“新天工开物”：稀土永磁驯“铈”记

“新天工开物”:稀土永磁驯“铈”记

稀土，被誉为“现代工业的维生素”，在精密制造、国防、新能源等领域扮演着不可替代的角色。我国是全球最大的稀土生产国，也是全球唯一拥有完整稀土产业链的国家。这是我国一代代“稀土人”前仆后继、艰苦创业，努力奋斗的结果。

近日，在“新天工开物——科技成就发布会”上，中国钢研科技集团有限公司团队带来的高性能稀土永磁材料，特别是我国独创的“铈磁体”产品，吸引了众多关注。

中国工程院院士李卫在推介中肯定了“铈磁体”自主技术成就，同时强调了科技创新与产业深度融合的重要性。“中国钢研科研团队历经多年攻关，不仅突破了铈磁体规模化生产的核心技术瓶颈，更联合国内优势单位构建起‘基础研究——成分优化——工艺创新——批量制造——应用验证’的全链条技术体系，成功推动其从实验室走向产业化应用。”

从攻克“磁王”到决心“驯铈”

很多人误以为“稀土”是一种特殊的土壤，但实际上，稀土既不是土，也不“稀有”。稀土是17种金属元素的统称，包括镧、铈、钕、钇等，这些元素在地壳中的含量并不稀少,甚至比某些常见金属如铅、锡还要丰富，但由于它们通常以微量形式分散在其他矿物中,难以开采、提取和分离，因此被称为“稀土”。

而稀土永磁，是一种由稀土元素和过渡金属组成的永磁材料，具有极高的磁性能和优异的物理特性，是现代工业发展的关键材料。从民用的智能手机、电动汽车，到军用的隐形战机、卫星导航，几乎每一项高科技产品都离不开稀土永磁。

钕铁硼永磁是上个世纪80年代初发明的一种高性能稀土永磁材料，一问世，立即引起科学家们的广泛重视。凭借超高的磁能积，钕铁硼能够在极小的体积内凝聚起惊人的磁场，对航天、电机、冶金、化工等产业发展意义重大。

1987年初夏，以李卫、李波和喻晓军组成的课题组，担起了国家“七五”重点科技攻关课题重任，攻关一项新技术——被誉为“磁王”的第三代高性能钕铁硼永磁材料。

这三个平均年龄仅27岁的年轻人，终日以实验室为家，与磁体作伴。凭着大胆、进取和实干精神，通过大量研究试验和计算，经过不计其数的冶炼、磨粉、烧结实验，最终在1989年以全新的“高性能钕铁硼永磁体”技术将材料的最大磁能积达到了49兆高奥以上，使中国成为当时世界上第二个获得45兆高奥以上磁体的国家。该成果被评为我国1989年冶金十大科技成就之一，并获国家“七五”科技攻关重大成果奖和国家科技进步奖一等奖。

随着现代工业的高速发展，钕铁硼用量迅猛增长，导致稀土资源被大量开采，同时也出现了新的问题。稀土矿中的稀土元素并不单独存在，而是以“伴生体”的形式。例如，在我国白云鄂博共伴生矿稀土含量中，铈元素约占50%，镧元素占25%左右，镨、钕元素占21%左右。但在钕铁硼的制造过程中，主要使用的是稀土中含量较低的钕、镨元素，而对含量更高的镧、铈等元素却无法实现有效利用，造成了大量资源浪费。

“大部分高丰度的稀土元素都没得到充分利用，堆积在那里，稀土真的变成了‘土’？”李卫痛心地说，稀土属于战略性稀缺矿产资源，如果能对储量丰富的镧、铈元素高效利用，我国的稀土资源量相当于翻了一番。

事实上，自钕铁硼磁体问世后，就有人尝试往其中添加铈元素，但一直没有实用性产品出现。以至于稀土永磁领域通常认为，铈是有害的，添加铈会对永磁材料产生副作用。

但中国钢研团队没有因此退缩。2006年，在李卫牵头下启动铈磁体的研发工作，决心解决稀土中丰度最高的铈元素在稀土永磁材料中的应用问题，将“闲置资源”变为“黄金”。

“没有路，就蹚出路来”

