稀土不稀有了?科学家合成宇宙磁铁可取代稀土!咱们该咋办?
"中东有石油,咱们中国有稀土。"
稀土同石油一样,都是工业生产的重要元素,别称是工业维生素,有工业"黄金"之称。在巅峰时期,我国稀土储量的全球占比高达80%-90%。
只是随着大量的开采和出口,以及其他国家也发现了不少稀土矿,我国稀土储量的世界占比也在逐渐下降,目前是37%左右。并且还会继续下降。但我国稀土提纯技术世界顶尖,因此依旧处于支配地位,几乎垄断了全球生产。
而需要注意的是,稀土并非是土,而是化学元素周期表中镧系元素镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu),加上与其同族的钪(Sc)和钇(Y),共17种金属元素的总称。
并且由于稀土具备独特的物理化学性质,几乎所有国家都需要进口。尤其是美国,他们80%的稀土依赖于中国的出口。
因为有了稀土,就能制造出性能各异,品种繁多的新型材料,在现代工业之中具有不可或缺的作用。特别是在全球都在追求节能减排,大力发展新能源的背景下。
目前,在新能源汽车、工业电机、风力发电等下游需求的强劲驱动下,稀土永磁材料将是稀土功能材料中,最具潜力和价值的应用领域。
因为稀土永磁最主要的用途是电机,与传统异步电机相比,采用稀土永磁材料的永磁同步电机具有高效率、高功率因数、高功率密度、温升低、可靠性高等优点,具有较好的节能效果。
而受益于新能源汽车和电子工业等领域的高速发展,稀土永磁材料(钕铁硼)在全球稀土消费量中占比达35%,对应高达91%的消费价值,顺理成章的成为稀土消费量和消费价值占比最高的应用领域。
从而有人估计,新能源车对高端钕铁硼磁铁的需求,将从2020年的1.26万吨,增加到2025年的6.12万吨,年化增速接近40%。可以说稀土决定了新能源的未来。
但显然如此重要的稀土资源几乎被咱们国家垄断,是会让其他国家恐惧的。这不,英国一高校就一直在尝试人工制造"宇宙磁铁",作为稀土的替代品。并且还成功了,现已将研究成果发表在《高级科学》杂志上。
所谓"宇宙磁铁"就是新型磁性材料——四方镍纹石(tetrataenite),一种铁-镍合金。由于其原本只能在有数百万年历史的陨石中才能自然形成,故命名为"宇宙磁铁"。
重要的是这种磁性材料不需要稀土元素,由50%的铁和50%的镍组成。且铁和镍原子交替排列,为规则的周期性晶体结构。它产生一种硬磁,即磁化方向不会轻易改变,因此其磁性能接近稀土磁体。如果要是能人工制造,完全有机会取代稀土磁体。
此前,四方镍纹石只能通过在实验室中,依靠一些非商业化方法制造。例如在 1960 年代,科学家们就曾通过用中子轰击铁镍合金来人工形成四方镍纹石,使原子能够形成所需的有序堆叠,但显然这种技术并不适合大规模生产。不过现在情况发生了改变!
研究人员发现,通过添加常见元素磷,就有可能批量生产四方镍纹石。他们说,存在于陨石中的磷可以让铁和镍原子移动得更快,使它们能够形成必要的有序堆叠,而无需等待数百万年。
通过混合适量的铁、镍和磷,他们能够将四方镍纹石的形成速度提高 11 到 15 个数量级,使其在简单的铸造中在几秒钟内形成。
无需等待百万年,只需将合金熔化,将其倒入模具中,就得到了可以媲美稀土磁体的四方镍纹石,显然是能够动摇我国稀土地位的事情。
不过总得来说,这项技术离商用还有一段时间,而且稀土作为极其重要的矿产资源,也不仅仅是制造优质磁体。
一直以来,稀土被广泛应用于国防工业、冶金、机械、电子、石油、化工、玻璃、陶瓷、纺织、皮革、农牧养殖等各传统方面领域,在社会生活中几乎随处可见。
例如钆(gá)可用于核反应堆的抑制剂,是核应用的"安全保护神";铒(ěr)的光学性质突出,是光纤信息高速公路的护航者;铥(diū)则是医疗上诊断和治疗肿瘤的好帮手。因此在短期内,我国的稀土地位还无法动摇,但也要未雨绸缪,早做打算!
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