當(dāng)前新材料及所需戰(zhàn)略性礦產(chǎn)概述

黃 琳，孫 艷，郭唯明，楊雅淇

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所國土資源部成礦作用與資源評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037)

新材料作為高新技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，將成為未來最重要和最具發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。信息、能源和生物等高技術(shù)與新材料迅速融合，以及新材料研發(fā)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的大數(shù)據(jù)、數(shù)字仿真等技術(shù)，都體現(xiàn)著國際新材料市場的競爭越來越激烈。在未來的五年里，國家目標(biāo)落實(shí)《中國制造2025》、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。為實(shí)現(xiàn)《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》《中國制造2025》，新材料產(chǎn)業(yè)在“十三五”期間健康有序發(fā)展，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、財(cái)政部聯(lián)合制定了《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》，指南中明確指出了重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域急需的新材料和前沿新材料。本次針對這些新材料所需礦種做簡要介紹，新材料主要領(lǐng)域及其所需主要礦產(chǎn)資料種類見圖1。

圖1 新材料主要領(lǐng)域及其所需主要礦產(chǎn)資源種類

1 十項(xiàng)重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域急需的新材料

1.1 新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)用材料

伴隨著科技的進(jìn)步，推動(dòng)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展,已成為我國提升綜合國力、提高競爭力的重要內(nèi)容。高純石英砂是各種高科技產(chǎn)業(yè)的重要原料基礎(chǔ)，被越來越多地運(yùn)用到各種高新領(lǐng)域中，如制造二氧化硅薄膜、石英玻璃、半導(dǎo)體硅及光線通訊電纜等，這些高性能材料的制作對于石英砂的純度有極高要求。我國的高純石英砂提純技術(shù)還處在發(fā)展過程中，對于高純石英砂有極大的需求量，我國每年都會(huì)大量向擁有先進(jìn)提純加工技術(shù)的國家批量進(jìn)口高純石英砂[1]。

提到造巖礦物，石英的地位舉足輕重，其在自然界中的分布也很廣。從工業(yè)的應(yīng)用方面可分為7種成因類型：天然水晶、石英巖、粉石英、脈石英、石英砂巖、天然石英砂和花崗巖石英。高純石英的原料通常為天然水晶，而隨著近年來各行各業(yè)對于這種原料的需求量不斷增大，加上它在自然環(huán)境中本來就不多，使得加工高純石英的原料越來越稀缺。只有極少量花崗巖石英和脈石英得以利用[2]。在我國，由于高純石英原料的缺乏以及采選技術(shù)的落后，對于高純石英原料選擇及其加工工藝的盲目性也就隨之顯現(xiàn)出來。高純石英原料的開發(fā)利用特點(diǎn)在不同地質(zhì)成因類型中有較大差異，脈石英礦體礦石質(zhì)量變化較大且產(chǎn)出規(guī)模小，沉積變質(zhì)石英巖占石英原料查明儲(chǔ)量的58%，而花崗偉晶巖中賦存的石英純度難以選取以及判別，所以這類潛在的高純石英礦物資源亟需關(guān)注與研究[3]。

1.2 高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人材料

推動(dòng)高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人材料的發(fā)展，首先一大條件是加快實(shí)現(xiàn)稀土磁性材料及其應(yīng)用器件產(chǎn)業(yè)化，開展傳感器、伺服電機(jī)等應(yīng)用驗(yàn)證。同時(shí)，還應(yīng)調(diào)整超硬材料品種的結(jié)構(gòu)，發(fā)展低成本、高精度的立方氮化硼材料和人造金剛石，解決高檔數(shù)控機(jī)床專用刀具材料制約。稀土永磁性材料、金剛石及硼礦等廣泛用于該領(lǐng)域。

稀土永磁材料是目前發(fā)展階段磁性能最強(qiáng)的永磁材料，它在高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人、交通等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。按稀土永磁材料的開發(fā)應(yīng)用時(shí)間可將其分為三代，分別為釤鈷(SmCo5)、釤鈷(Sm2Co17)和釹鐵硼(Nd2Fe14B)稀土永磁材料。SmFeN系稀土永磁材料和由Nd2Fe14B或Fe、Sm2Co17或FeCo等構(gòu)成的納米雙相交換耦合永磁材料等近年來也相繼被發(fā)現(xiàn)。盡管已產(chǎn)業(yè)化多年，稀土永磁產(chǎn)業(yè)的發(fā)展態(tài)勢仍然不減。在電子信息、能源、醫(yī)療設(shè)備、交通、汽車工業(yè)等眾多領(lǐng)域時(shí)常見到NdFeB磁性材料的身影，由于低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，新能源、風(fēng)電發(fā)電、節(jié)能環(huán)保等新領(lǐng)域也悄然形成，所以對于NdFeB磁性材料的發(fā)展前景依然可觀[4]。

