稀土材料及技術(shù)替代策略分析
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近幾年來有一個說法在稀土業(yè)內(nèi)以較高頻次被提及，那就是“替代”。人們常常講到稀土材料被其他材料替代，或稀土材料或稀土應(yīng)用技術(shù)替代了另外一些材料和技術(shù)。如何評價稀土材料及技術(shù)的替代，或者被替代，相應(yīng)地產(chǎn)生何種效應(yīng)，是下面要分析和討論的話題。
一、工程技術(shù)的發(fā)展史是技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步的歷史，也是新技術(shù)、新材料、新產(chǎn)品替代老技術(shù)、老材料、老產(chǎn)品的歷史
從人類文明的發(fā)展歷史看，上面提到的替代從幾千年前就開始了，如青銅工具取代石器，鐵器又取代青銅器。到了近現(xiàn)代，這種替代愈發(fā)明顯和加速，而且這種替代和被替代會生生不息地持續(xù)下去。一般來說，這種材料或技術(shù)的替代源于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，會產(chǎn)生更好的使用效果，更理想的性價比，并帶來更低的資源或能源消耗。
技術(shù)及產(chǎn)品替代可分為三種。第一種是系統(tǒng)替代或全面替代，如鐵路牽引由蒸汽到柴油機(jī)再到電動車；第二種是改進(jìn)型替代，如汽車發(fā)動機(jī)油耗因技術(shù)進(jìn)步逐漸降低；第三種是所謂顛覆性替代或創(chuàng)新，如數(shù)碼照相技術(shù)對膠卷相機(jī)的替代等等。
稀土新材料的發(fā)展特別是永磁、發(fā)光等四種主要材料的發(fā)展，對上述覌點(diǎn)做出了最有力的詮釋。讓我們先從發(fā)光材料說起，1964年銪激活的釩酸釔（YVO4：Eu3+）問世，作為彩電的紅粉，真正解決了多年來彩電粉中紅粉性能缺失導(dǎo)致彩電屏色彩嚴(yán)重失真問題，從此令人賞心悅目的彩色電視取代黑白電視，人們共享視覺藝術(shù)的盛宴。1973年，稀土三基色熒光粉的推出，直到近幾年日漸成熟的LED技術(shù)，使人類照明和顯示進(jìn)入了低耗高效的新時代。而1983年研發(fā)成功的第三代稀土永磁釹鐵硼，其磁能積為鐵氧體磁體的6-10倍，被稱為磁王。它對其他已有的磁性材料豈止是替代，而是以其他材料難以企及的磁能積，優(yōu)異的性價比，使眾多的電磁應(yīng)用產(chǎn)品如電機(jī)、HDDR、MRI、EPS等同時做到了輕量化和高使用性能。采用稀土永磁電機(jī)和稀土鎳氫電池的混合動力汽車（HEV），平均油耗下降20%-40%。如第三代普銳斯車，其油耗低至2.63升/百公里，而同類型車一般為6.3升/百公里。儲氫材料、催化材料，還有其他各種稀土功能材料也都如此，都對原有技術(shù)或產(chǎn)品做出了破壞性或創(chuàng)新性替代，這是否定之否定的勝利，是燦爛的工業(yè)文明的一次又一次飛躍。
二、宏觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的替代趨勢及對稀土產(chǎn)業(yè)的影響
宏觀經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)程呈現(xiàn)以下六個趨勢：
1、消費(fèi)替代投資成為拉動經(jīng)濟(jì)增長的主要動力。如2011年我國最終消費(fèi)對經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)率為55%，2012年為51.8%，2014年超過50%，對GDP的貢獻(xiàn)率亦超過五成。
2、內(nèi)需替代外需過程加速，如1906年我國對外貿(mào)依存度65.2%，而2012年為47%，2014年更降為41.5%。
3、服務(wù)業(yè)增長快于一、二產(chǎn)業(yè)增長，但我國第三產(chǎn)業(yè)占比仍低于發(fā)達(dá)國家。
