稀土与磁性材料|沈保根——科学讲坛

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稀土与磁性材料|沈保根——科学讲坛

中国物理学会期刊网 2021-04-27

The following article is from 墨子沙龙 Author 沈保根

以下是墨子沙龙“以‘稀’为贵：稀土资源的储备和开发”活动（2020年10月17日）沈保根院士的报告视频和内容。

今天我要介绍的是稀土与磁性材料，主要是稀土。稀土的相关话题非常宽广，我们将以磁性材料作为重点，来介绍稀土为何重要，以及它的意义。

稀土是重要的战略性资源

稀土被称作“战略性资源”，而磁与稀土是不可分割的，40%的稀土用途与磁相关。

说到磁，我们知道任何物质都具有磁性，每一处空间都存在磁场。从大脑的磁场到宇宙空间中中子星的磁场，他们的强度相差了10^30倍。磁学所涉及的领域非常宽广，我是从事凝聚态物理研究的，凝聚态所涉及的几乎所有领域都与磁学相关。从应用的角度来说，磁性材料与磁技术的广泛应用，关系到我们的工业、农业、国防。

磁学是一个非常古老的学科，迄今为止产生过的216位诺贝尔物理学奖获得者（截至到2020年），其中32位与磁学有关。要谈论稀土，我想重点谈论稀土元素与铁族元素材料的物理性质，以此来探讨稀土的重要性。

大家知道，稀土是不可再生的战略资源，有人说它们是现代工业的“维生素”。到了21世纪，稀土有关的产业发展得非常迅速，稀土的用途也非常广泛。稀土元素跟磁、光、电等物理化学性质都息息相关。而且它的一些独特性质被广泛应用于航天航空、新能源、轨道交通等诸多领域和行业。特别重要的是，对于中美、中欧关系，稀土资源会成为一个焦点，主要是因为它跟导弹、雷达、潜艇、卫星这些国防应用有关键联系。

现在我们面临的问题是：虽然我们的稀土资源非常丰富，但是真正要做稀土应用的时候，反而把稀土出口出去了，到头来一些技术还要被欧美卡脖子。从总书记一直到我们的基层研究人员，一直很重视这个问题，并且想要改变现状。2019年，总书记视察赣州的时候，说稀土是重要的战略资源，不可再生，要不断提高研发水平，要延伸产业链，提高附加值。

由于稀土关联甚广，美国、日本、欧盟等都把稀土作为一个资源争夺的核心，尤其是美国，不断出台一些战略报告。一些重要的研究报告、清单，都是跟稀土有关的。他们希望不用自己的，用别人的，并卡别人的脖子。

我国的稀土情况如何？

大家都知道我们国家稀土的特点、优势是资源丰富，在全球是举足轻重的。早的时候，大家总说稀土是我们国家一个王牌，说我们有稀土，能不能在中美对抗的过程中，以稀土来反制。我觉得这是不可能的，因为我们只是稀土资源占的总量比较多。

早期的时候，我们认为我们的稀土储量非常大，但实际上在2012年中国出台了一个稀土状况白皮书，其中提到，2009年我国的稀土储量占了世界的23%。美国也有不少稀土资源。我们经过很长时间的努力，稀土的产量、出口、消费，都是世界第一。这对我们有利吗？其实是一点都不利。我们以23%的储量提供了全世界90%的市场供应，相当于我们把稀土资源卖出去了。

这个状况我特别觉得需要改变。在1950、1960年代，尤其是1960年代以后，在开采、冶炼、分离稀土这些方面长期性的积累，使得我们国家在这些方面有绝对的优势，具有话语权。但我们主要还是卖原材料给别人。

大家看美国地质调查局的全球稀土分布报告， 70多个国家都有稀土，报告给出的稀土矿床非常非常多，全球将近800个稀土矿床。我们中国在其中占的数量相对比较大。现在大家还认为稀土太稀吗？其实稀土一点都不稀，稀土的储量是非常丰富的。

白云鄂博矿区丁道衡塑像

我国的稀土发现者应该是丁道衡先生，他在1927年的时候组织了一个中国和欧洲的西北考察团，发现了铁矿。后来在铁矿中发现了叫独居石的矿石。自那个时候起，我们国家的稀土渐渐被发现。从发现到后来想办法应用，形成了现在著名的白云鄂博稀土矿，位于包头。几乎可以说，现在全世界稀土的绝大部分就是由包头的白云鄂博矿供应的。