全世界的稀土資源主要分布在中國、澳大利亞、俄羅斯、美國、巴西、加拿大、印度等少數(shù)幾個(gè)國家。中國是名副其實(shí)的世界第一稀土資源大國，不僅稀土元素、礦種種類齊全，儲(chǔ)量也及其豐富，成礦條件十分有利，礦床類型齊全，分布面廣而且相對集中，區(qū)域分布格局及稀土品位合理，這些特點(diǎn)為中國稀土工業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。稀土礦既是中國的優(yōu)勢礦種，也是中國重要的戰(zhàn)略性礦種。目前已發(fā)現(xiàn)了上千處礦床、礦點(diǎn)和礦化產(chǎn)地分布在全國三分之二以上的省(區(qū))，全國稀土資源總量的98%分布在內(nèi)蒙古、江西、廣東、四川、山東等省(區(qū))，形成東西南北均有的分布格局，且以“北輕南重”為顯著特點(diǎn)[5]。近些年，由于過度開采和低價(jià)銷售，中國的稀土資源儲(chǔ)量在世界排名中總體呈下降趨勢，資源優(yōu)勢堪憂。

寶石級和工業(yè)級是金剛石兩大類型，“寶石之最”的寶石級金剛石又稱鉆石。廣泛應(yīng)用的工業(yè)級金剛石，其特性為高耐磨、高硬度，以及優(yōu)異的光學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能等。世界上超過35個(gè)國家都發(fā)現(xiàn)了金剛石。我國金剛石資源缺乏，被開發(fā)利用的優(yōu)質(zhì)金剛石資源達(dá)73%以上，進(jìn)口是主要的天然金剛石來源[6]。經(jīng)查明，原生礦為我國金剛石資源的主要賦存狀態(tài)，約占總體的95.30%，砂礦僅占4.70%。我國金剛石砂礦平均品位低于原生礦，但砂礦寶石級含量高。由于砂礦規(guī)模小，目前已不具有開發(fā)利用價(jià)值[6]。

世界硼資源比較充足，2016年B2O3的儲(chǔ)量約為3.8億t(不含阿根廷、玻利維亞、哈薩克斯坦)，大約70%為土耳其的硬硼鈣石。美國、阿根廷、玻利維亞、智利、中國為硼的主要賦存國家。我國硼礦資源總體上具有資源豐富，種類多、共伴生礦物多、礦石品位低、富礦少、貧礦多、開發(fā)利用程度低、產(chǎn)地分布不平衡等特點(diǎn)。目前，我國硼酸鹽70%以上依靠進(jìn)口，我國硼礦主力基地遼吉硼鎂礦資源已近枯竭，急待尋找新的替代硼資源后備基地[7]。

青藏高原賦有豐富的鹽類礦產(chǎn)資源，尤以富含硼為其重要特征之一，形成地球上獨(dú)特的外生硼成礦帶，為中國已知最有遠(yuǎn)景的外生硼礦產(chǎn)區(qū)?？蓪⑵浞譃楣腆w和液體類型，液體硼礦居多，相對于固體硼礦有較大資源遠(yuǎn)景，但目前主要以固體硼礦的開發(fā)利用為主。對于我國的硼礦資源，其儲(chǔ)量雖大，有限的資源利用率是最大的難題，存在明顯的供需矛盾，因此青藏高原富硼鹽湖綜合開發(fā)利用的進(jìn)一步推進(jìn)和找硼研究工作的進(jìn)一步擴(kuò)大，具有重要的科學(xué)與經(jīng)濟(jì)意義[8]。

1.3 航空航天裝備材料

開展高強(qiáng)、高溫、大規(guī)格鈦合金材料熔煉、加工技術(shù)研究，加快高強(qiáng)鋁合金純凈化冶煉與凝固技術(shù)研究，提升新型輕合金材料整體工藝技術(shù)水平是發(fā)展航空航天裝備材料的要求。同時(shí)，應(yīng)加快特種稀土合金在航空航天中的應(yīng)用，加快增材制造鈦合金材料在航空結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域的應(yīng)用驗(yàn)證。鈦合金在航空航天裝備材料中得到了廣泛應(yīng)用。

鈦合金比不銹鋼、鎂鋁合金等低溫工程材料，有更好的低溫韌性、更高的比強(qiáng)度，且低溫下有熱傳導(dǎo)率低、膨脹系數(shù)小、無磁性及耐蝕性能好等優(yōu)異綜合性能。宇航器構(gòu)件要求其制造材料在低溫下具有高強(qiáng)度的同時(shí)還需保持良好的韌性和低的熱物性能參數(shù)，有良好的可加工性，所以鈦合金在航天、超導(dǎo)等領(lǐng)域作為一種重要的低溫工程材料應(yīng)用越來越廣[9]。

鈦，具強(qiáng)烈親氧性，是我國的重要的戰(zhàn)略資源。它常與鐵共生并多以氧化物或鈦酸鹽的形式存在。在現(xiàn)有技術(shù)水平與經(jīng)濟(jì)條件下，有利用價(jià)值的鈦礦物主要是鈦鐵礦和金紅石[10]。中國鈦資源儲(chǔ)量居世界第一位，我國的主要鈦礦床為原生釩鈦磁鐵礦，約占94%，鈦鐵礦砂礦、金紅石巖礦和砂礦分別約占4%、1.5%和0.5%[10]。

