技术突破促稀土资源综合利用

2014年, 世界贸易组织就中国的稀土出口管理措施最终裁决中国败诉。商务部日前公布的《2015年出口许可证管理货物目录》明确取消了已执行了16年的稀土出口配额制度。在这种形势下, 如何提振中国稀土产业?业内认为, 未来取决于我们能否在该领域占有高科技优势, 而不能再单纯依靠资源优势。

长期以来, 我国的稀土供应了全球90%以上的需求, 但专利技术主要掌握在西方大国手中, 一方面我国无法自行生产高端产品, 另一方面还要向国外专利持有人支付巨额专利费。为打破这种局面, 我国科技工作者进行着不懈努力。其中, 北京大学杨应昌院士主持、由北京大学与北京恒源谷科技股份有限公司联合开发的高性能各向异性钐铁氮磁粉及其粘结磁体取得重大突破, 已经通过了国家863验收, 进入规模化量产阶段。据称, 此发明是我国在稀土永磁领域唯一的一项原创性发明, 拥有完全的知识产权, 标志着我国在稀土科技领域的地位和影响日益显著, 这对于综合利用稀土资源, 提高资源利用率, 进一步推进电器小型化、节能化发展具有重要的意义。北京恒源谷科技股份有限公司总经理王新安对此发表了自己的看法。

知识产权曾长期受制于人

稀土功能材料是十三类新材料之一, 在国家战略性新兴产业中发挥着核心基础材料作用, 其中, 稀土永磁材料是稀土功能材料最重要的方面。

20世纪80年代以来, 稀土永磁材料主要是用来生产钕铁硼。钕铁硼是一种非常优秀的永磁材料, 但也有其不足, 其中最主要的问题就是, 用这种材料制作粘结磁粉, 其晶体结构是各向同性的, 最大磁能积仅到16MGOe, 不能适应高端领域产品的需求。其次, 粘结钕铁硼的成型工艺受到限制, 不适宜制作柔性磁体和复杂异形磁体。第三, 钕铁硼磁粉的专利归外国公司所有, 受到国外知识产权的制约。我国国内生产钕铁硼的企业很多, 有些还是上市公司, 但都不具有钕铁硼的专利权, 需要向国外支付专利费, 同时, 这些企业之间又存在竞争, 导致利润越来越低, 产能严重过剩, 很多企业开工不足, 因此, 需要开发新产品来尝试改善这种局面。

此外, 还要看到, 稀土资源并非中国独有, 日本等国已开始尝试从其他国家寻求资源来源, 我国的资源优势可能会逐渐降低, 因此, 很有必要通过科技创新来提振整个稀土产业。

钐铁氮研发获突破, 开始规模量产

稀土金属是伴生的, 随着钕铁硼材料的大量应用, 在开发提炼钕的同时, 积压了大量同时提炼出来的其他稀土元素, 如钐。如何综合有效利用稀土资源, 是我们一直关注的一个课题。

与该项目有关的研究, 北京大学已经持续进行了20多年, 经历了三个阶段的发展。第一阶段, 北京大学杨应昌研究组和爱尔兰大学Coey研究组基于所发现的在稀土合金中氮的间隙原子效应, 发明了内禀磁性可与钕铁硼媲美的新材料钕铁氮和钐铁氮, 尽管氮化物具有优异的内禀磁性, 可是传统的工艺不能做出高性能稀土铁氮磁粉。第二阶段, 北京大学开发了适宜的工艺, 使这种新材料具备了优异的永磁性能, 当时金属钐的价格是钕的数倍, 因此将钕铁氮被视为性能高而价格低的材料加以开发。第三阶段, 北京大学针对钕铁氮进行了产业化技术研发, 经过了产业化中试试验。到2005年, 金属钐的价格开始低于钕, 为了适应市场原料价格的波动, 实现产品多元化, 又重点开发了钐铁氮。目前已经在稳定量产高性能钐铁氮磁粉。同时, 所开发的钐铁氮各向异性磁粉产业化的关键技术达到国际先进水平, 钐铁氮各向异性磁粉的性能达到国际领先水平, 该成果已取得了中国、美国、日本和欧盟的发明专利。

在稀土永磁材料中, 钕铁硼磁体是市面上最常用的产品, 与钕铁硼相比, 钐铁氮磁粉有四点优势?首先, 与当前商用的钕铁硼粘结磁粉相比, 钐铁氮各向异性磁粉具有更高的剩余磁感应强度、更高的磁能积和更强的抗氧化和抗腐蚀能力。其次, 钐铁氮磁粉的成型工艺好, 易于直接加工成薄壁环形、棒形、瓦型等三维复杂形状, 适于压延、挤出、注射和模压等各种粘结磁体工艺方法, 成型后公差精度高;体积小、重量轻。第三, 钐铁氮磁粉完全是我国的自有专利技术。最后, 从生产成本方面考虑, 较之制备高性能钕铁硼磁粉所需的材料, 目前钐铁氮磁粉的材料成本相对较低。

助力节能电机行业发展

稀土永磁电机是国家大力推广的高效节能电机, 与传统励磁式电机相比, 具有减化结构、降低损耗、提高效率的特点, 是新能源汽车等行业的重要基础部件。由于各向异性钐铁氮磁粉磁能积高, 因此以这种材料制作的粘结磁体可以缩小所需的磁体体积, 减少稀土材料的使用, 提高电机的效率。

此外, 钕和钐是共生的, 在大量使用钕的同时, 导致了大量钐资源闲置, 没有得到充分利用, 而我们这项以钐为基本元素的新型稀土永磁材料, 恰恰能够解决这一问题, 促进稀土资源的综合有效利用。这项技术可广泛应用于计算机、电动汽车、办公自动化、家用电器等电子产品中, 对信息、交通、能源、环境诸领域的技术进步起着推动和保障的作用, 具有良好的应用前景。

迈向稀土科技强国, 促进稀土产业的可持续发展, 应该是我们未来的奋斗目标。我们应当在现有基础上, 继续加强对科技创新的引导和扶持, 努力提升科技成果的产业化转化进程, 摆脱知识产权严重受制于外国公司的局面。我们不仅要成为稀土资源大国、工业大国, 还要成为科技强国。同时, 科技创新要充分考虑我国资源特点, 考虑资源的综合利用、有效利用, 服务于节能减排的可持续发展目标。