Какие самые редкоземельные металлы

Редкоземельные металлы (Rare-earth elements, REE) – группа металлов, как правило, серебристо-белого цвета, состоящая из 17 элементов, обладающих схожими физическими и химическими свойствами.

Особенность добычи редкоземельных металлов состоит в том, что они располагаются совместно – нельзя добыть один элемент, при этом не добыв другой.

При этом процедура получения чистых металлов, которые в дальнейшем используются в различных сферах, крайне сложна – необходим комплексный ряд процедур по очистке руды, выделению соединений с REE, далее получение оксидов редкоземельных металлов (REO).

Редкоземельные металлы имеют стратегическое значение, и применяются сегодня практически везде: от LCD и LED телевизоров и магнитов до катализаторов в нефтяной промышленности и легированных добавок в алюминиевые сплавы.

Количественно наибольшие объемы поставок REE приходятся на стекольную индустрию (26%), магниты (20%), которые используются в ветряной энергетике, гибридных двигателях машин и даже в военной промышленности, и катализаторы (19%), использующиеся в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности – процесс крекинга; в обезвреживании выхлопных газов автомобилей и очистке сточных вод. Однако в денежном эквиваленте главный спрос составляют магниты – на них приходится около 65% поставок.

Такая же ситуация наблюдается и относительно спроса на конкретные элементы. Количественно наибольшие поставки приходятся на церий и лантан – 65% объема.

А в денежном эквиваленте на 3 элемента: неодим, празеодим и диспрозий, к ним также часто относят тербий.

Все 4 вышеперечисленных элемента сейчас и составляют основной спрос рынка редкоземельных металлов, так как используются при создании магнитов.

Сегодня и в ближайшем будущем основным драйвером роста спроса на эти элементы будет создание постоянных магнитов, которые имеют широкий температурный режим. Такие магниты, например, неодимные (NdFeB) используются в гибридных автомобилях и электрокарах, производство которых сейчас растет быстрыми темпами, а также ветряных турбинах и различной электронике.

Рынок раньше и сейчас

Изначально до 1960 редкоземельные металлы добывали в Индии, Бразилии и Африке в небольших объемах. C середины 1960-х по 1990-ые ключевым производителем редкоземельных металлов были США, где открыли крупное месторождение Mountain Pass в Калифорнии.

С 1990-х ситуация быстро изменилась из-за открытия ряда крупных месторождений в Китае (одно из самых крупных по содержанию редкоземельных металлов – Баян-Обо), сейчас на Китай приходится около более 60% добычи всех редкоземельных металлов.

Примерно по 10% мировой добычи сосредоточено в США, Австралии и Мьянма, в остальных странах она совсем незначительная и, как правило, редкоземельные металлы являются побочным продуктом.

При этом в Мьянме буквально пару недель назад произошел военный переворот, поэтому лишь около четверти всей добычи находится в надежных юрисдикциях.

Ниже содержание редкоземельных элементов на крупнейших месторождениях – пропорции очень похожи в большинстве случаев кроме пары небольших китайских месторождений.

В России также есть запасы редкоземельных металлов и даже ведется их добыча на Соликамском магниевом заводе (СМЗ), правда в рамках мирового масштаба она крайне мала – около 1%. С 2019 года правительства уменьшило налоговые ставки на экстракцию REE с 8% до 4.

8% с целью стимулирования компаний. Сейчас Ростех и миллиардер Александр Несис инвестируют в разработку нового месторождения, которое должно запуститься в 2023 году и потенциально может давать около 10% от мирового объема добычи редкоземельных металлов.

Компания, естественно, не публична.

Несмотря на малую долю добычи, Россия экспортирует порядка 95% концентрата REE и только 5% обрабатывает внутри страны. Это связано с ограниченными мощностями по переработке – в России только 1 завод в Великом Новгороде, который может производить до 200 т REO в год.