关于稀土矿床资源和原材料，请大家看上面这个图。早期的时候，大家不太重视，一直到1960年代，美国人对这个事情特别重视。我们国家白云鄂博矿发现利用起来以后，当我们的提纯、冶炼水平提高了以后，白云鄂博矿占了世界上的非常大的份额和话语权。但是从那时起的相当长的一段时间内，直到2000年左右，基本上都是以资源为主：在那里利用和开采。

我国稀土分布的特点是“南重北轻”：北方是轻稀土，南方是重稀土。所谓轻稀土，就是镧、铈、镨、钕这一类。白云鄂博、山东的微山、四川的冕宁，基本上都是以轻稀土为主。南方五省，也有人称六省或更多，以重稀土为主。钆、铽、镝、钐，以及元素周期表中后面的钬、铒、铥，都是重稀土。重稀土是离子型稀土，实际上不是一个矿，现在的开采方式跟北方的轻稀土开采不一样，造成了许多环境上的问题。

我国的稀土资源虽然主要集中在刚才说的北方的包头、山东、四川，还有南方的几个地方，但在全国的22个省区都有分布。

白云鄂博矿的稀土储量占到全国稀土的83%左右，是第一大稀土矿。但许多矿都是共伴共生的，这里铁的含量很高，占的比例也特别大，稀土一般情况之下只占到6%到7%左右，四川的凉山大概3%不到，山东的微山8%不到。还有南方离子型的中重稀土，大概占比也就是3%。但不要看南方的重稀土的含量这么低，在全世界看却是非常非常重要的。因为中重稀土，尤其是重稀土，在应用方面，尤其在一些关键的战略性应用方面，起到了关键的作用。虽然量比较少，但是它的重要性，和其他的元素比起来更加重要。

一个稀土矿中，稀土元素分布是不均匀的，而且跟铁、铌等伴生在一起。稀土有17个元素，许许多多都是混在一起。像包头矿中，镧和铈这两个元素占了差不多3/4，其他的那么多元素，包括重稀土只占1/4。但是南方又反过来，重稀土又特别多。

有时候，有多达70种元素混在一起。之前我们的开采利用率很低，主要是从中选铁了。

我们知道在包头有一个包钢，它就是从稀土矿里炼铁的。早期，炼铁的时候，因为当时我们认识不高，就把好多稀土都扔在尾矿里了。现在我们重视起来了。

如果说综合性利用的话，70多种元素都是非常重要的。除了稀土以外，铌、钛、锆，当然还有放射性的钍，如果都加以利用的话，在许许多多的领域都能够起到作用。甚至于最后大家觉得再也没有利用价值的废渣，也可以把它做成微晶玻璃，在电力、化工、建筑、冶金等方面得到应用。所以稀土矿资源是一个宝贝，它的所有的元素都是可以得到很好的应用的，在我们国家的经济建设中发挥重要作用，为国家的国防建设发挥关键性的核心作用。

我国稀土产业可持续发展面临的挑战

稀土这么重要，但是我们面临着很大的挑战。

一方面，总采收率还是比较低、现在的技术生态破坏还比较严重，污染比较大。如果你去北方参观一下，从一个矿里把稀土挖出来，这样还比较好。南方开采稀土就是在山顶上挖一个坑，把酸倒下去后，就在山底下接稀土。这样对生态环境的破坏非常严重，因此我们的资源出口，在早期都是付出了重大的生态代价的。

另一方面，资源的综合利用水平不高。如同我刚才所说，这么多的元素，许多都没利用起来。稀土尚且没有很好地利用，其他的元素有的现在还扔在尾矿中。当然，我们最大的问题还是高端的产品不足，产品的附加值低。稀土卖给日本、卖给美国、卖给欧洲，他们开发了后端的技术，有的用的比我们还要好，这是我们面临的严重问题。

我们国家在稀土上，资源我们是领先的，环境问题是不少的，应用总体上是比较落后的。

从上图可以看到，稀土几乎涉及任何一个领域和行业，20大行业门类中间的9个门类， 90多个大类中间的60多个大类，都是跟稀土应用相关的（关于这一点，不同的人看法可能不太一样）。所以我们把稀土叫做战略性资源，一点都不过分。

在稀土应用方面，我们国家有很多开发区，但是它们大多还是进行前端开发（资源的开采利用），聚焦于后端应用的还是不够。

现在我们要解决什么？

从原材料开始，稀土原材料采矿、选矿、冶炼、分离，这是最基本的需要。然后我们拿原材料做成新材料，磁性、光学、催化等等，这就上升一点，价值高一点。再把这个材料做到元器件，然后再到终端的应用。我们最终的目标是要走向终端应用。为了做好这样一件事，中国科学院在江西赣州要建稀土研究院。

