北大人和稀土事业的不解之缘

 

  全文共3176字，阅读约需5分钟

为什么风靡全球的“苹果”手机在中国设厂？为什么“爱国者”导弹能轻易地击落“飞毛腿”？这都是因为一种极为重要的战略资源——稀土。稀土元素有“工业维生素”之称，它具有优良的光电磁等物理特性，能与其它材料组成性能各异、品种繁多的新型材料，并大幅度提高其它产品的质量和性能。稀土在民用和军事方面用途十分广泛，同时也是先进装备制造业、新能源、新兴产业等高新技术产业不可或缺的原材料。可以说，稀土是21世纪最重要的战略资源之一。

邓小平同志曾经发出这样的感慨：“中东有石油，中国有稀土”，这一语道明了中国稀土大国的地位。中国稀土矿藏丰富，占据四个世界第一：储量第一、产量第一、出口量第一和消费量第一。根据美国地质调查局（USGS）数据，全球稀土总储量约为1.4亿吨，其中中国稀土储量为4400万吨，占全球储量的39%。正因如此，中国成为了世界上的主要稀土供应国。

稀土资源相关报道

去年美国政府曾宣布对中国稀土征收进口关税，但随后收回了这项决定。从近期美国向中国加征关税的情况看，稀土并未进入美国2000亿美元的加征关税清单；而后续宣布的3000亿美元征收清单中，也没有稀土。在大规模贸易战打响之时，美国依然要小心翼翼地对待中国稀土产业，由此可见，中国在世界稀土市场的地位是多么重要。

中国是稀土资源大国，却不是稀土工业强国。长期以来，中国稀土产业只能以出口低利润的稀土初级产品为生。稀土存在于大量伴生矿中，因为缺乏相应的开发技术，长期以来我们只能坐视一些先进国家买走我们的矿产，加工成高利润的制成品再卖到中国，不断推进本国高科技产业的飞速发展。这一现象令多少有识之士扼腕叹息！而在燕园里，就有这样一群科研人，他们为了解决稀土资源的开发和利用难题，夜以继日、孜孜不倦，奉献出自己的青春和热情，攻克了一道又一道科研难关，为我国的稀土事业做出了不朽的贡献！

徐光宪

直到20世纪70年代，稀土的提炼技术一直掌握在外国人手中，我国坐拥世界第一的稀土储量，却只能向国外廉价出口稀土原料，然后再高价进口深加工的稀土产品。

徐光宪先生（左二）荣获2008年度国家最高科学技术奖

“空有宝山，却要受制于人”，这令人痛心的局面，将被徐光宪所改变。1972年，北京大学化学系接受了一项紧急任务——分离镨钕，研究生产稀土的技术。52岁的徐光宪临时受命，成为了这一研究课题的领军人。经过艰辛探索，他大胆摒弃国际上通用的离子交换法，另辟蹊径，提出串级萃取理论，使本身难以分离的镨钕具有高达4的分离系数，远远超过了国际同行。在此基础上，徐光宪推导出100多个公式，成功设计出了整套工艺流程，实现了稀土的回流串级萃取。此外，他还率先办起“全国串级萃取讲习班”，使新的理论和方法广泛应用于实际生产，大大提高了中国稀土工业的竞争力，使我国在稀土分离技术和产业化水平上跃居世界首位。

徐光宪的成功，使中国从稀土资源大国一跃成为稀土生产和出口大国，撬动了全世界的稀土市场格局。到上世纪90年代初，由于我国单一高纯度稀土大量出口，国际稀土价格降为原来近四分之一。包括美国钼公司、日本的稀土分离企业、法国的罗地亚公司等长期霸占世界市场的稀土垄断企业，不得不减产、停产、破产或寻求同中国人进行技术合作。他们把这称为“China Impact”（中国冲击），这是徐光宪缔造的“中国传奇”。

严纯华

20世纪70年代开始，中国的稀土科学和稀土分离工业迎来了一个迅速发展的机遇期，徐光宪院士就开始了稀土分离化学及工艺设计理论的研究，发现了稀土串级萃取体系所具有的“恒定混合萃取比”的基本规律。迅速扩大的稀土分离科学和技术的系统研究队伍，亟需补充新鲜血液。

严纯华教授

在徐光宪教授的引导下，原本从事着红外光谱学研究、从未涉足稀土领域的严纯华开始关注这一新兴的产业。国家的需要激荡着严纯华年轻的心，他知道自己赶上了千载难逢的机遇：国家的需要刺激了稀土工业生产的发展，使实验室中得到的成果得到广泛的运用，并在实践中不断发现新的问题、进行新的探索；徐光宪院士等先辈在北大已经为稀土研究打下了相当坚实的基础……他毅然放弃了自己熟悉的领域，从稀土萃取分离试验开始着手，全心全意地投入了稀土这一新兴的神秘领域，开始了无尽的探索和追求……