Несмотря на то, что добыча руды, содержащей редкоземельные металлы, ведется и вне Китая, он по-прежнему является ключевым звеном в цепочке поставок – это связано с очистными мощностями, которые необходимы для выделения REE из руды.

Сейчас на Китай приходится около 90% мирового рынка переработки редкоземельных металлов, сырье из США и Мьянмы поставляется на китайское заводы.

Единственной альтернативой является Малайзия, которая также может выделить REE из первичного сырья на мощностях, принадлежащих австралийской Lynas.

Если говорить про последний этап переработки, непосредственно производство постоянных магнитов, оно также очень концентрировано – значимые мощности есть только в Китае и Японии.

Исходя из вышеперечисленного, следует, что Китай является главным регулятором поставок REE в мире.

При этом правительство Китая к 2009 году фактически взяло под свой контроль все компании, которые ранее были частными, заставляя мелких игроков объединяться в гос. корпорации, в противном случае компании закрывались.

В 2018 более 50% китайской добычи приходилось на крупную публичную компанию Northern Rare Earth, которая, кстати, входит в ETF на REE, который будет рассмотрен ниже.

Но как уже говорил выше, почти все китайские компании являются государственными или имеют высокую долю гос. участия, и Northern Rare Earth не исключение – около 40% акционерного капитала принадлежит местному правительству.

Экспорт редкоземельных металлов и продуктов их переработки из Китая регулируется квотами, которые сильно влияют на мировой рынок. Например, в 2009-2011 годах правительство Китая агрессивно уменьшало квоты поставки редкоземельных металлов в другие страны, что привело к сокращению экспорта с 2009 почти на 70%.

Такое сокращение стратегически важных элементов, использующихся практически во всех сферах, вызвало сильное недовольство со стороны США и ЕС, а также повлекло кратный рост цен на REO.

В этот же период, как ответ и решение на такие действия со стороны Китая, начали активно развиваться австралийская Lynas и американская Molycorp (владела месторождением Mountain Pass, обанкротилась в 2015, сейчас месторождение принадлежит MP Materials) по добыче REE, после чего цены быстро рухнули когда Китай снова увеличил поставки.

В 2020 году цены на REO вновь взлетели, в данном случае основную роль сыграла не физическая нехватка металла, а ожидания увеличения спроса на фоне растущих объемов производства электрокаров.

При этом стоит отметить, что редкоземельные металлы не являются незаменимыми в электрокарах и других применениях.

Например, Tesla Model S, производство которой было начато в 2012, изначально не использовала постоянные магниты на основе REE, потому что годом ранее был хайп на редкоземельные металлы, и они стоили очень дорого.

Поэтому в случае потенциального повторения ситуации 2011 года, производство электрокаров или гибридных автомобилей вряд ли остановится, хотя альтернативные решения могут негативно сказаться на характеристиках автомобилей.

Как можно инвестировать

Существует несколько способов инвестировать в редкоземельные металлы – через ETF, компании с активной добычей, джуниоров на этапе разработки месторождений и майнеров, для которых редкоземельные металлы не являются основным бизнесом. Каждый вариант имеет свои особенности, преимущества и риски.

Компании с действующим бизнесом

С учетом того, что рынок редкоземельных металлов, несмотря на свою стратегическую значимость, не очень большой в абсолютных значениях и почти целиком сосредоточен в Китае, вариантов инвестиций в компании сектора с действующим бизнесом немного.

REMX.

Единственный ETF на редкоземельные металлы и по сути единственный способ получить экспозицию на китайских производителей, акции которых торгуются в основном на китайских биржах и недоступны для большинства зарубежным инвесторов.

При этом в нем много сторонних китайских компаний, которые не связаны с редкоземельными металлами и добывают другое сырье, поэтому это не чистая ставка на сектор, но наиболее близкий к ней вариант, доступный большинству инвесторов.