中國主要的鈦鐵礦資源可分為鈦鐵礦砂礦和鈦鐵礦巖礦。鈦鐵礦砂礦資源分布較分散，規(guī)模小，品位低；鈦鐵礦巖礦主要為釩鈦磁鐵礦。原生金紅石礦和金紅石砂礦為中國金紅石資源的兩個(gè)類型。原生礦石品位低，礦物組成復(fù)雜、嵌布關(guān)系緊密為目前發(fā)現(xiàn)的金紅石資源現(xiàn)狀。金紅石砂礦可劃分為殘坡積型砂礦和海濱砂礦。河南、山東、湖北、湖南等省主要賦存殘坡積型金紅石砂礦，而海濱砂礦則主要分布在海南、廣東、廣西等省(區(qū))[11]?？傮w來講，我國金紅石巖礦和砂礦資源少，鈦資源豐富但缺乏優(yōu)質(zhì)礦石，提高選冶技術(shù)，降低選冶成本是當(dāng)務(wù)之急。

1.4 海洋工程裝備及高技術(shù)船舶用材料

高強(qiáng)、特厚是海洋工程裝備及高技術(shù)船舶材料的主要方向，對高強(qiáng)度雙相不銹鋼寬厚板、高止裂厚鋼板、船用殷瓦鋼及專用高強(qiáng)度聚氨酯絕熱材料產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)，可以在液化天然氣(LNG)船、超大型集裝箱船等高技術(shù)船舶上廣泛應(yīng)用。

性能優(yōu)異的聚氨酯保溫材料，現(xiàn)已被稱為第五大塑料，目前在國際上，聚氨酯保溫材料被稱為性能最好的保溫材料。質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐老化、容易與其他基材黏結(jié)、燃燒不產(chǎn)生熔滴等優(yōu)異性能是硬質(zhì)聚氨酯最顯著的特點(diǎn)。在歐美等發(fā)達(dá)國家聚氨酯材料作為建筑保溫材料約占49%，并大量應(yīng)用于墻體、地板、門窗等，而在我國這一比例尚不足10%。

1.5 先進(jìn)軌道交通裝備材料

先進(jìn)軌道交通裝備材料要求對車輪、車軸及轉(zhuǎn)向架用鋼的強(qiáng)度、耐磨性與疲勞壽命進(jìn)行提升并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，同時(shí)對高速軌道交通需求材料的技術(shù)規(guī)范具有較高的要求。加快碳纖維復(fù)合材料在高鐵車頭等領(lǐng)域的推廣以及實(shí)現(xiàn)將稀土磁性材料應(yīng)用于高鐵永磁電機(jī)是目前該領(lǐng)域的主要關(guān)注點(diǎn)。

該項(xiàng)材料所需的稀土磁性材料已在第二種材料——高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人材料中介紹，在此不再冗述。

碳纖維是一種新型纖維材料，同樣也屬于新一代增強(qiáng)纖維。碳纖維的特點(diǎn)為高強(qiáng)度、高模量，其含碳量在95%以上，是在沿纖維軸向的方向上，通過有機(jī)纖維如片狀石墨微晶等的相互堆砌，經(jīng)碳化及石墨化，最后形成的微晶石墨材料[12]。

石墨是一種重要的無機(jī)非金屬材料，與碳元素互為同素異形體。石墨在變質(zhì)礦床中廣泛存在，發(fā)生的變質(zhì)作用多為區(qū)域變質(zhì)作用，形成的條件一般為高溫。晶質(zhì)和隱晶質(zhì)石墨是天然石墨兩種類型。鱗片越大，性能越好，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值愈高是晶質(zhì)石墨的特點(diǎn)，同時(shí)，它又被稱為鱗片狀石墨。中國石墨儲(chǔ)量為5 500萬t，占全球儲(chǔ)量的22%[13]。在我國，石墨資源分布較廣，其中晶質(zhì)石墨分布在17個(gè)省(區(qū))，黑龍江和山東既蘊(yùn)藏著豐富的晶質(zhì)石墨同樣也包含著豐富的鱗片石墨資源。

采富棄貧、濫采亂掘、管理水平低下、粗放經(jīng)營等行為，是國內(nèi)石墨資源所面臨的重大問題。尤其是在20世紀(jì)90年代，石墨原料生產(chǎn)過剩而使得大量的優(yōu)質(zhì)鱗片石墨原料被長期低價(jià)出口，這些現(xiàn)象都是源于“鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)”小石墨礦的暴增。如果仍然照著我國現(xiàn)存的幾百家石墨企業(yè)的開采方式和速度，據(jù)估計(jì)，石墨資源將在20年內(nèi)被消耗完全[14]。

