学习时报：稀土为什么重要

近期，美国与乌克兰之间关于矿产资源的合作协议成为焦点，尤其是其中涉及的稀土元素，更是引发了全球的关注，也折射出稀土在全球科技竞争和产业链中的战略地位。那么，稀土究竟是什么“土”，为何如此重要？

稀土不是“土”，和普通的“土”（主要成分是硅酸盐等）在化学性质上有很大差别。稀土元素的名称最早来源于18世纪末至19世纪的研究发现。当时，这些元素从不常见的矿物中被提取出来，并且在自然界中的含量相对较少，因此被称作“稀有土”（RareEarth）。尽管现在我们知道其中一些稀土元素并不真正稀有（某些稀土元素的地壳丰度比常见金属如金、银要高得多），但在当时它们的发现和分离技术非常有限，导致了这种命名。

实际上，稀土是镧系元素（共15种）以及钪和钇这17种金属元素的统称。由于其独特的电子层结构，稀土元素具有独特的物理和化学性质，在现代经济与国防科技中占据着至关重要的战略地位。它们是高科技产业的核心材料，推动全球技术创新和产业升级，也是先进武器系统、雷达、导弹、卫星和隐身技术中不可或缺的关键材料，直接关系到国家的军事优势和国防安全。因此，稀土不仅仅具有资源属性，还兼具技术属性和战略属性。确保稀土供应链的稳定，已成为各国在经济与国防战略中的重中之重。

稀土元素在磁性材料、催化剂、光学材料、中子吸收材料、储氢材料、航空航天合金材料等方面发挥着不可替代的作用。

磁性材料是稀土元素应用的主要领域之一，约占稀土总量的60%，其中稀土永磁材料占据了绝大部分。2024年，中国稀土永磁材料产量已占全球总量的90%左右。在中低端钕铁硼磁体生产中，主要使用钕（Nd）、镨（Pr）等轻稀土元素；而在高端钕铁硼磁体中，为了进一步提升其高温稳定性和抗退磁能力，还须添加铽（Tb）、镝（Dy）等重稀土元素。钕铁硼磁体因性能优异，在电动汽车驱动电机、风力发电机、消费电子等众多现代科技与工业领域不可或缺，有力推动了清洁能源、信息技术及高端制造业的快速发展。钐钴磁体同样是稀土磁性材料的重要成员，具有高磁能积、优异的耐高温和抗腐蚀性，在一些极端环境下成为唯一的选择。例如，在航空航天发动机、石油钻井设备等高温场景中，钐钴磁体可稳定工作；在海洋、化工设备等强腐蚀环境中，其抗腐蚀特性使其成为不可替代的材料；在航空航天传感器、高精度测量仪器等对磁场稳定性要求极高的场景中，钐钴磁体同样发挥着关键作用。此外，铽镝铁作为高性能磁致伸缩材料，凭借高能量转换效率和快速响应特性，在声呐系统、超声换能器、精密机械定位系统中成为核心组件，具有不可替代的地位。还有，稀土极低温磁制冷技术作为目前唯一不依赖氦-3的制冷手段，具有重要的战略意义，有助于减少对进口氦-3资源的依赖，其在高能物理、量子计算、深空探测等前沿科技领域展现出广阔的应用前景。

在催化领域，稀土消费占比高达20%—25%，是仅次于永磁材料的全球第二大稀土应用方向。其核心价值在于稀土元素独特的4f电子层结构，可显著提升催化反应的效率和环保性能。在石油裂化领域，镧（La）、铈（Ce）作为助催化剂用于石油裂化催化剂，能够提高催化活性、增强热稳定性、延长催化剂寿命以及改善产物选择性，同时有助于减少炼油过程中的SOx/NOx等有害气体排放，降低环境污染，是石油裂化催化剂的关键元素。在汽车尾气净化方面，铈基储氧材料（CeO2-ZrO2 ）凭借动态氧存储——释放特性，使三元催化剂的CO/HC氧化效率和NOx还原率分别超过98%和90%，成为满足国六/欧六排放标准的关键材料。此外，稀土在SCR脱硝催化剂和固体氧化物燃料电池等新兴环保领域的作用也不可或缺，充分体现了稀土在传统产业绿色升级和新能源技术突破中的战略价值。