Lynas (LYC на ASX) – австралийский производитель редкоземельных металлов и единственная компания за пределами Китая, у которой есть собственные перерабатывающие мощности.

Lynas быстро росла до 2019 года пока наращивала объемы производства.

При этом в первое время компания несла значительные убытки и в 2014-2016 годах у нее был сложный период, когда капитализация обвалилась и акции стоили очень дешево.

В последние несколько лет добыча вышла на плато, как и показатели компании, которые теперь определяются в первую очередь ценами на сырье. В первом полугодии 2020 был спад как в объеме добычи, так и в ценах, отчета за второе полугодие пока нет, но он явно будет хорошим на фоне ралли в ценах на редкоземельные металлы под конец года.

C 2015 года стоимость Lynas упала, и долгое время компания торговалась с мультипликатором EV/S LTM

Редкоземельные металлы: инвестиционная идея

Мы продолжаем нашу серию статей про интересные объекты для инвестиций.

Сегодня на очереди у нас редкоземельные металлы (РЗМ). Пока железная руда летит в космос, а золото консолидируется около уровней 1800 $/oz, мы решили обратить внимание именно на них. 

РЗМ используются в самых быстрорастущих секторах экономики: зеленой энергетике, электрокарах и в отраслях высоких технологий. Что скрывается под РЗМ и как на этом заработать, читайте в этой статье.

Что такое редкоземельные металлы

Название «редкоземельные металлы» объединяет 17 элементов, схожих по своим химическим свойствам: иттрий, церий, скандий, иттербий, лютеций, неодим и др.

В природе редкоземельные металлы встречаются в виде оксидов в земной коре. По общему присутствию на планете редкими их назвать нельзя, но их высокая разбросанность по поверхности планеты и низкая концентрация в одном регионе делает их труднодоступными для промышленного использования.

Китай – лидер производства РЗМ

На Земле всего несколько стран, где есть значимые запасы редкоземельных металлов. Среди них можно выделить Китай, Бразилию, Вьетнам, Россию, Индию, Австралию и США. Абсолютным лидером по добыче и запасам является Китай с общей долей добычи РЗМ ~80%–95% в зависимости от элемента.

Источник: ru.euronews.com

Источник: ru.euronews.com

Редкоземельные металлы важны в высоких технологиях и других горячих трендах

17 элементов из РЗМ очень важны в современной промышленности. Они используются в разных сферах: атомная, солнечная и ветряная энергетики, медицина, электромобили, высокоточные измерительные приборы и др.

Из-за особенностей мирового баланса в РЗМ есть большая зависимость от Китая. Поэтому спрос вне КНР сильно зависит от объемов экспорта Поднебесной.

Рынок РЗМ завязан на китайском производстве

2021 год, по всей видимости, станет третьим годом подряд, когда Китай будет снижать экспорт редкоземельных металлов из-за роста потребления внутри страны и административного регулирования отрасли и цепочек поставок. При постоянном спросе вне Китая снижение экспорта существенно давит на общее предложение, создавая дефицит в отрасли.

США называет этот процесс катастрофой, т.к. они потребляют ~10%+ всего предложения ежегодно, и 80% из них приходится на Китай. Кратное снижение экспорта РЗМ Китая бьет напрямую по интересам США.

К ситуации постоянного развития отраслей, где необходимы РЗМ, добавляется борьба США и Китая. Так как основные запасы редкоземельных металлов находятся в Китае, а США они также необходимы, возникает конфликтная точка.

США активно ее используют для давления на Китай, а КНР, в свою очередь, следует своим национальным интересам: регулирует на законодательном уровне эту отрасль и удовлетворяет внутренний растущий спрос за счет снижения экспорта.

При таком противостоянии РЗМ рынок получает структурный дефицит и, как следствие, сильный рост цены.

Цены на РЗМ выросли в 1,5–2 раза

Сейчас этот процесс уже выливается в рост стоимости редкоземельных металлов. К примеру, цены на неодим с сентябрьских уровней в 60 $/кг выросли до 81$/кг.

