工業的“血液”叫石油,工業的“糧食”是芯片,而工業的“維生素”,名曰稀土。在全球的工業體系中,中東控制了“血液”,美國控制了“糧食”,而中國則占據了“維生素”大部分市場。
稀土金屬是位于元素周期表ⅢB族中鈧、釔、鑭系17種元素的總稱,第一個稀土元素發現距今已有227年。之所以命名為稀土,是當時受到古希臘哲學的影響,認為世間萬物皆由空氣、水、火和土構成,所有氧化物都稱作“土”,而這種“土”非常罕見,就叫它稀土。
但事實上,隨著科學的發展人類已經意識到了“稀土不稀”這個事實,比如,稀土中的鈰,在地殼中的儲量跟銅差不多,最罕見的稀土金屬是銩,儲量是黃金的200多倍。
半導體中的稀土
稀土金屬,稀有金屬和稀散金屬共同組成了“三稀金屬”,而三稀金屬被應用在工業領域的各個方面,尤其是半導體產業。比如第二代半導體材料砷化鎵,碲化銦,第三代半導體材料氮化鎵等,此外稀土金屬還在拋光、靶材、激光燈方面,以其優異的物理和化學屬性發揮著巨大作用。
稀土常被用作拋光材料,氧化鈰是拋光粉最常用的材料,其中高鈰拋光粉主要用于石英、光學鏡頭等硬質玻璃長時間循環拋光;中鈰拋光粉用于中等精度的光學鏡頭及液晶顯示器等工件的拋光;低鈰拋光粉主要用于平板、顯像管玻璃等拋光。
在半導體靶材領域,也有稀土相關身影出現,雖然絕大多數半導體芯片的濺射靶材都是采用的銅、鋁等傳統金屬,但仍有相當一部分采用的是鉭靶、鉬靶等為主。比如鉬和氧化銦常被用做平板顯示靶材,鉭被用做芯片的靶材,鎢被用作存儲器芯片的靶材。
稀土的另一大用途則是在激光方面,甚至有觀點認為稀土孕育了人造激光。
目前已知約有320種激光晶體,其中約290種是摻入稀土作為激活離子的,比如摻釹釔鋁石榴石晶體,可以用作重復頻率高的脈沖激光器,氟化鋰釔可以被用作二極管泵浦的激光晶體。
在半導體制造中,激光扮演著重要角色,無論是激光切割,還是光刻機的光源。ASML的激光器是由德國通快提供的,而位于福建的福晶科技是通快的供應商。福晶科技是全球激光晶體龍頭,雖然沒有直接證據表明福晶科技與ASML有必然聯系,但至少證明中國的稀土在全球產業鏈中都有舉足輕重的地位。
除此之外,鋱元素可以作為磁光貯存材料,并得到了大規模使用,用該材料做的磁光光盤,存儲能力能夠提高10~15倍;在需要放大波長1550nm光信號的電信網絡中,摻鉺光纖放大器是必不可少的光學器件;霍尼韋爾等企業曾用鍶制作光子芯片;日本的昭和電工也曾經開發出基于鈷元素的耐高溫半導體材料,稀土相關金屬在半導體領域可謂無處不在。
稀土與軍工
半導體與稀土在很多領域都是如影隨形的,比如在軍工領域,沒有稀土與半導體的軍工,無法形成強大的威懾力。
如今,幾乎所有的大中型武器都實現了電子信息化,小到夜視儀,大到飛機、坦克和航母,半導體無處不在,而稀土在特定的軍事領域,也發揮著極強的作用。
根據美國國防部的相關資料稱,每架隱身的F-35打擊戰斗機都需要920磅(417公斤)稀土材料;每艘阿利伯克級驅逐艦需要5200磅(2.4噸);一艘SSN-774弗吉尼亞級潛艇需要9200磅(4.2噸)。
在激光制導等領域,半導體常常與稀土共同出現,甚至一些武器直接是用稀土命名。比如坦克使用的摻釹釔鋁石榴石激光測距機,這是現代先進坦克的標配裝備,從美國的M1到英國的“挑戰者”和德國的“豹2”,無一例外,它的測量距離達到20公里,精度比普通的光學測距儀高很多。
稀土與汽車
稀土和半導體的另一個大的交集則在汽車產業。汽車電子如今已經成為一個專有名詞,截止目前,全球的汽車電子市場已經逼近2萬億元的市場規模,隨著新能源汽車與自動駕駛技術的持續發力,汽車電子還將持續高速增長,而稀土也將迎來更大的成長空間。
稀土在汽車方面的應用也是無處不在,比如釔被用來生產緊湊型熒光燈,氧化鈰以其優異的催化性能,已經可以取代傳統的鉑(Pt)和銠(Rh)等貴金屬,用于汽車尾氣處理,每年用在汽車尾氣凈化方面的氧化鈰消耗量大約1.15萬噸。
鋱和鏑被用來生產能在高溫下良好運行的磁鐵,而磁鐵是汽車動力系統的重要組成部分,這些元素大部分國家都需要從中國進口,尤其是日本。
據悉,一般汽車整車有30多個部件要用到稀土永磁磁鐵,而高端車更是有70多個部件需要用到稀土永磁材料,用以完成各種控制動作。
一輛高級轎車需要稀土永磁材料約0.5kg-3.5kg,在新能源汽車上這些量更大。每輛混合動力車較傳統汽車要多消耗5kg釹鐵硼;純電動車中,稀土永磁電機替代傳統電機要多使用5-10KG釹鐵硼。
稀土VS半導體
最近幾年,稀土市場會拿出來和半導體一起進行討論。但值得注意的是,稀土與半導體在產業規模上不可相提并論。根據相關數據顯示,2018年中國稀土產業鏈產值約900億元人民幣,而2017年,全球的半導體產值為4767億美元,稀土與半導體的產值比起來小太多了,甚至不及半導體一個零頭。
在技術上,稀土的技術門檻和涉及的上下游也和半導體差距很大。
稀土的核心門檻是精煉能力,在這方面中國是全球第一。但別國若想在技術上追平我國,或許比我們在半導體產業投入的資金與時間少許多。
在上下游產業鏈中,半導體牽扯到的產業鏈無疑更為廣泛,從設計到制造、還有設備,材料等一大堆產業,就拿臺積電來說,其供應商的數量就超過了3000家,稀土無疑不需要這么長的產業鏈條。
綜述,從產業規模來說,稀土與半導體產業或許不能相提并論,但重要性而言,工業缺少“糧食”會萎縮,缺少“維生素”也會衰退,兩者的區別只是在于哪種衰落的更快而已,不過由于稀土規模小,有時候可以達到四兩撥千斤的效果。