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1、硬质合金10
1.1产业现状及产业规划10
1.2国内外研究趋势11
1.3主要存在的问题12
2、钨钼大型制件13
2.1产业现状及产业规划13
(1)钨钼制件应用于LED衬底用单晶生长14
2.2国内外研究趋势15
2.3主要存在的问题15
3、大规格钼电极15
3.1产业现状及产业规划15
3.2、国内外发展趋势16
3.3、主要存在的问题16
4、钨钼大型板材16
4.1产业现状及产业规划16
4.2、国内外发展趋势17
4.3、主要存在的问题18
5、高纯铼及其合金制品18
5.1产业现状及产业规划18
5.2国内外研究趋势19
5.3主要存在的问题19
6、高纯金属靶材19
6.1产业现状及产业规划19
6.2国内外研究趋势20
6.3主要存在的问题22
三、主要问题及行业展望24
1、亟待解决的主要问题24
1.1高纯原料的制备24
1.2加工技术薄弱,缺少规格特大、形状特异产品生产能力24
1.3基础研究薄弱、高端新品种开发力度不够25
1.4整体生产加工水平低,技术落后25
2、行业展望25
2.1符合振兴新兴产业及国家中长期发展规划的要求25
2.2突破壁垒、解决生产中的重大技术问题26
2.3重视资源二次循环利用,利国利民26
一、稀有金属简介
1、定义及用途
稀有金属通常指在自然界中含量较少或分布稀散的金属。
这些金属尽管稀少,但在现代工业中有着重要的作用。
随着科学技术的高速发展,对材料提出了日益严格的要求。
由于稀有金属具有各种优良性能,在国民经济的各个方面及航天、能源、电子、化工等领域都越来越发挥着重要地作用。
表1稀有金属的分类
类别及数量
元素
特点
稀有轻金属
(共4个元素)
包括锂、铷、铯、铍。
比重较小,化学活性强。
稀有高熔点金属
(共9个元素)
包括钛、锆、铪、钒、铌、钽、钼、钨、铼。
熔点较高,与碳、氮、硅、硼等生成的化合物熔点也较高。
稀有分散性金属
(共6个元素)
包括镓、铟、铊、锗以及硒、碲。
稀有稀土金属
(共17个元素)
包括钪、钇及镧系元素。
化学性质非常相似,在矿物中相互伴生。
稀有放射性金属
(共19个元素)
包括天然存在的钫、镭、钋和锕系金属中的锕、钍、镤、铀,以及人工制造的锝、钷、锕系其他元素和104至107号元素。
稀有金属钛、钽、铌都同时具有耐高温高压、耐腐蚀等特点,因此在化学工业中广泛被用来制造在高温高压、强腐蚀条件下工作的化工设备。
用他们替代不锈钢能提高设备使用寿命10倍以上。
同时,许多稀有金属化合物成为化工过程中重要的催化剂,如钼铼化合物。
稀有放射性金属钍、铀是能源工业中重要的核原料;
稀有高熔点金属锆,由于同时具备耐高温、耐腐蚀,热中子俘获面小等优良特性他,是原子反应堆不可缺少的结构材料;
稀有高熔点金属铪,因其热中子俘获面大而用作反应堆的控制棒。
在电子行业中,高纯度稀有金属锗是重要的半导体材料之一,钇及某些稀土元素氧化物是制作超导材料的主要成分。
钨、钼、钛、铌、锆、铟、镓都是电子工业不可缺少的重要材料。
稀有金属钽以制造比容大,性能稳定的优质电容器,成为航天航空设备中的重要电子元件。
在钢铁工业中,稀有高熔点金属是冶炼优质钢的重要添加剂,少量稀土或钼、钒等加入钢中,都能大大改善钢的结构,从而大大提高其强度和耐冲击性能,故大量用于炼制各种低合金钢。
此外,在医疗、激光、超导、航海、农业等各个领域无不使用稀有金属及其化合物。
稀有金属的发现和应用虽然比较晚,但随着科学技术的高速发展,人们对稀有金属的认识日益深化,对其应用范围愈来愈拓宽,在国民经济及科学技术中的地位越来越重要。
2、国内资源现状
