稀土永磁體及其在未來經(jīng)濟中的地位

永磁體作為一種將化石燃料向可再生能源轉(zhuǎn)變的使能技術(shù)，其經(jīng)濟重要性日益提高，并在電子設(shè)備小型化中得到廣泛應(yīng)用，因此永磁體是現(xiàn)代世界技術(shù)發(fā)展的重要前沿之一。釹鐵硼（Nd-Fe-B）和釤鈷（Sm-Co）永磁體及其他稀土磁體合金和無稀土/貧稀土永磁體，都是環(huán)保技術(shù)發(fā)展的前沿。稀土永磁體是全球采用風(fēng)力渦輪機技術(shù)和電動汽車的基礎(chǔ)。我們正處在一個新的全球能源范式的風(fēng)口浪尖，在這個范式中，選定的稀土元素而非碳氫化合物將有助于為我們未來的能源和運輸需求“加油”。在能源轉(zhuǎn)換技術(shù)中使用稀土永磁體顯然有利于環(huán)境。但是，人們對上游稀土提取方法存在擔(dān)憂，這些方法可能具有負(fù)的環(huán)境外部性，特別是在稀土開采、加工和分離產(chǎn)生的廢物管理方面。盡管如此，雖然新一代永磁技術(shù)的最終社會影響尚不清楚，但加速采用稀土和其他永磁技術(shù)的研究仍在迅速推進，這也是本期稀土永磁材料專題的重點。

一、稀土供應(yīng)的最新變化

以合理的成本提供充足的稀土供應(yīng)已經(jīng)成為社會關(guān)注的焦點，大多數(shù)稀土都存在于世界和區(qū)域組織發(fā)布的眾多稀有礦物或稀有金屬清單中。稀有金屬是具有重要經(jīng)濟用途的金屬，但由于地緣政治或可持續(xù)發(fā)展的原因，也面臨供應(yīng)風(fēng)險。例如，對于許多非中國政府或產(chǎn)業(yè)終端客戶而言，中國稀土礦的集中生產(chǎn)被視為地緣政治供應(yīng)風(fēng)險因素。而有關(guān)設(shè)施輻射暴露的擔(dān)憂是與可持續(xù)發(fā)展（如社會和環(huán)境）相關(guān)供應(yīng)風(fēng)險因素的一個例子。面對這樣的市場約束，稀土回收、節(jié)制或替代的未來潛力正成為需求側(cè)的明確研究重點，而供應(yīng)側(cè)的研究則旨在通過消除一個或多個價值鏈約束以實現(xiàn)更大、更環(huán)保、更“清潔”的稀土采購。周期表中原子序數(shù)為21、39以及57~71的稀土元素在自然界中并不罕見，并且在所有大陸的許多巖石中都少量存在。事實上，它們在地殼中的含量與廣泛開采的普通金屬一樣豐富。已知的全球稀土資源和儲量相對較大，例如，美國地質(zhì)調(diào)查局援引的數(shù)據(jù)顯示，已知儲量為1.2億噸，這遠遠高于目前每年17萬噸的礦山產(chǎn)量。已知儲量與這一產(chǎn)量的比例為706:1，與其他重要工業(yè)金屬（如銅）相比，后者的已知儲量為8.3億噸，年產(chǎn)量為2100萬噸，這一比例為40:1。