1.6 節(jié)能與新能源汽車材料

提升鎳鈷錳酸鋰/鎳鈷鋁酸鋰、富鋰錳基等材料性能是節(jié)能與新能源汽車材料的首要任務(wù)，當(dāng)前鋰、鈷等礦產(chǎn)資源廣泛用于節(jié)能與新能源汽車材料之中。

鋰由于其獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)，在儲(chǔ)能、節(jié)能和產(chǎn)能領(lǐng)域均發(fā)揮著重要作用，因而被稱為21世紀(jì)的金屬、能源金屬的典型代表。能源金屬礦產(chǎn)，指的是可在能源領(lǐng)域發(fā)揮重要作用的金屬礦產(chǎn)資源，包括鈾、釷等眾所周知的金屬礦產(chǎn)。鋰被廣泛認(rèn)可為“21世紀(jì)的能源金屬”[15-19]。全球鋰資源并不稀缺，其中，鋰資源最豐富的國家有智利、玻利維亞、中國、澳大利亞等。就目前而言，整體還是以鹵水型和偉晶巖型的鋰礦為主體，沉積型等新類型鋰礦的比重很小[20]。我國鋰礦資源豐富，以硬巖型為主，鹽湖鋰礦雖然儲(chǔ)量巨大，但開發(fā)利用技術(shù)尚待發(fā)展。我國鹽湖中潛在的鋰資源量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于賦存在花崗巖或花崗偉晶巖中的鋰礦資源，但開發(fā)方面存在較大難度，鹵水具高鎂鋰比[21]。在世界范圍內(nèi)，鹽湖鹵水鋰資源在總鋰資源儲(chǔ)量中所占的比例達(dá)到80%以上[22]。

鈷的物理、化學(xué)和機(jī)械性能優(yōu)良，是我國的重要戰(zhàn)略金屬，其作為重要的原料廣泛應(yīng)用于耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度和強(qiáng)磁性等材料的生產(chǎn)過程中，因此，在全球范圍內(nèi)應(yīng)用十分廣泛[23]。國外鈷資源豐富，儲(chǔ)量約為520萬t，但絕大部分產(chǎn)在風(fēng)化型紅土鎳礦、巖漿型硫化銅鎳礦和沉積型砂巖銅礦之中。與國外相比，中國鈷資源緊缺[24]，目前現(xiàn)狀是分布地區(qū)較廣、儲(chǔ)量小、品位低、貧礦多、富礦少、伴生成礦多、獨(dú)立成礦少[25]。未來我國應(yīng)該加強(qiáng)鈷礦勘查，重視對國外鈷資源及海洋鈷資源的利用，同時(shí)提高再生資源利用率。

1.7 電力裝備材料

突破大尺寸碳化硅單晶及襯底、外延制備及模塊封裝材料技術(shù)，發(fā)展高性能絕緣陶瓷，保障特高壓直流電網(wǎng)建設(shè)，是面向智能輸變電裝備領(lǐng)域的主要目標(biāo)。

以色列科學(xué)家研制出一種新型高溫的陶瓷絕緣材料[26]。新型陶瓷泡沫，這種材料的絕緣能力超強(qiáng)，因?yàn)樗膬?nèi)部有著豐富的氣泡，氧化鋁是它的主要成分，屬于普通的耐高溫陶瓷。陶瓷泡沫可用來吸收空氣中的污染物、隔音等，因其低密度可存在于對重量有很高要求的應(yīng)用方式中?？蓪⒀趸X陶瓷分為高純型與普通型。Al2O3含量在高純型氧化鋁陶瓷中占99.9%，可用作集成電路基板與高頻絕緣材料應(yīng)用于電子工業(yè)中。

鋁是世界上最廣泛應(yīng)用的金屬之一，僅次于鋼鐵的第二大金屬。鋁土礦是生產(chǎn)金屬鋁的主要原料。沉積型和紅土型為全球鋁土礦床的兩大類型。除這兩大類之外，中國還增加了堆積型鋁土礦。中國鋁土礦儲(chǔ)量居世界第7位，僅占世界鋁土礦儲(chǔ)量的2.86%。國內(nèi)優(yōu)質(zhì)鋁土礦資源短缺，2012年中國鋁土礦對外依存度高達(dá)50%，資源供應(yīng)能力面臨較大壓力[27]。

我國鋁土礦以大中型礦床居多，保有資源儲(chǔ)量占全國保有資源儲(chǔ)量的90%，主要礦床類型為沉積型，其次是堆積型(分布于廣西)和紅土型(分布于海南)[28]。我國鋁土礦質(zhì)量較差，高鋁硅比的礦石數(shù)量少，礦石的平均品位較低且多為加工難度大的一水硬鋁石[29]，多采用燒結(jié)法或是混聯(lián)法，能耗高，導(dǎo)致氧化鋁的生產(chǎn)成本比國外高，企業(yè)的國際競爭力低下。