在光学材料应用方面，稀土元素La、Nd、镱（Yb）和铒（Er）在高性能光学器件中扮演着至关重要的角色。它们能够显著提升相机镜头、望远镜及其他精密光学玻璃的折射率和色散性能，从而优化成像质量。此外，稀土元素在固态激光器中也是不可或缺的，可提供特定波长的激光输出。固态激光器对稀土原料中的关键杂质含量有着极为严格的控制要求，通常需要达到ppm（百万分之一）甚至ppb（十亿分之一）级别的纯度。稀土元素同样是半导体材料的关键掺杂剂，对改善其电学和光学性能具有重要作用。例如，在光电探测器中，稀土元素的掺杂可以增强材料对特定波长光的敏感性，进而提高探测效率。在光纤放大器中，稀土元素（如Er）能够通过受激发射放大光信号，广泛应用于长距离光纤通信系统中。此外，稀土元素铕（Eu）、Tb和Ce等在发光材料领域具有独特的应用价值。它们能够发射特定波长的光，是制造节能灯、LED和显示屏等荧光粉的核心材料。

在中子吸收材料方面，钆（Gd）和钐（Sm）凭借其卓越的中子吸收特性，在核能领域具有不可替代的重要作用，尤其在核反应堆控制棒中发挥着不可替代的作用。控制棒作为调节核裂变反应速率的核心部件，通过吸收中子精确控制反应堆功率输出，确保其稳定运行；紧急情况下，控制棒能够快速插入堆芯终止链式反应，防止反应堆失控，从而为核电站的安全运行提供重要保障。此外，钆和钐的使用减少了对传统控制棒材料（如镉和硼）的依赖，不仅提升了反应堆的性能，还优化了其设计，已成为现代核反应堆中不可或缺的功能性材料。

稀土储氢合金是镍氢电池通常采用的负极材料，稀土元素能够与氢形成稳定的氢化物，从而提高储氢容量、降低反应活化能，使电池在充放电过程中更加高效，能提升吸放氢动力学性能，使电池能够快速充放电，还能够抑制合金在反复吸放氢过程中的粉化和退化，延长电池寿命。稀土元素（如钇、钆、钐）在固体氧化物燃料电池的电解质中也不可或缺，通过掺杂显著提升了氧离子导电性和热稳定性，是其高效运行的关键。如：Gd2O3 或Sm2O3 掺杂的CeO2 ，在中温范围（500℃—700℃）表现出更高的氧离子导电性；钇的掺杂在氧化锆晶格中引入氧空位，促进氧离子迁移，显著提高高温（800℃—1000℃）下氧离子（O²-）的导电性。

稀土元素不但在功能材料中有广泛应用，在结构材料中也是不可或缺的关键材料。其独特的物理和化学性质能够显著提升合金的性能，满足航空航天领域对材料高强度、耐高温、抗腐蚀等苛刻要求。通过添加稀土元素，可以细化合金晶粒结构，提高强度、韧性、抗疲劳性能以及耐腐蚀能力，从而延长部件使用寿命。特别是，稀土元素还能改善高温合金的高温稳定性和抗蠕变性能，使其适用于航空发动机热端部件等极端环境。此外，在轻量化设计方面，稀土镁合金因其低密度、高比强度和耐热性，是制造卫星和航天器结构件的理想材料，为现代航空航天技术的发展提供了重要支撑。

稀土元素在传统工业和高科技领域占据重要地位的同时，也在能源转型、信息技术发展和前沿科学研究中发挥着关键作用。随着全球对清洁能源、智能技术和高端制造需求的持续增长，稀土材料的战略价值将愈发凸显，成为提升国家科技竞争力和保障经济安全的重要支柱。当然，稀土的难点在于其开采、提纯、加工过程的技术复杂性和环境保护要求，以及由此带来的经济和政治层面的问题。随着技术进步和环保意识的提高，这些问题正在逐步得到解决，但仍然是制约稀土产业发展的关键因素。