摆在研究团队面前的最大挑战是没有成功经验可循，每一步都是"摸着石头过河"。

铈元素与镨钕元素相比，其内禀性能天生弱化，一旦分布不好，更会是雪上加霜。针对铈磁体研发中的瓶颈问题，中国钢研团队反复建模、实验、分析，探索钕铁硼材料中添加铈元素的制备技术，尝试用各种方法改善铈磁体的微观组织结构。同时，他们每周都会举行讨论会，对实验结果进行比对分析。

功夫不负有心人，历经上千个日夜苦战、无数次反复试验之后，在2010年的一次讨论会上，研究团队终于迎来重大转机。据李卫回忆，“我们对当时的多项实验结果进行分析后发现，当具备一种特殊的结构时，铈磁体展示出显著提升的综合性能。”

有了首次试验结果的成果，后续进展顺利许多。又经历一年多艰苦的实验和探索，研究团队实现稳定重复的实验结果，真正攻克了新型铈磁体的关键制备技术。2011年，中国钢研在国内申请了铈磁体发明专利，后相继在美国和德国获得发明专利授权。

近些年，中国钢研团队对铈磁体的研究逐步深入。伴随一次次技术突破与创新，铈磁体的性能不断提升。铈元素占材料中稀土元素的比例，也从零一步步提升到60%以上。比例越高，难度越大。研究团队目前正在攻关的目标是，让铈元素占材料中稀土元素用量的80%甚至100%，同时拥有良好性能。

从“实验样品”到“生产线产品”

前文提到，中国钢研团队经过艰苦实验和探索，一举攻克新型铈磁体的关键制备技术，自主研发出新型铈磁体材料，使我国稀土永磁产业从“跟跑”到“全球领跑”。不过，从实验室中的样品到流水线上的产品，这“最后一公里”并不容易。相较于钕铁硼磁体已经在市场上大规模应用，铈磁体还未真正实现产业化，尚未得到市场检验。

2013年，研究团队终于找到有勇气“第一个吃螃蟹”的几家企业——宁波复能新材料股份有限公司、山东上达稀土材料有限公司和安泰科技股份有限公司等。经过无数个日夜后，成功地在这几家企业实现了铈磁体的产业化。这意味着，我国成为全球首个实现铈磁体产业化的国家。宁波复能新材料股份有限公司获得专利授权许可后，生产销售的新型铈磁体很快就达到6000吨；安泰科技股份有限公司5000吨全智能化铈磁体工厂已经在内蒙古包头投产运行。

由于铈元素在稀土中丰度较高，铈的价格与钕相比要相差一个数量级，无论在资源的可持续利用，还是产品的性能价格比上，铈磁体都占有竞争优势。外加国家政策的支持、下游产业的需求增长、铈磁体相关技术的不断进步等因素，为铈磁体产业发展提供了良好机遇。

稀土永磁在消费电子、新能源汽车、机器人等领域有着广泛的应用场景。据统计，一部智能手机中大概要用到10克左右的钕铁硼稀土永磁材料。新能源汽车需求量更大，从驱动电机、音响系统、电子阀门、转向助力系统，稀土永磁都发挥着核心作用。有报告计算过，新能源汽车每辆纯电动车消耗钕铁硼永磁体2-4kg；而人形机器人也将是稀土永磁材料的消费大户，每台人形机器人要消耗稀土永磁材料约将近4kg。除了消费电子和新能源汽车，稀土永磁还广泛应用于风力发电、信息通信、医疗设备甚至航空航天领域。

从上世纪六十年代开始，中国钢研团队就不断克服种种困难，连续开发第一代、第二代和第三代稀土永磁材料。他们敏锐判断新一代稀土永磁的巨大发展前景，通过艰苦努力、协同创新，推动第三代稀土永磁研发和产业化实现了四次技术突破，如今全球独创的铈磁体技术为中国稀土永磁产业在激烈的国际竞争中开辟了发展的新赛道。

“面向未来，我们将引入人工智能、大数据等数字化手段，继续探索性能更好、成本更低的新一代稀土永磁材料。同时，还将推动稀土永磁的回收与循环利用，助力国家‘双碳’战略。”中国钢研科技集团有限公司稀土领域首席专家喻晓军表示。

全球首个实现铈磁体产业化的国家、全球唯一拥有完整稀土产业链的国家、全球最大的稀土生产国和出口国……这一个个“第一”背后，是无数中国“稀土人”用坚韧浇筑的热血事业，更是代代传承下的大国工匠精神！

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