• Тербий же показал практически кратный рост с 500 до 950 $/кг.
• Цены на редкоземельные металлы, $/кг
• Источник: Goldman Sachs

Рынок растет умеренными темпами

Сам рынок РЗМ в объемах растет темпами 6–10% благодаря буму в спросе на электромобили, озеленению энергетики и др.

Источник: Goldman Sachs

Инвестиционные инструменты для отыгрыша идеи в РЗМ

Рынок РЗМ нам видится интересным. Фундаментальный дисбаланс не уходит и, вероятнее всего, будет сохраняться. При этом РЗМ будут сильно дорожать. На этом можно заработать через:

• ETF-инструмент — VanEck Vectors Rare Earth/Strategic Metals ETF. На Тинькофф брокере доступен для квалифицированных инвесторов.

• Металлургов в отрасли РЗМ. Среди них мы выделим:

1. MP Materials — крупнейшая добывающая компания РЗМ за пределами Китая (доля рынка ~15% всех мировых редкоземельных оксидов, ~80% китайские производители).
2. Iluka Resources — компания занимается добычей циркона и титана, а также разработкой одного из месторождений в Австралии с общим содержанием РЗМ в 20%. Бумага доступна для квалифицированных инвесторов на Тинькофф-инвестиции.
3. Lynas Rare Earths Limited – австралийский металлург в РЗМ сегменте. 20–25% продаж компании приходится на неодим и празеодим (рзм). Объемы продаж будут драйвиться улучшением состояния на рынке и восстановления промышленного производства с уходом эффекта от пандемии COVID-19.
4. Также есть российский актив СМЗ (Соликамский магниевый завод). Этот актив сопоставим с американский Iluka Resources по объемам производства (россиянин делает 3–4 тыс. т неодима и других РЗМ) и доступен для покупок российским инвесторам. Ралли в РЗМ он уже начал отыгрывать.

Резюме

1. На рынке редкоземельных металлов сформировался структурный дефицит из-за огромной доли Китая в общем выпуске редкоземельных металлов (80%–95% чистого объема в зависимости от металла) при одновременном сокращении им экспорта РЗМ за пределы страны.
2. Ситуацию усугубляет рост производства электромобилей, озеленение энергетики и рост потребления РЗМ в других областях производства, а также, глобальное противостояние США-Китай, ведущее к укреплению дефицита.
3. Мы считаем, что на этом можно заработать через ETF и покупку некоторых добывающих компаний из Австралии и США.
4. Статья написана в соавторстве с аналитиком Никитой Куйдо

Добыча и месторождения редкоземельных металлов

Редкоземельные металлы (РЗМ) относятся к обширной группе в периодической таблице Менделеева. Она состоит из 17 химических элементов, которые похожи строением атомов, физическими, химическими и механическими свойствами. Они применяются в разных сферах деятельности, до конца не изучены.

Редкоземельные металлы в таблице Менделеева

К этой группе относятся элементы, которые:

• быстро тускнеют на открытом воздухе;
• при взаимодействии с кислородом образуют нерастворимые оксиды;
• редко встречаются в природе.

Одно из главных отличий РЗМ — изменение химической активности. Этот параметр возрастает, начиная от скандия и заканчивается лантаном. Обозначения РЗМ:

Самый редкий из всех редкоземельных металлов — европий. Общее количество этого химического элемента на планете — около 0,0012%.

Европий ( Instagram / metalrussia)

История открытия

Первым внес вклад в изучение редкоземельных металлов известный финский химик Юхан Гадолин. Первые открытия он сделал в конце XVIII века. Дополнительные исследования ученый проводил в 1794 году. Тогда он открыл иттриевую землю. К началу XIX века Мартин Клапрот классифицировал РЗМ. Он выделил две группы — цериевые, иттриевые металлы. Новые РЗМ открыл шведский химик Мосандер в 1840 году.

https://www.youtube.com/watch?v=bkq_sl-R5oQu0026t=6s

К концу XIX века, началу XX столетия, ученые смогли открыть 16 разновидностей РЗМ. В XX веке был открыт последний элемент из этой группы химических элементов.