稀土从资源角度来说这么重要，但问题也不少，那么怎么把资源利用好，把材料做得更好，应用做得更好，它到底涉及到哪些重要的领域？从我自己的专业领域出发，我来举几个例子，主要是讲稀土磁性，特别是永磁性。

稀土磁性（永磁）材料与应用

稀土元素有一些独特的特点，这与它的电子组态、能级、自旋轨道耦合、磁矩大小，还有稀土元素和过渡族元素的组合等等有关，有的性质产生的效果是独一无二的。

根据它的一些特点，可以产生许多特殊材料，比方说可以做成非晶的材料、做成结构稳定的材料、可以伸缩的材料，可以制冷的材料，还有信息产业中间用的吸波材料等等。我们称之为“稀土磁性材料”。

从功能性的角度来说，这样的材料可以做储能还有换能，比方说机械能和电能互相转换，磁能跟热能转换，还有信息存储传输。尤其是信息存储方面，也就是磁性的存储，到目前为止的用量非常大，全世界70%的储存信息是用磁存储的。我们计算机中的硬盘是很典型的例子。还可以利用它做高频性能的材料，后面还会讲到。

从应用方面来看，它跟能源，尤其是清洁能源和高效动力（我们叫磁动力）、卫星通信、无人机械，还有城乡医疗健康、固态制冷等等直接相关。

所有的磁性材料中，用量最大的是什么？就是永磁材料。我们儿童拿的一块吸铁石，就是一种永磁材料。当然自然界中间也有永磁材料，比如四氧化三铁。但是如果用稀土来做，永磁体性能就可以非常好。这样的材料不是用来吸着玩的，它的用途非常广泛。到现在为止，在稀土的应用中，新材料领域占到60%以上，永磁又在新材料中占应用的60%以上。所以说到稀土的应用，我们说40%的开采出来的稀土都用于做永磁材料。

我们是一个稀土永磁大国，原来我们的水平很低，但到现在为止，我们已经占了全世界总产量的85%，有的人认为还要更多。这么大的产量里，原来我们做的主要偏中低端，现在我们已经转向高档汽车、电子转向、核磁共振成像等等的高端领域。甚至我们做的磁体，现在供应了美国一些非常重要的领域，包括他们一些核心领域。现在我们认为我们国家已经是稀土永磁的一个生产、加工出口大国，但是在这个领域我们还算不上一个强国。

永磁材料领域，我们有两个发展方向，一是继续提高性能，二是对各种元素高效均衡利用，特别是把低成本的镧和铈用起来，使稀土资源的应用效率大幅度提高，最后实现可持续的发展。

稀土磁性材料极其重要，“没有磁性材料就没有现代化国防”，因为雷达、制导、电子战、舰船都要用到磁性材料。从陆军、海军、空军、炮兵，现在电子对抗都用信息战，都需要这样的材料。这下图就可以看到，美国的坦克、战舰等都用到了这样的材料。

永磁电机等应用

大家不要小看永磁电机。现在广泛应用的大多数是线包电机，比永磁电机的效率差很多。如果永磁电机的效率能够提高三个百分点，如果我们新增加的电机都是永磁电机的话，节约的能源将等同于一个三峡发电的总量，是非常可观的。

最近我们还新开发出来一种永磁电机结构，电机中间没有了线包，完完全全用永磁材料，做成转子或者定子电机。这样一来，效率提高了，并且重量降低、体积缩小。效率最高可以做到百分之九十八点几。这非常非常重要，现在我们国家可以实现这样的技术。

那么这种技术有什么应用？比如我们大家都知道的风力发电，我们看到的一个风车的叶子最长的甚至可以达到几十米到100米。如果用永磁电机把体积缩小，带来的安装成本下降、维修方便都会非常重要。特别是应用到海上风力发电，如果体积减少，尤其是中间永磁电机的部分，那就会带来很大的方便。这就是目前的新技术。

汽车，尤其是新能源汽车要跑得快、跑得远，需要永磁电机作为驱动电机。可能这一项技术实现以后，汽车就跑得更好。现在新能源汽车的续航往往是400公里左右，能不能到500公里、600公里？我想这完全有可能，那就要把永磁体技术应用上。