4、低碳經(jīng)濟(jì)替代高碳經(jīng)濟(jì)成為調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的主要目標(biāo)，低碳和循環(huán)經(jīng)濟(jì)呼喚新技術(shù)、新產(chǎn)品的推出，乃至新的商業(yè)模式出現(xiàn)。
5、城鎮(zhèn)化與工業(yè)化帶來更多商機(jī)和市場。
6、以信息技術(shù)為代表的新興技術(shù)和產(chǎn)業(yè)部分替代傳統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，其中也不乏前者對后者的提升，并且對新材料、新技術(shù)、新裝備提出了更高要求。
面對以上六個宏觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要趨勢，稀土產(chǎn)業(yè)應(yīng)危中尋機(jī)，難中求進(jìn)，主動尋找市場，培育市場，恢復(fù)失去的市場，更好地在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級，高新技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)替代、迭代、改造的進(jìn)程中，尋求自己的生存與發(fā)展空間。比如說，今后要更加重視稀土原材料在新一代信息技術(shù)中的應(yīng)用，著力拓展稀土在機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、軌道交通、海洋工程裝備、農(nóng)機(jī)機(jī)械裝備等領(lǐng)域的應(yīng)用，擴(kuò)大在3C產(chǎn)品等民用電子信息消費(fèi)品中的消費(fèi)量，鞏固在新能源、新能源汽車中取得的成果，研發(fā)并生產(chǎn)高性價比稀土新材料，探索在生物工程、醫(yī)療保健設(shè)備，以及醫(yī)藥特別是外用藥中的新應(yīng)用。
三、稀土在高新技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)/產(chǎn)品替代中發(fā)揮了重要作用
1794年芬蘭化學(xué)家加多林發(fā)現(xiàn)稀土以來，稀土從“養(yǎng)在深閨人未識”到初步應(yīng)用，再到發(fā)揮重要作用，迄今已有221年的歷史了。1891年稀土及釷用于煤油燈罩應(yīng)算是最早的或說初級的應(yīng)用。隨后的一二十年又有發(fā)火合金，及用于放映電影的弧光燈問世。1947年鈰用于球墨鑄鐵，是鑄造史上具有里程碑意義的發(fā)明。但真正在現(xiàn)代工程材料中的應(yīng)用還是從上世紀(jì)60年代開始，代表產(chǎn)品主要有加入鑭的高檔光學(xué)玻璃，以及SmCo5磁體，這一磁體的應(yīng)用使大中型火箭制導(dǎo)系統(tǒng)輕量化和精確化。而其后每10年左右，就有一種重要稀土新材料問世，如1970年的LaNi5，1983年的釹鐵硼磁體，1996年的白光LED等等。這些稀土新材料、新技術(shù)對原有材料和技術(shù)的替代，在功能材料及結(jié)構(gòu)材料歷史上，一次次刷新產(chǎn)品相關(guān)指標(biāo)的記錄，并推動相關(guān)元器件和整機(jī)性能的全面提升。使得以電機(jī)、顯示器、充電電池、3C產(chǎn)品等為代表的新產(chǎn)品，不斷地向輕量化、高性能、高效率、低能耗方向發(fā)展。
四、各國實(shí)施稀有、稀土資源替代策略和措施的狀況