Запасы и месторождения

Количество редкоземельных металлов, которые находятся в природе, достигает 0,02%. Они содержатся в составе 240 видов минералов. Только 64 разновидности применяются для промышленной переработки.

Основные месторождения РЗМ находятся в США, Китае, Бразилии, Индии, Австралии, Малайзии. В России крупных месторождений нет. Примерно 90% этих материалов завозятся из других стран.

С середины 1990 годов сфера добычи, производства РЗМ была практически полностью занята Китаем. К 2015 году эта страна обладала уже 80% мирового рынка РЗМ. Сейчас общее количество упало до 70%, но это не мешает Китаю занимать лидирующую строку по добыче, получению, экспорту этих химических элементов.

Руда и чистый металл ( Instagram / raslovokladka)

Добыча и промышленное получение

Наиболее инновационная технология получения РЗМ — добыча металлов из отходов от фосфорных удобрений. С ее помощью можно получить около 800 тысяч полезных химических элементов.

Для переработки расходного сырья, существует несколько технологий получения редкоземельных металлов:

1. Хлорирование. Осуществляется химическая реакция, в результате которой атомы неметаллов замещаются на хлор.
2. Химическое восстановление с помощью кальция. Данные реакции проводятся в газовой защитной среде (емкость заполняется аргоном). С помощью этой процедуры можно избавиться от посторонних примесей, прочных химических элементов.
3. Сплавление гидроксидами, которые растворяются в воде. РЗМ очищаются от поверхностно-активных веществ с помощью гидролиза.
4. Разложение сложных соединений с помощью серной или плавиковой кислоты. Позволяет удалить из РЗМ оксиды азота.

Свойства и характеристики

При изучении редкоземельных металлов нужно обратить внимание на их свойства — физические, химические, механические и технологические.

Физические

Свойства:

1. Диапазон плотности для разных представителей группы — от 6000 до 7000 кг/м3.
2. Температура плавления — 900°C.
3. Повышение пластичности при температуре 20–800°C.
4. Максимально допустимый показатель устойчивости к растяжению — до 150 Мпа.
5. Показатель удельного растяжения — 12%.

Физические, механические свойства зависят от количества примесей — углерода, азота, серы, кислорода. Если металл чистый, с процентным содержанием примесей менее 1%, он будет иметь средний показатель твердости 500 Мпа.

Редкоземельный металл гольмий ( Instagram / redmets)

Химические

Свойства:

1. На открытом воздухе поверхности редкоземельных сплавов быстро покрываются оксидной пленкой. Она защищает материал от деформирования, разрушительного воздействия химических веществ.
2. Длительное воздействие повышенной влажности приводит к ускорению окислительных процессов. Металлы постепенно превращаются в щелочи.
3. Химический процесс разложения материала ускоряется при нагревании до 250°C.

Если нагревать металлы в камере, заполненной кислородом, окисление будет проходить с выделением большого количества тепла.

Механические

Свойства:

1. Твердость по шкале Бринелля — от 300 до 500 Мпа (при условии, что металлы имеют чистоту, не превышающую 98%).
2. Температура испарения — от 3500°C.
3. Элементы обладают магнитными свойствами. Их относят к сплаву парамагнетиков.
4. Сверхпроводящее состояние наблюдается при снижении температуры до -268 градусов.
5. В естественной среде, РЗМ — сверхпроводники.

Чтобы материалы легче поддавались прокатке, ковке, их нужно нагреть до высокой температуры.