还有我们的C919大运输机，这里也有永磁体的应用，比如说起落架的回收，还有一些运动部件。

轨道交通，它是驱动电机使用大户。如果以后我们把线包都取消掉，我们就完全可以用这样的一些新的技术来推进350公里/小时的高铁。

我知道上海有电磁的磁悬浮列车，永磁其实也可以用来做磁悬浮。在江西赣州那里有一个学校，他们做了一个试验，就是悬挂式的磁悬浮，当然也可以做轨道的，完完全全用永磁体实现磁悬浮。像这样的开发都用到我刚才说的永磁材料。

永磁在大科学装置中也有广泛的应用。东莞的中国散裂中子源，它里面的好多磁铁都是电磁体。但是以后的建设，比如说北京再要建散裂中子源的话，他们现在正在考虑用一些永磁。为什么呢？因为这个装置建起来了以后的耗电量非常大，一个装置的运行，一年的电费达到几千万，一个亿，甚至更多。如果说一部分使用永磁材料的话，运行的大科学装置的能源成本就会大幅度的缩减。

另外，永磁材料还可以用在医疗方面，以前可能不为人知。外科手术用了永磁这样的技术以后，可以大幅度地节约时间。比如原来一个外科手术需要30分钟，用了永磁技术以后10分钟就可以完成了，而且愈合要比原来好得多。这样的技术都是我们国家开创的。这一幅图是西安交通大学吕毅教授给我的，他们现在做的永磁在医疗方面的应用在全世界非常领先。

稀土高频磁性材料与应用

除了稀土永磁，还有一类材料叫稀土高频磁性材料。这样的材料，它可以应用的“频段”非常高。刚才我前面介绍的永磁材料，用的稀土元素是以镨、钕、铽、镝这一类为主，刚好高频磁性材料可以用钇、镧、铈这些成分，实现稀土资源的综合、平衡、高效、节约利用。从稀土元素的运用角度来说，高频磁性材料在平衡利用，高效利用，节约利用方面有非常大的优点。

高性能的高频材料主要应用在5G通讯、物联网领域。尤其当工作频率要求越来越高，现在甚至希望达到6GHz左右时，这些电子元器件的性能要求也相应提高。现在我们的手机做得很好，但是元器件多数还是依赖进口。那么能不能用我们的稀土材料使得这些元器件应用的频段更高，这是一个努力的方向。高性能的高频材料的应用范围十分广泛，比如说天线、电感、电磁兼容、吸波材料、隐身等等。它们的市场占有率也非常高。

现在我们5G手机，它的应用频率一般在3GHz左右。之后我们一定要把体积越做越小，并且带宽还能增加。现在为什么要开发稀土高频磁性材料呢？原来我们用铁氧体做磁性材料，铁氧体材料工作频率超不过3GHz，相对稀土高频磁性材料而言要低很多。稀土面向异性材料的优点是饱和磁化强度高，磁化强度大，因此工作频率理论上可以非常高。理论上能够达到20GHz，但实际上目前我们所做的还远远不够。但是从理论的计算的角度它是能够实现的，因此这是一个我们努力的目标。

所以，稀土的高频磁性材料同永磁材料一样，有着非常重要的应用，对信息通讯，尤其是在国防安全、航空航天两方面，有非常重要的战略意义。另外，这些材料的开发，可以平衡有效利用我们的稀土资源。

磁制冷材料与磁制冷技术

“制冷”这个词家喻户晓，制冷相关的材料和技术使用得非常非常多。有人说，制冷占我们国家GDP的5%左右。5%是非常大的数，这足以说明它涉及的面非常广。制冷不仅与日常应用密切相关，还跟科学研究、工业生产，甚至交通等领域关联紧密。

举个例子，天然气液化。大家知道“西气东输”项目，如果只有一个大气田，铺根管道是合理的解决方案，但是我们有大量的气田，它们是星罗棋布的，之间互不连通，铺设管道成本太高。还有海上的天然气资源，如果开发海上天然气，怎么运输天然气就是一个需要解决的问题。运输天然气需要液化天然气，这就涉及到了制冷，也就是把天然气液化以后用船运输回来，再还原成气体。我们原来没有这样的技术的时候，天然气的运输是个难题。

在航空航天（我们现在要建国际空间站）、军事、低温系统领域，制冷技术的应用就更多了。还有热核聚变实验堆，它也需要低温制冷。在医疗领域，制冷技术的应用也至关重要，比如人体器官的冷冻，甚至于在低温下生命体的有效保存。

