优点;复合稀土氧化物还可以用作内燃机尾气净化催化剂,环烷酸铈还可用作油漆催干剂等。
四、在玻璃陶瓷作用
在玻璃陶瓷方面的应用主要包括:超导陶瓷、压电陶瓷、导电陶瓷、介电陶瓷及敏感陶瓷等。
稀土氧化物或经过加工处理的稀土精矿,可作为抛光粉广泛用于光学玻璃、眼镜片、显像管、示波管、平板玻璃、塑料及金属餐具的抛光;在熔制玻璃过程中,可利用二氧化铈对铁有很强的氧化作用,降低玻璃中的铁含量,以达到脱除玻璃中绿色的目的;添加稀土氧化物可以制得不同用途的光学玻璃和特种玻璃,其中包括能通过红外线、吸收紫外线的玻璃、耐酸及耐热的玻璃、防X-射线的玻璃等;在陶釉和瓷釉中添加稀土,可以减轻釉的碎裂性,并能使制品呈现不同的颜色和光泽,被广泛用于陶瓷工业。
在锆钛酸铅(PZT)陶瓷中添加稀土镧而获得的锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷,不但是一种优良的电光陶瓷,而且因其具有形状记忆功能,即体现出形状自我恢复的自调谐机制,因此,也是一种智能陶瓷。
智能陶瓷材料概念的提出,倡导了一种研制和设计陶瓷材料的新理念,对拓宽稀土在近代功能陶瓷中应用极为有利。近年的研究还表明,稀土在生物陶瓷、抗菌陶瓷等新型陶瓷材料中也有着独特的作用。由于稀土元素可与银、锌、铜等过渡元素协同增效,开发的稀土复合磷酸盐抗菌可使陶瓷表面产生大量的羟基自由基,从而增强了陶瓷的抗菌性能。
稀土钴及钕铁硼永磁材料,具有高剩磁、高矫顽力和高磁能积,被广泛用于电子及航天工业;纯稀土氧化物和三氧化二铁化合而成的石榴石型铁氧体单晶及多晶,可用于微波与电子工业;用高纯氧化钕制作的钇铝石榴石和钕玻璃,可作为固体激光材料;稀土六硼化物可用于制作电子发射的阴极材料;镧镍金属是70年代新发展起来的贮氢材料;
铬酸镧是高温热电材料;当前世界各国采用钡钇铜氧元素改进的钡基氧化物制作的超导材料,可在液氮温区获得超导体,使超导材料的研制取得了突破性进展。另外,稀土还广泛用于照明光源,投影电视荧光粉、增感屏荧光粉、三基色荧光粉、复印灯粉;在农业方面,向田间作物施用微量的硝酸稀土,能使产量增加5~10%;在轻纺工业中,稀土氯化物还广泛用于鞣制毛皮、皮毛染色、毛线染色及地毯染色等方面。
五、在农业方面的作用
稀土元素可以提高植物的叶绿素含量,增强光合作用,促进根系发育,增加根系对养分吸收。稀土还能促进种子萌发,提高种子发芽率,促进幼苗生长。除了以上主要作用外,还具有使某些作物增强抗病、抗寒、抗旱的能力。
大量的研究还表明,使用适当浓度稀土元素能促进植物对养分的吸收、转化和利用。玉米用稀土拌种,出苗、拔节比对照早1~2天,株高增加0.2米,早熟3~5天,增产14%。
稀土(Rare Earth),是化学周期表中镧系元素和钪、钇共十七种金属元素的总称。自然界中有250 种稀土矿。最早发现稀土的是芬兰化学家加多林(John Gadolin)。他于1794 年从一块形似沥青的重质矿石中分离出第一种稀土“元素”(钇土,即Y2O3)。由于18 世纪发现的稀土矿物较少,当时只能用化学法制得少量不溶于水的氧化物,历史上习惯地把这种氧化物称为“土”,因而得名稀土。
根据稀土元素原子电子层结构和物理化学性质,以及它们在矿物中共生情况和不同的离子半径可产生不同性质的特征:
轻稀土包括:镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、。
重稀土包括:钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。