Редкоземельный металл гадолиний ( Instagram / redmets)

Технологические

Свойства:

1. Заготовки из этих материалов хорошо обрабатываются разными технологическими способами (основные — ковка, прессование, прокатка) при температуре 20–30°C.
2. Из-за малой вязкости обрабатывать РЗМ нужно крайне аккуратно.

Чаще из этих материалов изготавливают разные типы металлопроката. Наиболее популярные из них — фольга, металлические ленты, прутки сечением от 1 до 5 мм.

Без дополнительной обработки детали из редкоземельных металлов начнут быстро окисляться. Чтобы это предотвратить, их разогревают в среде защитных инертных газов.

Сферы применения

Сплавы редкоземельных металлов нашли свое применение в разных сферах промышленности:

1. Производство ЖК дисплеев, рентгеновских систем, аппаратов КТ, МРТ, ядерных реакторов, энергосберегающих ламп.
2. Изготовление усиленных сплавов металлов, стекол. Они должны выдерживать высокие нагрузки, поскольку будут применяться для производства защитных строительных масок, деталей авиационных моторов.
3. Переработка нефтепродуктов.
4. Изготовление проекторов, объективов для профессиональных видео- и фотокамер, аккумуляторов, проекторов, осветительных устройств для студий.
5. Производство динамиков, винчестеров.
6. Изготовление люминофоров, электронно-лучевых трубок, микроволновых фильтров, постоянных магнитов.
7. Производство конденсаторов, радаров, сенсоров, сверхпроводников.

Редкоземельные металлы применяются в химической, ядерной, атомной промышленностях, автомобилестроении, медицине, металлургии.

К редкоземельной группе относится множество металлов. Многие из них до конца исследованы, что дает перспективы для их дальнейшего применения. Даже сейчас РЗМ применяются в разных сферах промышленности.

Редкоземельные металлы: список

Вначале 19 века редкоземельные металлы были окружены таинственным культом. Они показывались на выставках. С их появлением связывали научный прогресс. О них говорили рядовые люди и писали газеты. Но с чем был связан такой ажиотаж? Так ли редки эти металлы как об этом говорит их название? Давайте разбираться.

Виды и история открытия

К категории редкоземельных металлов (РЗМ) относятся 15 химических элементов. В таблице Менделеева они находятся под порядковыми номерами от 57 до 71. Схожие по своим химическим характеристикам, в это же время этим редкоземельным элементам присуще четко выраженная уникальность. Каждому свойственны свои технологические особенности.

Редкоземельные элементы имеют 2 семейства: иттербия и церия:

1. Семейство Иттербия: Тулий, Гольмий, Иттербий, Гадолиний, Диспрозий, Тербий, Эрбий, Лютеций.
2. В группу Церия входят: Самарий, Неодим, Лантан, Европий, Церий, Прометий, Празеодим

Такое деление производят на основании того, как растворяются выбранные компоненты в солях серных кислот.

Немного позже к списку добавились элементы: Иттрий, Скандий, Лантан, Лютеций. Таким образом список металлов редкоземельной группы состоит из 16 элементов.

Редкоземельные металлы обладают длинной историей открытия. Первое изучение «иттриевых земель» было проведено профессором химии Гандолином в 1790-х годах. В качестве объекта исследования он использовал минерал, найденный в горах Швеции. Позже этот вид горного образования получил название в его честь — гандолинит.

В 1840-х годах Мозандер выделил окись церия. Через 5 лет он же получил тербиевую и эрбиевую земли, используя при этом уже известный нам гандолинит. Последним из семейства редкоземельных металлов был открыт прометий. Его исследованием занимались Маринский и Гленденин, которые для своих экспериментов использовали осколки деления урана в ядерном реакторе.

Открытия редкоземельной группы металлов закончились лишь в середине 20 столетия, но эффективные промышленные методы их разделения развиваются до сих пор.

Самыми ценными и дорогими из списка редкоземельной группы являются:

1. Тербий;
2. Неодим;
3. Европий;
4. Лютеций.