自1982年，严纯华运用实验与计算机技术相结合的方法，研制了一系列适合不同稀土矿源、工艺流程和产品结构的串级萃取分离体系，开创了最优化设计理论和仿真计算方法，以计算机取代人工试验，使过去需要一年以上时间的试验和工艺设计，现在仅需几小时便能完成。他还提出了新的回流启动模式和“三出口”、“多出口”新工艺及其设计理论。针对稀土萃取分离工艺技术中的一些关键难题，他研制了低耗、高效的萃取法连续浓缩稀土料液、共逆流反萃取和萃取法生产高纯荧光级稀土产品等新技术，在世界上首次实现了稀土分离新工艺由理论设计“一步放大”到实际生产的飞跃，并应用于年处理量总计超过3000吨各种矿型的单一稀土生产线。这些理论的创立和技术的应用，标志着我国稀土分离工艺水平达到了一个新的高度。

经过徐光宪和严纯华等两代科学家的共同努力，我国在稀土分离技术领域终于取得了举世瞩目的成就，建立了具有自主知识产权的理论体系，从设计理论，到关键技术、生产工艺，形成了完整的产业链条。到了80年代，我国稀土产量和出口量均已跃居世界第一。

在稀土分离问题基本解决后，学者们开始转向稀土的基础和应用研究。北大科研人始终坚持基础研究应该紧密联系实际，为工业生产服务，这样基础研究才能常做常新，越做越高，有无穷的动力。在21世纪初，北大人也创造出了一系列稀土利用的宝贵科研成果。

杨应昌

为了开发和利用我国丰富的稀土资源，北大物理学院的杨应昌教授从70年代就把研究方向定为研究和磁性相关的稀土金属的4f电子的特性。当时的永磁材料都离不开钴，如铝镍钴和钐钴等。而我国钴矿贫乏，因此杨应昌教授决定另僻蹊径，寻找代钴的磁性材料。功夫不负有心人，在70年代末他们合成了一种稀土－铁合金的新相，它兼具了3d和4f电子二者的优点，呈现出永磁材料所要求的内禀磁性，国际同行把他们誉为开创这一研究领域的先驱。

后来，日本和美国发明了另一种稀土－铁合金，即钕铁硼合金，它磁性高而价格低，在国际上形成了一个强大的产业。为了摆脱相关专利使用权受制于人的情况，把我国的资源优势转化为经济优势，开发具有我国知识产权的稀土新材料成为迫切的需要。杨应昌教授研究了包括钕铁硼在内的多种稀土合金宏观磁性和微观结构的联系，在此基础上，于1990年发现了在稀土合金中氮的间隙原子效应，首次把氮原子加入到磁性合金中而形成相应的氮化物，主要成分是钕铁氮。他发现氮原子可以灵敏调节4f电子的晶场作用和3d电子的能带结构，从而使钕铁氮的内禀磁性完全可以和被誉为永磁之王的钕铁硼媲美。这一结果的发表以后，国际磁学界立即掀起了研究钕铁氮的热潮。

国内外诸多的研究表明，氮化物有优异的内禀磁性，而采用现有的工艺方法却难以制造出高性能的磁粉。钕铁氮材料距离实用化尚有不短的路要走。他们仍从基础研究作起，在世界上首次成功地观测了氮化物的磁畴结构，研究了它的反磁化机制，在此基础上开发出完全不同于钕铁硼磁粉的新工艺，制备出钕铁氮高性能磁粉，该成果1996年通过国家教委组织的科技成果鉴定，与当时钕铁硼磁粉商品相比，具有磁能积高、成本低、抗腐蚀能力强等优点，完全具备了应用价值。2001年，钕铁氮高性能磁粉正式实现大规模工业化生产，我们也可以骄傲地宣布：在稀土磁性材料这一领域内，我们实现了零的突破，成功生产出我国自己发明的新材料！

物理学院杨应昌院士在第23届国际稀土永磁会议上获颁杰出成就奖

经过一代代以北大科研人为代表的中国科研人的努力，中国稀土产业累积了一定技术实力，在生产水平上有了长足进步，使得中国稀土产业在国际上有了很强的话语权，中国稀土政策对于国际市场也有很强的影响力。未来，中国科研人也会进一步投入到稀土高端产品的技术研发，实现更高质量的产品出口和更好的经济收益，使我国实现从稀土“生产大国”到“生产强国”的飞跃，不断提高我国稀土工业的国际竞争力。

相关阅读

来源：北大新闻网

部分图源：北京大学新闻网

编辑：赵子昕   王俊棋

美编：赖雯燕