1.8 農(nóng)機(jī)裝備材料

為滿足農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境及特種裝備需求，應(yīng)開展高強(qiáng)高硬耐磨鋼系列化產(chǎn)品開發(fā)。耐磨鋼主要有高合金的高錳鋼和低、中合金耐磨鋼。高錳鋼的耐磨條件多且高，所以它逐漸被其他耐磨材料所代替，原因是它容易發(fā)生變形、屈服強(qiáng)度低；低、中合金耐磨鋼是很有發(fā)展前途的一類耐磨材料，合金含量較低，所加合金元素為Cr、Si、Mn、B、REE等，少含或不含貴重稀缺元素(Ni、Mo)金屬[30]。

上文提及的Si、B、REE等戰(zhàn)略性資源情況已在前面部分介紹。在此只闡述材料所需的Cr和Mn的資源現(xiàn)狀。

美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)顯示[13]，全世界賦存著超過120億t的鉻鐵礦，資源量十分豐富，鉻礦資源豐富的國家，大部分資源質(zhì)量較好，開采成本低。我國鉻礦查明資源量少，分布不集中，且儲(chǔ)量不斷減少，開發(fā)利用率低下。經(jīng)查明，我國鉻鐵礦資源主要分布于內(nèi)蒙古、西藏、甘肅、青海、新疆5省(區(qū))，約占總量的80%以上，在西藏、新疆、甘肅、青海4個(gè)省(區(qū))幾乎分布著所有品位大于32%的富礦。這些省份經(jīng)濟(jì)、交通等條件較為落后，位處西部邊緣地區(qū)，運(yùn)輸路程長且艱難，環(huán)境較惡劣，而且礦體分布不集中且形態(tài)不規(guī)則，對于如何開發(fā)利用這類礦產(chǎn)難度很大[31]。

全球主要錳礦國家的礦的平均品位一般在40%左右。中國錳礦石最主要的特點(diǎn)為“貧、薄、雜、細(xì)”。礦石平均品位只有21%，遠(yuǎn)低于其他錳礦資源大國[32]。我國南方地區(qū)是大部分錳礦資源的集中地，尤以廣西壯族自治區(qū)和湖南省最多，約占全國錳礦總儲(chǔ)量的50%。沉積或沉積變質(zhì)型為我國的主要錳礦類型，分布廣，多為薄層的傾斜礦體，產(chǎn)于深部、總體開采技術(shù)條件較差是這類礦床的主要特征；我國錳礦石中磷、鐵、硅的含量都較高，但選礦難度大，原因是礦石粒度極小，大多為微粒，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)[33]。

1.9 生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械材料

為滿足醫(yī)用影像系統(tǒng)關(guān)鍵材料的需求，目前正對稀土閃爍晶體、碲鋅鎘晶體及高性能探測器件產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)開展進(jìn)一步工作，力求能解決晶體質(zhì)量性能不穩(wěn)定、成本過高等重要問題。為突破醫(yī)用級鈦粉與鎳鈦合金粉等關(guān)鍵原料的制約，目前正極力開發(fā)醫(yī)用增材制造技術(shù)。

該項(xiàng)材料所需的所需的鈦、稀土等戰(zhàn)略性資源情況已在前面有所陳述，此處略。

1.10 節(jié)能環(huán)保材料

為實(shí)現(xiàn)在節(jié)能環(huán)保重點(diǎn)項(xiàng)目中應(yīng)用，突破稀土永磁節(jié)能電機(jī)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，需極力開展稀土永磁節(jié)能電機(jī)及配套稀土永磁材料、高溫多孔材料、金屬間化合物膜材料，開發(fā)綠色建材部品及新型耐火材料、生物可降解材料等。

該項(xiàng)材料所需的稀土戰(zhàn)略性資源情況已在前面有所陳述，此處略。

膜材料根據(jù)材質(zhì)，可以分為有機(jī)膜和無機(jī)膜。有機(jī)膜是由高分子材料加工而成，如PVDF、PVC、PES、PS、PP、PE、PAN、芳香族聚酰胺、醋酸纖維素等，由于有機(jī)膜過濾精度較高，選擇性大，廣泛應(yīng)用于水資源領(lǐng)域與工業(yè)特種分離等領(lǐng)域。

新興耐火材料熔點(diǎn)幾乎都會(huì)在2 000 ℃以上，最高的碳化鉿以及碳化鉭分別是在3 887 ℃以及3 877 ℃，其耐火的程度也非常之高，故鉿、鉭兩種元素廣泛應(yīng)用于新型耐火材料。

鉿在地殼的豐度超過了Hg、Nb和U，但提取方法復(fù)雜，產(chǎn)量較少，價(jià)格昂貴，加之熔點(diǎn)較高，因而被稱為稀有難熔金屬[34]。鉿主要以內(nèi)潛同晶形式分散在鋯礦物中，幾乎不形成獨(dú)立礦物。鉿是典型的分散元素，存在于所有的鋯礦物中。即使鋯成類質(zhì)同像進(jìn)入某些礦物中去，鉿也隨鋯相應(yīng)地進(jìn)入該礦物。不含鋯的礦物均不含鉿，且鉿的含量一般不超過鋯。鉿礦床類型實(shí)際上也就是鋯的礦床類型。世界鉿礦床地質(zhì)工業(yè)類型分為：巖漿型(堿性巖型)、偉晶巖型、海相沉積型、河流沖積型、風(fēng)化殼及殘坡積型。在我國鉿礦床以其海相(濱海)沉積型最為重要，其次是河流沖積型、風(fēng)化殼及殘坡積型和偉晶巖型，堿性花崗巖型雖其資源量大，但目前暫難利用[5]。

