为什么稀土金属对电子产品很重要?

电器工程 制造业
2022-01-06 01:16:12

我在媒体上听到很多关于稀土金属的重要性(从中国限制其出口的经济角度来看),但其中一些实际上做了什么让它们如此重要以至于无法做到更多硅、金、铜、铝、锗等常见元素?似乎数字计算机的所有构建块(例如晶体管)都可以在没有它们的情况下制造,那么为什么要大惊小怪呢?

我已经挖掘了一些文章,但所有这些都是为公众编写的,并且只列出了哪些设备需要稀土而不是实际组件。

4个回答

虽然钽不是稀土之一——它是“过渡金属”之一,就像黄金一样——但钽的稀缺性(地壳的 1 或 2 ppm)和主要用于电子产品(钽电容器)符合这个问题的范围。

美国最近的立法(2010 年 7 月)要求公司披露他们是否使用从刚果民主共和国 (DRC) 获得的钽产品。 结果,随着其他生产商慢慢恢复生产,价格急剧上涨澳大利亚的一座矿山代表了全球潜在产量的 1/3。

资料来源:路透社

(注意:图表的垂直比例不是从零开始的,它看起来有点扭曲。全尺寸图在这里

由于钽电解电容比同等容量的铝电解电容要小很多,并且具有更高的额定电压,因此几乎用于所有手机和其他便携式电子设备中。

几年前,我在产品中设计了几个 1000 µF 的“tants”,最近合同制造商联系我们说零件的交货时间已延长到 16 周,并询问我是否可以找到替代品。作为这个练习的结果,在我的最新设计中,我重新使用了表面贴装铝电解电容器,尽管存在显着的空间损失。

看看集成电路中真正的东西,包括它的封装。硅本身很丰富(提炼到高纯度和良好的晶体结构很昂贵,但仍然很丰富),但是用于制造 P 和 N 半导体的掺杂元素呢?LED 呢?例如,它们通常不是硅,通常含有镓。半导体中使用的特殊陶瓷需要具有与硅紧密匹配的热性能呢?看看陶瓷电容器的各种陶瓷是由什么制成的。

电子产品的材料比铜和硅多得多。

他们所说的不一定是硅芯片。钽用于电容器,锡用于焊料,锂用于电池。钕进入超强小磁铁,将保护套固定在 iPad 上,或将壁式适配器固定在 MacBook 上。

在许多情况下,这些不同的组件在过去已经由更丰富的元素制成,但材料科学的突破使一些(相对昂贵的)产品有了很大的改进,而且值得额外的材料成本。将 1980 年代的摩托罗拉“砖头”手机与 iPhone 相比,显着改进的不仅仅是芯片。磁铁可以用铁制成,电池可以用铅制成,电容器可以用铝制成。只是这些设备比更现代的同类设备更大、更重或在其他方面更差。

最近,人们质疑这些是否值得付出人力、在战争中丧生的生命以及刚果开采钽、锡和钨的矿山周围的奴隶制。另一个问题是,作为全球大部分稀土元素(例如钕)的供应来源的中国削减出口以提高自身的制造能力,将会发生什么。(答案:Molycorp 正在重新开放加利福尼亚的一座旧矿。)

当人们为石油而战时,驾驶以石油为动力的汽车是否不道德,这是一个类似的论点。问题不在于今天的石油稀有,而在于它在地球上的集中分布使得通过垄断生产来集中财富比更平均地分配更容易。当然,我们可以想象供应在几十年内就会枯竭,但这比大多数人保留下一辆车的 5-15 年要远得多。您可以使用燃煤蒸汽机为汽车提供动力,或为电池充电的燃煤发电厂或为电池充电的太阳能电池板提供动力,但就大多数付费客户而言,汽油目前具有最佳的功能和价格组合担心的。大部分人是否会在电动汽车成本降低之前放弃使用汽油还有待观察。

事情不一定会好转。电池可以由更多数量级的其他元素制成,例如铁和钠,但这些电池可能永远不具备锂电池的单位重量能量。有可能在几个世纪后,在石油、煤炭、锂等被开采出来之后,人们驾驶的汽车的续航里程可能会比现在小得多,但充电速度很快,这并不重要。另一方面,可能会出现更好的情况,或者谁知道呢,也许到那时我们都会进行视频会议。

有科学家致力于解决这些问题,但材料科学是一个缓慢的领域。在计算机中模拟新材料的宏观特性即使不是不可能,也是非常困难的。进步基本上来自受过教育的反复试验。即使一种新材料被很好地理解,理论模型和实验测试也可能无法完美匹配。试图从所需特性的愿望清单中炮制新材料可能需要几十年的时间。

好吧,围绕这一切有很多交易大惊小怪。事实上,在现代消费(微)电子产品中,您需要的稀土材料非常少。一些电子产品确实严重依赖它们(例如某些时候的激光器和 LED),但它们几乎不会消耗大量的世界生产。此外,值得注意的用途是永磁体。

稀土的主要用户是用于太空/军事/核领域的特殊类型的钢铁和其他材料(显然没有人会透露每个国家使用了多少)。

另外,看看这里:http ://en.wikipedia.org/wiki/Rare_earth_element#List