我国是稀有金属资源的大国,以重要的稀有金属战略储备资源钨、钼为例:
中国是世界上钨资源最丰富的国家,占全球储量的35%。
是世界上最大的钨生产国和出口国,同时也是最大的钨消费国家。
根据国际钨协公布的数据显示,全球钨消费总量中,中国消费占37%,欧洲约27%,美国15%,日本11%。
中国也是全球最大的钼资源国,根据美国地质勘探局的统计资料显示,中国的钼资源占全球钼资源储量的38.4%以及储量基础的43.7%。
目前我国以35%的钨资源向世界提供着80%至90%的供应,处于绝对的垄断地位,但却并没有获得垄断性的利润。
2003年,中国出口到美国的钨产品为2943吨,占美国钨供应量的1/3,出口额2560万美元。
同年,美国肯纳公司这一家企业利用进口钨品加工硬质合金的销售收入就达到20亿美元。
而这一年,我国整个钨行业销售收入仅为100亿人民币。
与此同时,我国出口了大量的钨资源,却又以六、七倍的价差来购买高端钨制品。
其主要原因就是我国钨产品结构不合理,出口过多,价格低廉。
以附加值低的初级产品出口为主。
我国在稀有金属资源的开发和利用方面有较为悠久的历史,但经过多年的开采,特别是随着国内外经济形势的变化,出口贸易上存在严重的问题,我国的资源损失严重,世界占有率大幅下降,资源形势十分严峻。
因此,随着稀有金属在国民经济各个领域用途的拓宽、用量的增加,各类资源将面临严峻的挑战。
面对这种险峻的形势,大力提高稀有金属制备的技术水平,发展先进的生产装备,有效降低生产成本是行之有效的对策。
3、稀有金属钨、钼、铼在国民经济中的重要作用
稀有金属钨、钼、铼广泛应用于航空、航天、电子、核工业、汽车、半导体照明、机械加工、高温设备、稀土冶炼、放射性医疗、薄膜技术、钢铁冶金、金刚石合成、有色金属加工模具等领域,在国民经济中有着至关重要的作用。
其材料和制品已经渗透到国民经济建设和社会生活的各个领域,支撑着一大批高新技术产业的发展,同时它对传统行业的更新换代也起着推波助澜的作用。
3.1对国防军工领域的作用
钨、钼、铼及其合金材料由于其优异的性能,在先进国防建设中占有十分重要的地位,如:
侵彻弹、集束炸弹、穿甲弹、射线武器屏蔽以及装甲材料等,大量使用钨合金高比重材料;
难熔金属钨(钼)渗铜浸渗复合材料,广泛用作固体火箭发动机的燃气舵、护板、喉衬和紧固件等耐高温抗烧蚀部件;
“高超音速飞行器”项目也采用了高性能钨渗铜和钼渗铜材料,作为抗烧蚀前缘等关键部位,用来抵抗超高速气动加热所产生的高温和冲刷烧蚀。
此外,高性能难熔金属变形加工制品和大尺寸难熔金属烧结制品在武器型号上也有广泛的应用和需求。
其他应用的方面还有卫星导航装置、精密仪表仪器、动平衡配重等。
3.2对电子行业的作用
钨、钼、铼等稀有金属材料一直是电子工业及电光源用的重要材料。
钼有良好的导电和高温性能,特别是与玻璃的热膨胀系数极其相近,广泛地用于制造灯泡中螺旋灯丝的芯线、引出线、挂钩、支架、边杆及其他部件,在电子管中做栅极和阳极支撑材料。
各种高纯难熔金属及其合金制成的靶材用于制造大规模集成电路芯片。
3.3对核工业的作用
钨及钨合金在核工业上有广泛应用。
钨是BCC结构,在固相温度范围内不发生同素异型转变。
在所有金属中,钨的熔点最高(3410℃),蒸气压最低(1.3×
10-7Pa),热导性好,高温强度高,不形成氢化物,不与氘共沉积,是一种很好的高热流密度部件的保护材料。
目前纯钨制品已经广泛应用于热核聚变堆的挡板、护甲。
钨基高比重合金是以钨为基体加入少量镍、铁、铜等合金元素组成的合金,具有密度高(-18.5g/cm3)且可调、吸收高能射线能力强(比铅的射线吸收系数高1/3)等优异性能,因而广泛用作射线屏蔽防护材料和核屏蔽材料。