這樣的計算也排除了進一步大量發(fā)現(xiàn)礦床的可能性，這在歷史上一直是如此。從馬爾薩斯的意義上講，世界不會很快“用完”稀土，因此，如果地緣政治和可持續(xù)供應(yīng)問題得到解決，稀土有可能為建立新的“綠色”經(jīng)濟奠定相對可靠的基礎(chǔ)。綜上所述，稀土行業(yè)的供應(yīng)面仍然很復(fù)雜。盡管稀土資源豐富，但大量稀土的經(jīng)濟積累，即稀土礦物的物理和化學(xué)形態(tài)及其絕對濃度，都足以使可通過經(jīng)濟環(huán)保方式進行開采加工的原材料變得稀有。令人高興的是，我們對稀土礦床的地質(zhì)和所需的礦物加工技術(shù)的理解有了快速的進步，并做出了重大的進一步勘探嘗試。我們還看到了西澳大利亞州一家大型新稀土礦MtWeld相對成功的開發(fā)，該礦在馬來西亞擁有相關(guān)的分離設(shè)施，這些設(shè)施均歸Lynas公司所有。此外，加利福尼亞州MountainPass礦曾一度重啟，但以失敗告終。最后，在從勘探到可行性研究的不同發(fā)展階段，世界各地仍有一條相對穩(wěn)健的稀土礦項目管道，重點是輕稀土和重稀土。增加稀土供應(yīng)的另一種選擇是通過二次供應(yīng)，即廢料供應(yīng)，也就是回收利用。目前，稀土金屬基本上沒有回收利用；然而，人們正在努力推動這一進程。盡管如此，從中短期來看，回收利用并不是我們需要的全部解決方案。稀土的經(jīng)濟地位極低，這意味著我們僅開采了相對較少的這些金屬，即使基于最有效的回收利用，我們也無法維持未來的需求。例如，美國地質(zhì)調(diào)查局估計，自1900年以來，我們開采的稀土不到330萬噸，這近似于歷史上開采的所有稀土。這一數(shù)字與前面提到的已知地質(zhì)儲量（1.2億噸）、目前的年供應(yīng)量（以及由此產(chǎn)生的需求量）17萬噸以及目前的復(fù)合年供應(yīng)量（以及由此產(chǎn)生的需求量）約9.5%的增長率相比是不利的。此外，從諸如電子產(chǎn)品的最終用戶產(chǎn)品中提取稀土進行再利用的難度很大，這意味著這些稀土中有許多已被丟棄到垃圾場或其他最終散布的地方。盡管如此，當(dāng)前缺乏回收利用不應(yīng)阻礙提高稀土回收率的研究，如一些作者在本期專題中所做的努力。實際上，他們認(rèn)為提高稀土回收率是當(dāng)務(wù)之急。相比之下，“典型”工業(yè)金屬（如銅）的回收率為33％，這主要是基于經(jīng)濟機遇，而不是任何特定的環(huán)境原因。隨著許多政府表示希望轉(zhuǎn)向基于循環(huán)利用的循環(huán)經(jīng)濟，稀土循環(huán)利用率只會成為一個更為緊迫的問題。