鈮鉭最主要的特點(diǎn)是耐熱，被稱為稀有高熔點(diǎn)金屬。目前，巴西、澳大利亞、加拿大、中國和非洲一些國家是世界主要鈮鉭精礦生產(chǎn)國。江西、湖南、福建、廣西、廣東、新疆及內(nèi)蒙古等省(區(qū))主要賦存著我國的鉭礦，大中型礦床為鉭礦儲(chǔ)量的高度集中地。在我國，花崗巖型的鉭礦為主要工業(yè)類型為主，占已探明儲(chǔ)量77.3%，這與國外略有不同；其次為花崗偉晶巖型礦床，約占探明儲(chǔ)量的19.4%。我國只有少數(shù)為鉭鈮礦床，大多為鉭鈮與其他礦物的共(伴)生礦床，如鉭、鈮、鋰或鉭、鈮、鎢、錫或鉭、鈮、鈹、鋯、稀土等[5]。

2 五種前沿新材料

2.1 石墨烯

石墨烯是一種新型納米炭材料，自2004年被發(fā)現(xiàn)后便迅速成為炭材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的又一個(gè)研究前沿。導(dǎo)電和導(dǎo)熱性良好以及比表面積較大是其最大的特征，因而廣泛應(yīng)用于在鋰離子電池材料方面。從石墨烯問世到目前，主要研究工作集中在石墨烯電學(xué)性能，特別是集中在用石墨烯制備超級電容器方面。石墨烯具有特殊的二維柔性結(jié)構(gòu)、高的離子和電子導(dǎo)電能力，因此，將其與各種活性材料復(fù)合，來提高鋰電池的大電流放電和循環(huán)特性。要想讓石墨烯及其復(fù)合電極材料在高容量鋰離子電池及鋰離子電容器領(lǐng)域得到廣泛實(shí)際應(yīng)用，則需將石墨烯及其復(fù)合電極材料經(jīng)適當(dāng)?shù)碾娀瘜W(xué)性能改進(jìn)、使用過程優(yōu)化。石墨烯材料的制備所需的主要礦產(chǎn)為晶質(zhì)石墨礦產(chǎn)，資源概況已在前文陳述。

2.2 增材制造材料

增材制造俗稱3D打印，可分為高分子材料、金屬材料和陶瓷材料三種成分。高分子材料是增材制造原材料中用量最大、應(yīng)用范圍最廣、成型方式最多的材料，主要包括高分子絲材、光敏樹脂及高分子粉末3種形式。在金屬材料方面則需要開發(fā)空心粉率低、顆粒粒度差距不大、形狀規(guī)則、所含雜質(zhì)元素少的高品質(zhì)鈦合金、鋁合金、高溫合金等金屬粉末。陶瓷方面則需要對氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化鋁、氮化硅等陶瓷粉末、片材料進(jìn)行研究，得出制備方法。鈦、鋁、硅等幾種資源已在前文介紹。

鋯經(jīng)常存在于鈦礦物(金紅石、鈦鐵礦、榍石、鈣鈦礦)中。鈦也經(jīng)常存在于鋯礦物(鋯石、異性石)中，并形成Ti-Zr礦物(鈦鋯釷礦)。在這些礦物中，元素的含量變化有相當(dāng)大的范圍，表明Ti與Zr的類質(zhì)同像。全世界五大洲均發(fā)現(xiàn)有鋯礦資源，主要分布于大洋洲、美洲、亞洲和非洲。中國鋯礦的探明儲(chǔ)量僅50萬t，占全球鋯礦資源的比重不足1%。中國鋯礦資源均為鋯英石礦床，可劃分為鋯英石砂礦和鋯英石硬巖礦兩大類，并按成因又細(xì)分為六個(gè)亞類，且以硬巖礦儲(chǔ)量占大多數(shù)。這種鋯資源構(gòu)成，與國外鋯資源構(gòu)成大部份為鋯英石濱海砂礦有很大的差別[5]。

2.3 納米材料

據(jù)歐盟委員會(huì)的定義可知，由基本顆粒組成的粉狀或團(tuán)塊狀天然或人工材料可稱為納米材料，又可將其分為4類：納米金屬材料、納米非金屬材料、納米高分子材料和納米復(fù)合材料。其中，納米非金屬材料可再分為3類：納米陶瓷材料、納米氧化物材料和其他非金屬納米材料。