多年來各發(fā)達(dá)國家十分重視制定稀有、稀土資源替代策略和措施，并加大實(shí)施力度。如日本相關(guān)的替代重點(diǎn)有如下內(nèi)容：電子材料方面注重以鋅替代銦，用來生產(chǎn)透明電極；尋找鎵、錫的替代材料；在催化劑領(lǐng)域開展金屬有機(jī)化合物替代鉑；在切削刀片方面用鈦部分取代鎢。在稀土的替代方面，則是在釹鐵硼中對鏑的替代和減量化，發(fā)光材料中對鋱的替代等。2007年日本文部科學(xué)省、經(jīng)產(chǎn)省就提出了“元素戰(zhàn)略計(jì)劃”，“稀有金屬替代材料”計(jì)劃。2011年日本經(jīng)產(chǎn)省向企業(yè)界發(fā)放了421億日元補(bǔ)貼，用于稀土減量化技術(shù)開發(fā)和稀土回收利用技術(shù)，110個公司的160個項(xiàng)目受益。2013年9月，日本文部省、經(jīng)產(chǎn)省組織啟動超級計(jì)算機(jī)“京”，研究利用穩(wěn)定開采的天然資源代替稀土，以生產(chǎn)性能相同或相近的新材料，主要考慮采用鈉、硅、鈣等20種儲量豐富的常見元素。東大等高校及科研單位2500人參與研發(fā)。美國、德國等國家也有類似的項(xiàng)目和可觀的投入。
從稀土替代的效果看，2011年日本東京大學(xué)開發(fā)了無稀土強(qiáng)力永磁體，可用于混合動力車和家電；2012年5月，日本信越化工稱滲鏑工藝成功用于釹鐵硼材料，空調(diào)用稀土永磁用鏑量減半；而美國鉬公司與Boulder Wild公司開發(fā)了少用或不用鏑的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
五、對其他稀有金屬的替代比稀土更緊迫
人們經(jīng)常講稀土如何稀缺，要重視對稀土的替代。其實(shí)稀土不稀，更為稀缺的資源所在多有�！安蛔R廬山真面目，只緣身在此山中”。作為稀土圈內(nèi)的業(yè)內(nèi)人士，也包括眾多關(guān)心稀土的粉絲，應(yīng)該知道更需要替代的資源不是稀土，而是銦、銻、鉍、鍺、錫、鎵等為代表的其他稀有金屬。這些稀有金屬雖不像貴金屬鉑、銠、鈀等那么稀少而昂貴，但它們的地球儲量也大大少于稀土。它們的豐度值如下（PPM）:銦0.049，銻0.2，鉍0.048，鍺1.8， 錫2.2，鎵18。最能說明問題的是時下最火的鋰離子電池的鋰資源，鋰的豐度只有20ppm，那么稀土是多少呢？鈰+鑭+釹+鐠=68+32+38+9.5=147.5，是鋰的豐度的7.37倍。還有大家很熟悉的鉛，可能認(rèn)為它并不稀缺，而實(shí)際上鉛的豐度只有14ppm，而釹的豐度是38，那么有誰能想到鉛還比釹更稀少呢？而鉑、銠、鈀分別為0.003，0.0002，0.0006，稀土中的低豐度元素鈥為1.4，鋱為1.1，鋱的豐度是銠的5500倍。當(dāng)然以上數(shù)據(jù)是各元素在大陸上的地殼中的豐度，上地殼的資源是較易開采的，而不少元素在大陸中地殼和大陸下地殼的分布與上地殼僅略有差異而已。
再從與現(xiàn)代工程材料常用的幾種資源來看，它們的可開采年限大大低于稀土的可開采量，這也是很容易被人們忽略的基本事實(shí)。比如銦的可采年限為10年，鉑為15年，鎢為23年，而銻只有5年，這真是令人難以置信。當(dāng)然還有很多元素，開采年限也只有十幾到幾十年的時間。全球稀土儲量至少在1億噸以上，按年采15萬噸，則可采年限為666年。需要指出的是，上述年限都是估算的靜態(tài)數(shù)據(jù)，今后會有新的可采資源被發(fā)現(xiàn)，隨著技術(shù)的進(jìn)步和對稀缺資源價格的寬容度的提升，動態(tài)的使用年限一般都會被延長，甚至延長很多，其中也包括稀土。
從上面的基本數(shù)據(jù)和基本態(tài)勢的描述中，我們應(yīng)該得出稀土及其他稀有、稀貴、稀散金屬的“廬山真面目”，那就是我們這個星球上比稀土還要稀少的資源還有很多，那么結(jié)論自然應(yīng)該是：保護(hù)好行將耗盡的稀有、稀貴、稀散資源。尋找儲量較大、開采年限較長的資源去替代它們，還有一條結(jié)論應(yīng)該是開發(fā)用稀土尤其是輕稀土去取代更稀缺的資源（元素）的新技術(shù)。
六、稀土材料被替代的原因分析
多年來發(fā)達(dá)國家用其他原材料替代稀土的呼聲不絕于耳，各國的很多舉措也加大替代稀土和稀土減量化研究的力度。2011年之后這種趨勢尤為明顯。究其原因不外乎以下幾條：