按照矿物特点分类:
铈组(轻稀土)—镧、铈、镨、钕、钷、钐和铕;
钇组(重稀土)—钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥和钪。
按萃取分离分类:
轻稀土(P204弱酸度萃取)—镧、铈、镨、钕;
中稀土(P204低酸度萃取)—钐、铕、钆、铽和镝;
重稀土(P204中酸度萃取)—钬、铒、铥、镱、镥、钇。
中国的稀土储量最多时占世界的71.1%,目前占比在23%以下。
中国稀土储量在1996至2009年间快速下降到37%,只剩2700万吨。按此生产速度,中国的中、重类稀土储备仅能维持15至20年,在2040-2050年前后必须从国外进口才能满足国内需求。
中国并非全球唯一拥有稀土的国家,却在过去几十年承担了世界稀土供应的角色。
值得一提的是,日本始终在世界范围内四处寻找能够替代中国的稀土供应源。日本东京计划投资12亿美元用来改善稀土供应状况。日本曾经与蒙古“闪电”达成协议,开发该国的稀土资源。另一稀土消耗大国韩国也有类似的计划。韩国之前曾经宣布将投资1500万美元,在2016年前储备1200吨稀土。
二、中国的钛
中国钛资源储备约两亿吨,占到世界总储量的28.9%,位居全球第一。据2012年美国地质调查局公布的资料,全球钛铁矿储量6.5亿吨;金红石储量4200万吨,二者合计储量约6.92亿吨。钛在地壳中主要存在形态为钛铁矿及金红石的形式存在。
中国探明的钛资源分布在21个省(自治区、直辖市)共108个矿区。主要产区为四川,河北、海南、广东、湖北、广西、云南、陕西、山西等地,其中以四川储量最大。
钛虽然是一种新型的金属,人类开发应用历史仅百年之久,但是钛在地壳中的含量却比常见的铜、镍、锡、铅、锌都要高。钛矿矿床多为多金属共生矿,且以金属氧化物的形式存在。具有工业利用价值的钛资源主要是:钛铁矿、金红石、锐钛矿、板钛矿、白钛矿、钙钛矿,其中钛铁矿和金红石的矿产资源最为丰富
世界上总共有三十多个国家拥有钛资源,主要分布在:中国、澳大利亚、印度、南非等国家。据美国地质调查局(USGS)2015年公布的数据表明,世界上锐钛矿、钛铁矿和金红石的资源总量超过20亿吨,其中钛铁矿储量约为7.2亿吨,占全球钛矿的92%,金红石储量约为4700万吨,二者合计储量约7.67亿吨。
全球钛资源主要分布在澳大利亚、南非、加拿大、中国和印度等国家,其中中国、印度等主要是岩矿;澳洲、美国主要是砂矿;南非的岩矿和砂矿都非常丰富。美国地质调查局(USGS)2015年公布的钛铁矿前五名为:中国(2亿吨)、澳大利亚(1.7亿吨)、印度(8500万吨)、南非(6300万吨)、巴西(4300万吨);金红石矿产储量前三为澳大利亚(2800万吨)、南非(830万吨)、印度(740万吨)。
根据USGS全球钛铁矿储备分布数据: 钛铁矿占我国钛资源总储量的98%,金红石仅占2%。根据USGS2015年公布的数据,我国钛铁矿储量2亿吨,占全球储量28%,排名全球第一。
中国主要以钛磁铁矿岩矿为主,主要矿床分布在:四川省的攀枝花和红格,米易的白马,西昌的太和;河北省承德的大庙、黑山,丰宁的招兵沟,崇礼的南天门;山西省左权的桐峪;陕西省洋县的毕机沟;新疆的尾亚;河南省舞阳的赵案庄;广东省兴宁的霞岚;黑龙江省的呼玛;北京市昌平的上庄和怀柔的新地。其中四川省表内储量(TiO2 44256.32万吨)占全国同类储量(TiO2 46522.83万吨)的95.1%,河北省(TiO2 1544.46万吨)占3.3%,陕西省占0.46%,山西省占0.35%。