納米陶瓷、碳納米管、納米刀、納米晶金屬塊體材料、納米石墨烯等領(lǐng)域都有納米材料的出現(xiàn)。在納米材料中，石墨礦產(chǎn)資源意義重大。石墨中一層或若干層碳原子面卷曲形成碳納米管，內(nèi)部中空，外部直徑為幾納米到幾十納米，比重只有鋼的1/6，但強(qiáng)度卻是鋼的100倍。納米刀是石墨制成的短碳納米管。納米石墨烯也是一種碳納米材料，是世界上導(dǎo)電性最好的材料。

傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強(qiáng)度較差，納米陶瓷的產(chǎn)生使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性。盡管納米陶瓷仍有許多關(guān)鍵技術(shù)需要改進(jìn)，但已經(jīng)得到了在室溫下表現(xiàn)出了良好的韌性甚至在180 ℃經(jīng)受彎曲時(shí)而不產(chǎn)生裂紋的納米氟化鈣(CaF2)離子晶體和二氧化鈦(TiO2)陶瓷材料[35]。螢石是自然界的氟化鈣，也是整個(gè)氟化工行業(yè)的基礎(chǔ)，隨著世界氟化工的快速發(fā)展，氟化工行業(yè)及其產(chǎn)品具有高性能、高附加值而被譽(yù)為“黃金產(chǎn)業(yè)”。我國螢石資源豐富，資源儲(chǔ)量居世界第一。沉積改造和熱液填充為螢石礦床的主要兩大類型，資源量大、品位低為伴生型螢石礦床的主要特點(diǎn)，所以開采價(jià)值不大，只能綜合利用。內(nèi)蒙古、貴州和云南主要賦存沉積改造型螢石礦，我國特大型螢石礦床位于天山-興蒙造山系，其資源量達(dá)1 000萬t。東南沿海浙江、福建、江西等省主要賦存熱液填充型螢石礦，產(chǎn)地有武夷-云開-臺灣造山系、秦祁昆造山系、揚(yáng)子陸塊區(qū)、華北陸塊區(qū)和塔里木陸塊區(qū)[36]。

另外，納米鈦與樹脂化合物生成的多種新型涂料有多種優(yōu)越性，如在海水中浸泡10年不破損，并且具有神奇的自我修復(fù)與清潔能力。日本和中國臺灣把具有光觸媒作用的活性銳鈦型二氧化鈦用于開發(fā)防污染涂料和空氣凈化涂料。納米鈦是唯一對人體的自神經(jīng)、嗅覺沒有絲毫影響的金屬，用途十分廣泛[37]。

2.4 超導(dǎo)材料

20世紀(jì)80年代后期高溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)，在全球掀起了一場超導(dǎo)熱，高溫超導(dǎo)材料是釔系，鉍系、鉈系和汞系以及2001年發(fā)現(xiàn)的新導(dǎo)體二硼化鎂。其中最有價(jià)值的是鉍系、釔系和二硼化鎂[35]。

“綠色金屬”常用來作為鉍的別稱，隨著經(jīng)濟(jì)、科技與環(huán)保意識的提高，鉍廣泛地應(yīng)用于各大領(lǐng)域。相比于美國、日本、俄羅斯和歐洲等國鉍的短缺，我國的鉍資源卻處于優(yōu)勢地位。中國是世界上最大的鉍資源國、生產(chǎn)國、消費(fèi)國和貿(mào)易國。但近期由于大規(guī)模不合理開采和出口，導(dǎo)致寶貴的鉍資源流失，優(yōu)勢不再，喪失了話語權(quán)。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計(jì)[13]，世界鉍資源儲(chǔ)量為37萬t，其中中國儲(chǔ)量為24萬t，約占全世界儲(chǔ)量的64.9%。在各類金屬硫化物礦床中都有鉍的分布，卻未發(fā)現(xiàn)單獨(dú)的鉍礦床。它主要回收于鉛銅礦石的副產(chǎn)品中，部分與鎢、鉬、鈷、金、銀、錫和鋅礦伴生。湖南省為鉍資源的高集中分布區(qū)，儲(chǔ)量可達(dá)16.52萬t。經(jīng)查明，在我國，有6處儲(chǔ)量在1萬t以上的大中型鉍礦區(qū)，占全國總量的81.5%，有2處特大型鉍礦，占全國總量的58.5%[38]。

釔是稀土的一個(gè)種類。我國稀土資源豐富，硼資源豐富但品位相對較低，具體已在前面部分有所陳述。

2.5 極端環(huán)境材料

所謂的極端環(huán)境包括超高溫、超高壓、超高真空、超低溫、超高密度、超高速、超高頻和超強(qiáng)磁場等等。碳纖維、碳納米、復(fù)合陶瓷等材料是能夠在以上極端環(huán)境中應(yīng)用的主要材料，其對應(yīng)使用的礦產(chǎn)資源為石墨、硼和黏土等。