在核技术上的应用主要有:
检测集装箱系统的钨合金准直器;
60Co及其他辐射的屏蔽钨合金容器;
地质勘测屏蔽γ射线钨合金准直器;
管道检测射线屏蔽钨合金准直器;
工业探伤γ射线屏蔽钨合金准直器等。
3.4对医疗行业的作用
钨合金作为一种理想的辐射屏蔽材料,在肿瘤放射性治疗机和核医学成像的医学影像设备中大量使用。
CT和PET技术中都需要由钨合金薄片组成的准直器。
3.5对加工工业的作用
在真空炉和保护性气氛电炉中,难熔金属钨、钼、铼制品广泛用于发热体、隔热屏、固定件、底盘、导轨和舟皿。
大规格的钨、钼坩埚因为其高的耐腐蚀性能和耐高温性能而广泛地应用于表面涂层工业、单晶生产行业、金刚石和立方BN的生产中。
钼合金顶头用于无缝钢管穿管可比工具钢顶头提高穿制寿命十几倍到几十倍。
高温高强度钼合金作为等温锻造的模具在航空工业的钛合金、高温合金部件的加工上的应用,其他如作为有色金属的压铸模具等。
3.6对镀膜行业的作用
随电子信息行业的快速发展,稀有金属作为溅射靶材的应用呈直线上升。
溅射靶材是获得薄膜材料的基础,随着薄膜科学的飞速发展和薄膜技术的不断进步,靶材的研究也得到长足的发展。
溅射靶材的应用领域包括平面显示、半导体、磁记录存储、光记录存储、太阳能、机械、汽车、玻璃、装饰等行业。
在种类繁多的靶材中,大尺寸高纯Mo靶、WTi靶具有优异特性,广泛应用在平面显示、薄膜太阳能电池、半导体、医疗、机械加工以及固体润滑等方面。
4、稀有金属钨、钼、铼在重点领域及项目中的应用前景
目前钨、钼和铼除了在传统工业上的应用外,在LED、核电、核医疗、以及新能源等领域及重点项目上也有着广泛的应用前景。
4.1半导体照明领域
LED产业及LED半导体照明目前是全球范围内在未来几年重点发展的绿色产业,我们国家也先后起动了绿色照明工程,半导体照明工程,LED半导体照明技术和市场也逐步趋于成熟,为LED半导体照明发展提供了良好的动力。
钨钼产品在这个产业链中有着非常广泛的应用。
如LED照明用石英玻璃领域、LED外延芯片蓝宝石晶体生长炉用钨钼热场(钼屏和钨坩埚)、LED产业链中MOCVD设备热场(铼加热器、钨钼材等)、LED发光电极等。
图1蓝宝石晶体生长用钨、钼坩埚图2蓝宝石单晶生长炉用钼热场
图3MOCVD加热炉关键元件—纯铼加热丝
4.2核电领域
近年来中国、德国和美国等国家开始大规模建设第三代核电站。
最新一代的核电技术中,AP1000核电技术被认为是目前世界上最先进的核电技术。
AP1000最主要的优点是其采用最先进的屏蔽式主泵,具有高的惰性转动惯量,在无动力条件下时,能保持核反应堆冷却几小时,为处理预留反应时间。
与第二代核电相比,AP1000具有安全性高,成本低等优点,是核电的重要发展方向之一。
AP1000核电主泵是AP1000核电最核心的部件,主机泵飞轮的核心部件是大型钨基合金惯性轮。
蒸汽发生器
主泵
核反应堆
图4AP1000核电主泵位置图
4.3核聚变ITER项目
核聚变研究是当今世界科技界为解决人类未来能源问题而开展的重大国际合作计划。
与不可再生能源和常规清洁能源不同,聚变能具有资源无限,不污染环境,不产生高放射性核废料等优点,是人类未来能源的主导形式之一,也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一,因此ITER项目具有无限潜力。
ITER装置主要包括第一壁、偏滤器、包层、以及屏蔽部件、真空容器、磁场系统、加料与等离子体辅助加热系统等。
在该装置中需大量使用高性能钨、钼及其合金材料和制品。
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- 稀有金属 材料