一是稀土原料供應(yīng)出現(xiàn)的特定情況。從上世紀(jì)80年代中期以后，中國成為全球最大的稀土供應(yīng)國。長期以來，中國以全球23%的儲量，供應(yīng)了全球稀土需求量的90-97%。為保護(hù)資源和減少環(huán)境污染、恢復(fù)生態(tài)，實(shí)行了兩個指令性計(jì)劃，并設(shè)置了出口配額和相應(yīng)的關(guān)稅。盡管出口配額基本滿足了國外需求的量甚至還用不完，盡管我們做出了環(huán)境和生態(tài)的巨大犧牲，但稀土主要消費(fèi)國家還是不滿意。他們在WTO鍥而不舍地拿配額及關(guān)稅說事，同時加大中國以外的稀土資源開采。在這種半是虛構(gòu)的所謂稀土供應(yīng)有問題的思維支配下，大力推出稀土替代就是不足為怪的了。
二是曾經(jīng)的價格劇烈波動引發(fā)了替代。這一現(xiàn)象以2011年為典型。當(dāng)時確實(shí)因高價（或天價）稀土，給當(dāng)時迅猛發(fā)展的釹鐵硼為代表的新材料澆了一盆冷水，原本用鐵氧體等老材料被高性能的稀土材料替代的大好局面，變成了返回了老材料的逆向替代，從而丟失了不少培育了二十余年的釹鐵硼市場。而恢復(fù)失地則是步履艱難。
三是由于技術(shù)或技術(shù)集成的變化造成稀土材料被替代，對于普遍具有高性價比的稀土新材料而言，這種情況并不多見。典型的案例是格力集團(tuán)的相關(guān)技術(shù)。格力+獲廣東省科技進(jìn)步特等獎的無稀土永磁材料的空調(diào)電機(jī)及控制技術(shù)，采用同步磁阻電機(jī)及控制技術(shù)，比稀土變頻機(jī)能源效率提高7.3%，抗退磁能力提升41%，成本下降22%，震動和噪聲也明顯降低。這種替代在技術(shù)上講屬于一種系統(tǒng)替代，既基本技術(shù)或技術(shù)原理發(fā)生改變，從而導(dǎo)致材料及設(shè)備都發(fā)生根本性的變化。一般來說從材料到技術(shù)到裝備全面地被替代。
四是重稀土元素如鏑、鋱因資源相對緊缺，價格相對高企而引發(fā)了替代或減量化技術(shù)的發(fā)展。所幸的是目前鏑、鋱等中重稀土供應(yīng)已不再緊張，價格也可接受，在高端釹鐵硼生產(chǎn)中很難被完全取代。
七、下面我們做一個簡單的總結(jié)
1、稀土發(fā)展史是一部科技創(chuàng)新史，也是稀土新技術(shù)、新材料、新裝備對原有技術(shù)、材料和裝備的替代的歷史。
2、上述替代包括改進(jìn)性替代，主要源于工程化技術(shù)的提升；也包括全面替代或顛覆性替代，主要源于基礎(chǔ)研究或應(yīng)用基礎(chǔ)研究；
3、稀土新材料推廣及應(yīng)用，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境生態(tài)效益，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于稀土新材料產(chǎn)生自身的效益；
4、與某些稀有、稀貴、稀散金屬相比，稀土在地殼中的豐度比較高，稀土資源可使用年限要長的多，因而鍺、銦、鉍、鎵、釕、銠、鈀等元素的替代及減量化技術(shù)的開發(fā)顯得更為重要和緊迫；
5、稀土原材料對原有原材料的替代，具有優(yōu)異的性能和性價比，并顯著提高相關(guān)產(chǎn)品的符合性能，而且一般來說稀土原材料很難被替代，或替代后會犧牲性能或降低性價比；
6、稀土上中下游企業(yè)應(yīng)良性互動、共同發(fā)力，擴(kuò)大稀土在中高端功能材料，及優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用量。特別要注意恢復(fù)、培育、發(fā)展以釹鐵硼為代表的主要稀土材料的市場，爭取更大的發(fā)展空間。稀土業(yè)內(nèi)人士要努力避免稀土被替代，同時在更強(qiáng)更優(yōu)的新一代材料出現(xiàn)之前，絕不輕言對稀土的替代。
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