二、稀土需求的最新變化

盡管稀土被歸類為稀有金屬，但這并沒有反映在近年來稀土價格的歷史低位上。低價格有供需原因。簡單地說，在供應(yīng)方面，如上所述，低價是金屬廣泛存在的證據(jù)。從需求的角度來看，2010—2012年稀土價格飆升可能是大宗商品市場歷史上最大的漲價之一，導(dǎo)致對需求的嚴(yán)重破壞。稀土需求的統(tǒng)計數(shù)據(jù)非常難以整理，為了說明需求破壞的程度，本文將使用礦山生產(chǎn)數(shù)據(jù)，合理地假設(shè)稀土二次供應(yīng)（來自廢料）實際上仍然不存在，并且在較長的時間周期內(nèi)（如10年），庫存和“困難”的影響相互抵消。因此，供應(yīng)大致等于需求?；谶@些假設(shè)，值得注意的是，在截至2006年（包括2006年）稀土價格較低的10年期間，全球供應(yīng)（以及假定的需求）從1997年的每年68300t增加到2006年的137000t，同比增長101%。隨著稀土價格開始上漲，2006年是生產(chǎn)和需求達到峰值的暫時時期，首先是由于大宗商品市場的廣泛繁榮，具體與2010—2012年的稀土價格飆升有關(guān)。然而，10年后，2015年稀土產(chǎn)量為13萬噸，比2006年下降了5%，這是繼2010—2012年價格暴漲之后的又一個轉(zhuǎn)折點。在過去的幾年里，稀土產(chǎn)量（可能還有需求）迅速增長到每年近17萬噸，短短幾年就增長了近25%。顯然，影響這些數(shù)據(jù)的是供應(yīng)方面的問題：一是中國稀土出口配額從2005年開始減少；二是2013年開始開采MtWeld礦，以及MountainPass礦山從2013年至2015年間的開采和關(guān)閉。然而，總體上很明顯，當(dāng)供給消失時，需求也隨之消失，反之亦然。不足為奇的是，在2010—2012年價格飆升之時，西方國家在稀土供應(yīng)安全、回收、替代和節(jié)源方面開展了許多研究項目。隨著這些研究計劃的成熟，我們可能會在不久的將來看到這些努力的結(jié)果，在本期專題中就可以看到一些。我們已經(jīng)看到稀土作為熒光粉在照明和顯示器中的有效應(yīng)用已經(jīng)結(jié)束，取而代之的是銦基發(fā)光二極管（LED）。盡管無法將稀土熒光粉的需求旺盛與2010—2012年價格飆升之間建立直接聯(lián)系，但價格上漲很可能是一個背景因素?？偟膩碚f，稀土需求的增長并沒有5~10年前預(yù)期的那么強勁。因此，與5年前相比，現(xiàn)在使用稀土的經(jīng)濟環(huán)境已大不相同。低廉的價格使得稀土成為許多技術(shù)可負(fù)擔(dān)的選擇，正如本期中許多論文的作者所做的那樣，應(yīng)該把努力導(dǎo)向最終用途的創(chuàng)新。未來廉價可靠的稀土供應(yīng)，將使本文所討論的永磁創(chuàng)新進入主流經(jīng)濟的可能性大大增加。此外，需求多樣性是需求“創(chuàng)造”的一個未被充分認(rèn)識的組成部分。最大的金屬市場以廣泛的需求模式為代表，這些金屬利用了金屬的幾種化學(xué)或物理特性，在多個關(guān)鍵行業(yè)、多種應(yīng)用和數(shù)千種產(chǎn)品中使用。例如，據(jù)我們所知，銅的最大需求部門是非常廣泛的“工業(yè)設(shè)備”類別（31%），而釹和鏑的最大需求類別是更具體的釹鐵硼磁體，比例分別為76%和100%。銅的需求如此多樣化，這對價格穩(wěn)定至關(guān)重要，供應(yīng)多樣化也是如此。通過為稀土永磁體提供新的不同的用途，并希望不僅限于磁體，在這一問題上的創(chuàng)新可能有助于刺激需求的多樣性。盡管如此，稀土在永磁體中經(jīng)濟高效的利用將繼續(xù)成為下游技術(shù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一，永磁體性能、生產(chǎn)效率和可持續(xù)性的不斷提高已成為研究的重點。無論供給方面的情況如何，這些因素只能起到刺激需求的作用。成本效益仍將是稀土價值鏈各個階段以及與稀土技術(shù)互補的相關(guān)合金金屬（如鈷）的主要重點。從“礦山到磁鐵”的持續(xù)成本改善將加速并推動永磁體的需求，同時將打開新興的最終用途市場，因為這確實會增強磁鐵性能并提高重量效率。在此基礎(chǔ)上，我們歡迎在本期稀土永磁材料專題上發(fā)表的8篇論文，這些論文介紹了針對改進的永磁體價值鏈的一些最新研究進展。在本期中，討論了稀土永磁體的前景，同時回顧了稀土元素的礦物經(jīng)濟學(xué)和永磁技術(shù)的歷史發(fā)展。除了目前在可再生能源和電力運輸中使用永磁體的傳統(tǒng)方法外，隨著制造過程自動化的步伐加快，還將機器人技術(shù)視為未來終端應(yīng)用市場的一個主要機會。討論了用快速熱處理技術(shù)制備納米復(fù)合釹鐵硼的結(jié)構(gòu)和磁性。這些作者提出，如果能形成寬度在臨界尺寸范圍內(nèi)的軟磁相連續(xù)包圍硬磁相，Nd2Fe14-B/α-Fe納米復(fù)合磁體的性能將得到進一步提高。研究了非晶態(tài)Sm-Co薄膜的磁各向異性的結(jié)構(gòu)特性，指出了其在信息存儲介質(zhì)和自旋電子學(xué)材料中的巨大應(yīng)用潛力。研究旨在有效利用Nd-Fe-B污泥對高性能燒結(jié)磁體進行有效回收的潛力，以降低回收成本并提高商業(yè)規(guī)模的回收效率。研究了無稀土MnAl永磁體的替代生產(chǎn)工藝對磁體性能的優(yōu)化，重點研究了納米結(jié)構(gòu)與短時間球磨（以避免球磨過程中的高溫）的相關(guān)性。通過對