一款新型碳纖維復(fù)合熱塑性工程塑料由美國符合材料生產(chǎn)商RTP于2014年1月中旬推出。該材料被稱為“徹底高性能復(fù)合材料”，將逐漸取代鋁、鋅、鎂等金屬。原因是它不僅能夠增強(qiáng)材料的性能，還能保留纖維的完整性。優(yōu)點(diǎn)不僅有高抗沖性，低密度、耐腐蝕、易成型等，而且能夠經(jīng)受高溫、高壓等極端環(huán)境的考驗(yàn)，在航空、工業(yè)、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用前景十分廣闊[39]。

日本科學(xué)家研制了出了一種長的、相互連接的碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)，使其在-196～1 000 ℃之間都能夠保持黏彈性，其所必須的材料也是石墨資源。

連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料具有抗腐蝕、抗輻照、強(qiáng)度高、韌性好等特點(diǎn)，且在斷裂過程中表現(xiàn)為非脆性斷裂特征，在一些極端服役環(huán)境中體現(xiàn)出不可替代的發(fā)展趨勢，備受世界各國關(guān)注。當(dāng)復(fù)合材料出現(xiàn)裂紋后能被迅速填充、愈合裂紋和缺陷，原因是含硼組分能夠快速形成一種流動(dòng)性氧化物而對裂紋發(fā)生作用。

由于不斷增加飛行速度，更高的服役環(huán)境則擺在了高超聲速飛行器面前。為能夠有效地提高材料耐超高溫能力，可利用高溫陶瓷、紙杯纖維增強(qiáng)超高溫陶瓷復(fù)合材料。SiC或SiC復(fù)合材料具有非常明顯的耐高溫、耐腐蝕、耐輻照特點(diǎn)與金屬合金形成對比，成為核反應(yīng)堆中具有應(yīng)用潛力的材料[40]。

3 礦產(chǎn)資源對新材料的保障程度

美國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的2017年礦產(chǎn)品摘要報(bào)告顯示[13]，鉍、稀土是我國的優(yōu)勢礦產(chǎn)，為我國新材料的研發(fā)與生產(chǎn)及戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了重要的保障；石墨、螢石次之，盡管儲(chǔ)量較大，但石墨濫采亂掘現(xiàn)象嚴(yán)重，螢石以低品位伴生型礦產(chǎn)為主，兩個(gè)礦種都需要加強(qiáng)管理，提高綜合利用水平；而硼、鈷、鋯鉿等礦產(chǎn)資源則十分緊缺，需合理利用并尋找新的資源(圖2)。我國絕大多數(shù)硼礦資源條件較差，品位較低，加工技術(shù)難度大，開采條件惡劣，開發(fā)利用較少；鈷資源對外依存度高，生產(chǎn)成本高，存在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理以及再生鈷資源回收利用率低等問題，急需尋找突破[25]； 中國的鉭礦床規(guī)模小，礦石品位低，嵌布粒度細(xì)而分散，多金屬伴生，造成難采、難分、難選、回收率低的問題，另外，由于賦存狀態(tài)差，大規(guī)模露采的礦山較少。中國所規(guī)定的花崗巖型和花崗偉晶巖型鉭鈮礦床儲(chǔ)量計(jì)算的最低工業(yè)品位指標(biāo)：(Ta，Nb)2O5品位0.012%～0.028%[41]。中國大部分鉭鈮礦床品位都接近或略高于最低工業(yè)品位指標(biāo)。鈮鉭原料供給嚴(yán)重不足，一直制約著我國鈮鉭工業(yè)的發(fā)展[42]。我國鋰資源較豐富，近年又在四川甲基卡等地取得了鋰輝石找礦重大突破，同時(shí)西藏扎布耶湖的優(yōu)質(zhì)碳酸鹽型鋰資源令國外羨慕，但與中國高速發(fā)展的剛性拉動(dòng)相比，國內(nèi)鋰資源遠(yuǎn)不能滿足需求。2014年我國鋰礦山產(chǎn)量由2013年的4 700 t 驟降到2 300 t，但消費(fèi)量大幅增長，致使我國鋰的對外依存度高達(dá)74%[20]。尋找高品質(zhì)的鋰礦資源迫在眉睫。

圖2 2017年度我國部分礦種資源儲(chǔ)量占世界總儲(chǔ)量的比例(資料來源：文獻(xiàn)[14])

4 結(jié) 論

礦產(chǎn)資源對新材料的研發(fā)和制造至關(guān)重要，稀土、高純石英、晶質(zhì)石墨、鋰、硼、鉍、鈦等礦產(chǎn)資源對于信息技術(shù)、高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人、航空航天等重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域、及納米材料、增材制造等前沿新材料必不可少。

我國稀土、鉍、石墨等資源豐富，應(yīng)有效保護(hù)和有序開發(fā)，確保資源安全，并且應(yīng)該積極研發(fā)新的、高附加值的制品。對于我國對外依存的較大的硼、鋰、鈷、鈮、鉭、鉿等礦產(chǎn)資源應(yīng)該立足國內(nèi)，著眼國外，充分利用國內(nèi)國外兩個(gè)市場和兩種資源，為我國新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供資源保障。