在科学研究领域，我们大量的仪器都需要制冷技术，我们每一台主要的测量仪器中，基本上都涉及低温制冷。

为什么需要磁制冷？

制冷的用途这么广泛，现在用得好好的，为什么还要去开发磁制冷？传统的制冷有这么一个问题：用到的工质会产生温室效应。之前全世界都在使用的制冷剂叫氟利昂，氟利昂破坏臭氧层。我们国家要参与的几个协议，从理论上来说，宣布到2025年，全球要禁止使用氟利昂。往后我们要逐步减少使用氟利昂的替代工质，越来越少地使用强温室效应的材料。而且我们不能把制冷停下来，这是停不了的。比如说乘飞机，没有制冷怎么行？汽车没制冷，家里没有制冷都不行，那就得使用替代的办法。

而磁制冷绿色环保、高效节能、稳定可靠。我们现在制冷系统最大挑战就是要解决臭氧层破坏、温室效应这样的一些问题。还有，制冷系统得整天开着，空调在夏天也一直工作，因此要克服能耗高、噪声大等弊端。如果用磁制冷，这些问题就会得到非常好的解决。

但是要做磁致冷，就需要用到一些特殊材料。磁热效应发现得很早，也做了很多的研究。在低温环境下的磁制冷也做得非常成功，那么能不能做室温的磁致冷？我们的冰箱、空调能不能用这个技术？

1970年代，美国人用稀土中的钆做材料来实现室温磁制冷。他们做了一个样机，但这个样机不能实际使用。直到2000年左右，一级相变材料的发现推动了室温磁制冷的研究和发展。

一般材料都是二级相变的，我们经过多年的努力，合成出一级相变的稀土磁性材料LaFeSi。这是目前最有优势的室温磁制冷材料，这个发现后来催生了国内外许许多多的课题组这方面的研究。

以上是室温制冷，还有低温制冷，磁制冷在其中也有关键应用。在科学研究领域、军事领域、航空航天，以及民用领域，都已有应用或有应用前景。

在低温制冷材料中，我们发现了一个新材料，叫铥铜铝。它的相变温度特别低，是到现在为止，磁制冷材料中我们能够找到的最低的一个相变温度。如果把这样的材料用到制冷机中，我们现在复合的一种制冷机，做到了频率0.6的时候，最低温度到3.9K。这已经是往前走了一大步了。

中科院理化所团队后面还要把它一级一级接起来，混合工质、脉冲管、磁制冷、绝热去磁，最终的目标是做到50mK。50mK已经是很低了。

我们开展这项工作主要是因为现在有个目标，我们国家要在阿里地区建一个引力波探测设备。阿里一号是建在地面上的，正在建设中。如果温度降得不够低的话，分辨率就会受影响，如果我们能够做到50mK，就能把分辨率提高一个数量级。我们还可以想办法把温度降的更低一点，可能能够做到10mK，看应用平台的要求。

还有空间软X射线的探测，我们国家拟建的HUBS卫星，也需要50mK的低温。除此之外，量子计算领域中也需要这样的一些制冷装置。

制冷主要有两种手段，一个是稀释制冷，另一个是磁制冷，即一级一级的绝热去磁达到制冷目的。现在，我们和武汉理工大学提出热电磁多功能这样的一个想法。热电材料原来都是回避磁的，后来发现热电材料如果跟磁的元素结合起来，就能产生一个特殊的性质，还可以更好地提高效率。那么有没有可能把热学、电学、磁学这三方面联合起来？磁热效应，就是刚才我讲的，利用这个效能去做室温的制冷设备。磁电效应以前用得很多，热电独立用的也很多。这样几个现象，我们怎么能够把它们联系起来，即热电磁，这是一个新的提法，我觉得应该是需要去努力的方向。

还有一个非常非常重要的概念，叫“稀土固态制冷”，也是研究上需要我们发展的方向。稀土固态制冷需要实现工程化、模块化，一旦实现，有望影响我们生活的方方面面。

沈保根：中国科学院院士，发展中国家科学院院士，中国科学院物理研究所研究员。现任中国科学院稀土研究院首席科学家、中国科学技术大学物理学院院长，中国科学院大学教授，中国高技术产业化研究会副理事长，中国散裂中子源科技委主任等职。长期从事磁学与磁性材料研究工作，国家杰出青年科学基金获得者，国家973项目首席科学家。获香港求是科技基金会“杰出青年学者奖”、中国物理学会“叶企孙物理奖”、北京市科技进步一等奖、国家自然科学二等奖、何梁何利科学与技术进步奖、陈嘉庚技术科学奖等。

演讲者 | 沈保根

文字整理 | 马潇汉、王佳

排版 | John

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