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稀土功能材料——一种前沿新材料

2019年5月20日,国家领导人到江西考察调研,在金力永磁调研时,提稀土是重要的战略资源,要加大科技创新工作力度,不断提高开发利用技术水平提高附加值,延伸产业链


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稀土功能材料概念及类型、及产业链
稀土功能材料是指依托稀土元素优异的物理、化学特性,通过在功能材料中加入相应稀土元素从而提升其原有材料性质所形成的新材料。

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稀土功能材料分类

常见的稀土功能材料主要包括:稀土永磁材料、稀土催化材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土抛光材料等

(1)稀土永磁材料

定义:稀土永磁材料是指将钐、钕等合稀土金属与钴、铁等过渡金属组成的合金,经磁场充磁后制得的一种磁性材料。

特性:稀土永磁材料比磁钢磁性能高100多倍,是普通永磁材料磁性4倍,钕铁硼是现在磁性最强的永磁材料

(2)稀土催化材料

定义镧、铈、镨等稀土离子由于其独特的4F电子层结构,使其在化学反应过程中表现出良好的助催化性能与功效

分类分子筛稀土催化材料、稀土钙钛矿催化材料、铈锆固溶体催化材料材料

(3)稀土储氢材料

定义:稀土储氢材料指稀土金属中加入某些第二种金属形成合金所形成的在较低温度下能可逆地吸收和释放氢气的材料

特点容量高、可大功率充放电、循环寿命长等

分类AB5型储氢合金、非AB5型稀土型储氢合金(La-Mg-Ni系储氢合金)

(4)稀土发光材料

发光机理稀土4f电子在不同能级间跃出而产生的,因激发方式不同可分为光致发光、电致发光、X射线发光、生物发光等

特点吸收能力强,转换效率高,可发射从紫外到红外的光谱等

(5)稀土抛光材料

定义指一种以氧化铈为主体成分用于提高制品或零件表面光洁度混合稀土氧化物的粉末

特点粒度均匀、硬度适中、抛光效率高、使用寿命长等

分类:按氧化铈含量由低到高,可分为低铈抛光粉、中铈抛光粉、高铈抛光粉。

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稀土功能材料产业链

稀土功能材料产业链包括上游稀土资源开采、中游稀土功能材料加工、下游稀土功能材料应用三大环节。


图1-1 稀土功能材料产业链

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稀土功能材料产业发展现状

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稀土功能材料上游行业现状分析

中国既是稀土资源储量大国、生产大国、出口大国,也是消费大国,其中稀土永磁材料为主要消费领域。

从储量来看:2018年,全球稀土资源总量1.3亿吨,其中中国稀土资源储量4400万吨,占比全球37%。中国稀土资源储量主要分布在包头白云鄂博(占比83%)、山东微湖(占比8%)、四川凉山(占比3%)。

从产量来看:2017年,全球稀土矿石资源产量13.4万吨,其中,中国稀土矿石资源产量10.5万吨,占比全球78.36%。

从出口来看:中国是全球最大出口国。2018年,中国出口稀土矿石资源储量5.3万吨,主要出口至日本、美国、荷兰、韩国等国家。

从消费来看:2017年,全球稀土资源消费中国占比第一,消费领域永磁为主。


图2-1 全球稀土功能材料储量、产量、储量、消费占比图

(数据来源:USGS、UN comtrade、新材料,GEI整理)

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稀土功能材料生产情况

稀土永磁材料新能源汽车、节能环保等产业的高速发展带动稀土永磁材料发展,2017年,稀土永磁材料产量14.8万吨,占比全球稀土永磁材料生产产量的80%-90%。

稀土储氢材料:近年来全球稀土储氢材料95%由中国和日本提供,因原料价格的上涨及锂离子电池的竞争导致镍氢电池产量下降,导致稀土储氢产量下降。

稀土催化材料:化工、新材料等领域迅速发展,推动稀土催化材料的需求量高速增加。

稀土发光材料:受照明产业产品更新换代影响,近年来稀土发光材料产量增速放缓


图2-2 2014-2018年中国各类稀土功能材料产量

(数据来源:新材料,GEI整理)

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国内稀土功能材料产业高地

稀土功能材料产业高地主要集聚在内蒙古、江西、北京、浙江、广东、广西、福建等地,根据产业高地发展特点的不同,可分为资源导向型、创新驱动型、市场导向型、企业规划型四种类型。


图3-1 稀土功能材料产业高地分布图


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资源导向型

以内蒙古、江西等地为重点代表区域,代表性产业高地为包头稀土高新区、江西赣州经开区等。此类型产业高地围绕丰富的稀土矿产资源,以稀土资源开采、加工为主形成的产业集群基础上所发展形成其发展受稀土资源开发/利用程度、资源储量、交通运输成本等影响

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驱动创新型

北京市稀土永磁材料的“发源地”。北京拥有稀土永磁材料国家重点实验室3个、国家工程技术中心4家、生产厂商超16家等。此类型产业基地依托区域丰富科研资源和技术研发实力,重点对科技成果加以利用转化,在当地或周边地区实现产业化生产

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市场导向型

以浙江、广东等制造业发达的地区为重点代表区域,代表性产业高地为宁波高新区、梅州高新技术产业园等。此类型产业高地是以下游稀土应用市场需求为动力发展起来,高地周边经济活跃度、交通便利程度、技术转移程度对园区的形成具有较大影响。

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企业规划

以广西、福建等地为重点代表区域。大型稀土企业在关键地区进行产业布局,建设产业园区,在发挥龙头企业带动作用的同时,利用与下游关联企业的关系引导稀土重大项目落户,完善稀土产业链条。以厦门钨业为代表已在福建建设龙岩稀土工业园和三明稀土产业园。

不同类型稀土功能材料产业高地,其发展特点有显著差异。

表3-1 代表性稀土功能材料产业高地特点


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典型企业案例

目前,稀土功能材料行业已形成一批极具代表性的企业。

中国六大稀土集团包括北方稀土、厦门钨业、中国五矿、广西稀土、南方稀土、中铝公司,其中四大稀土集团业务涉及稀土功能材料的研发及生产。稀土“十三五”规划中明确提出,2020年底国家将完成以六大稀土集团为代表的稀土开采、冶炼分离、资源综合利用企业的整合,推动国内稀土企业资产优化、兼并重组、或形成北方一家稀土公司和南方五家稀土公司的新格局。


图4-1 稀土功能材料重点企业

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北方稀土

中国北方稀土(集团)高科技股份有限公司始建于1961年,前身是包钢8861稀土实验厂,1997年9月由包钢(集团)联合嘉鑫,以包钢稀土三厂、选矿厂稀选车间资产为基础,发起成立股份有限公司并成功上市。

目前,北方稀土已拥有2家分公司、2家全资子公司、10家绝对控股公司、13家相对控股公司及10家参股公司


图4-2 北方稀土企业架构

(1)稀土产品/材料产品线广、生产量大:①可生产各类稀土产品共11个大类、50余种、近千个规格;②冶炼分离产能8万吨/年、稀土金属产能1万吨/年,稀土原料产能全球第一;③稀土磁性材料合金3万吨/年,产能居全球第一;抛光材料产能1.4万吨/年、贮氢合金3千吨/年,占国内市场份额50%以上;发光材料1千吨/年;④已建成年产100台稀土永磁磁共振成像仪生产基地,混合汽车用圆形镍氢动力电池100万只/年能力。

(2)拥有绝对控股公司-包头稀土研究院:包头稀土研究院是全国最大的综合性稀土科技研发机构,拥有以科技开发和行业服务及生产经营为主的全资、控股、参股公司13家 。研究领域包括湿法冶金、金属材料、稀土功能材料、资源环境等 。曾承担“863计划”、“973计划”等国家级科技项目、省部地市级研发项目等各类项目1900多项,取得各类科研成果850多项,获得国家授权专利100多项。建有国家重点实验室、国家工程研究中心、国家稀土产品质量监督检验中心等。

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厦门钨业

厦门钨业成立于1958年,业务领域涉及钨、钼、稀土、能源新材料等行业,其中稀土功能材料涉及稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料等 。作为全国六大稀土集团之一,公司已形成从稀土矿山开发、冶炼分离、稀土功能材料和科研应用等较为完整产业体系。


图4-3 厦门钨业稀土产业业务领域

为拓展公司稀土功能材料产业链,厦门钨业与龙岩市政府签订战略合作协议,规划建设龙岩稀土工业园 。园区重点发展稀土磁性材料及其应用产品,形成空调、汽车、电脑等稀土磁性电机及应用产品产业集群。

2018年,三明经开区欲建设三明稀土产业园,依托三明稀土与上下游关联企业的关系,引导稀土重大项目落户,形成稀土发光材料、现代LED显示器、照明器具等应用产品产业链。

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未来发展趋势

需求持续增加、技术持续创新、应用领域拓宽、传统材料被替代等成为稀土功能材料未来重点发展趋势。

稀土功能材料:在国家新材料政策扶持和新能源、电子信息等行业带动下,稀土永磁材料需求将高速增长钕铁硼永磁材料将代替其他磁材,因其有较高的内禀矫顽力、磁能积和剩磁强度,同时基于其小型化和节能环保的优点,应用领域广泛,初置成本虽然较高,但长期节能价值更为突出。

稀土催化材料降低催化剂制造成本,特别是制备新工艺和新装备的研发;改进催化性能,提高催化剂耐久性,开发适用于在烟气脱硫脱氮、污水处理、芳烃等有机工业净化、室内空气净化等领域应用的稀土催化材料和集成技术等。

稀土储氢材料:新型稀土储氢合金的开发是高端镍氢电池发展重要支柱,容量高、寿命长、功率特性好的材料成趋势 ;新能源汽车的高速发展,推动稀土储氢材料在燃料电池、稀土合金储氢罐等领域的应用。

稀土发光材料:随着传统荧光灯产品的开发拓展、新兴LED照明的研发完善,稀土发光材料在照明领域地位将加强 ;伴随着节能照明和消费电子产业的崛起,稀土发光材料行业内新技术新产品层出不穷,应用领域将像光转换农膜、生物发光标记等领域扩展。

注:部分图片来源网络,侵歉删