Распространение редкоземельных металлов

Суммарное количество по массе редкоземельных элементов в недрах Земли равняется 0,01%, что относительно немало. Это больше, чем титан и свинец, вместе взятые. Наиболее часто встречаемыми из РЗМ являются церий, неодим и лантан.

Самым мало распространённым редкоземельным металлом является европий. Его содержание на Земле составляет 0,0012% от ее массы, что сравнимо с таким элементом как ртуть.

На сегодня обнаружено примерно 240 минералов, в химическом составе которых можно найти редкоземельные металлы. В 62 из них суммарный процент РЗМ достигает 10%.

По своей природе они представляют собой разного вида фториды, силикаты и фосфаты. Несмотря на такое огромное количество минералов для нужд производства годятся только некоторые из них.

Главным образом это монацит, бастнезит, апатит и эвксенит.

Процент соотношения между отдельными редкоземельными металлами в горных образованиях достаточно изменчив. В монацитах и бастнезитах преобладают элементы цериевой подгруппы; в апатитах — иттриевой.

Добыча

Главные месторождения РЗМ находятся на территории современного Китая, Соединенных Штатов Америки и России. Согласно экспертным данным, мировые запасы РЗМ составляют порядка 120 млн. тонн. Стоит отметить, что половина этой массы приходится на Китайскую народную республику.

Некоторые ученые заявляются, что океанское дно изобилует минералами на основе редкоземельных металлов. По их расчетам там скрывается около 130 млрд. тонн их запасов. Пока не ясно, как верно их предположение. Производство на данном этапе развития не располагает оборудованием, которое смогло бы работать на таких глубинах.

Получение

Существует несколько вариантов переработки минералов:

1. Разложение плавиковой и серной кислотами.
2. Хлорирование.
3. Сплавление щелочами.

Продуктом данных реакций являются разнообразные виды хлоридов, оксидов и сульфатов, которые служат исходными материалами для получения чистых редкоземельных металлов.

С этой целью используется методы химического восстановления кальцием, магнием и калием. Под этим подразумевается осаждение, ионный обмен и фракционная кристаллизация.

Для очистки редкоземельных металлов от примесей применяют дистилляцию и вакуумный переплав.

Физические свойства

Плотность РЗМ колеблется в пределах 6 000 – 7 000 кгм3. Процессы плавления начинаются при температуре около 900 – 1000 ºC; кипения — при 3500 ºC. Большинство редкоземельных металлов относятся к группе парамагнетиков, магнитная восприимчивость которых находится в обратной зависимости от температуры.

Редкоземельные металлы по своей природе — сверхпроводники. Температура перехода в сверхпроводящее состояние у них происходит при 4-5 К. Данный показатель можно снизить за счет увеличения избыточного давления до 0,2 МПа.

Механические свойства

Редкоземельные металлы с чистотой до 98% при комнатной температуре обладают твердостью 300-500 МПа по шкале Бринелля. С повышением температуры это значение понижается. Так при 800 ºC твердость лантана уже составляет 35 МПа. Особенно сильно металлы размягчаются при 550 ºC, что связано с их полиморфным превращением.

При испытании на растяжении гантелеобразные образцы редкоземельных металлов разрушаются при 150-200 МПа. Деформироваться они начинаются уже при 100-125 МПа. Относительное удельное растяжение для них составляет 8-12%. Отметим, что в интервале 20-800 ºC наблюдается резкое возрастание пластичности. Причина этого — переход внутренней структуры металлов на кубическую модификацию.

Химические свойства

Редкоземельные металлы в сухом воздухе покрываются тонкой пленкой, в основе которой лежат их оксиды. Она служит эффективной защитой как от механического, так и химического воздействия.

Во влажной среде они начинают медленно окисляться и трансформируются в гидроксиды. Данные процессы имеют место при температуре окружающей среды более 250 ºC. При 450 ºC редкоземельные металлы в кислородной среде сгорают до оксидов с активным выделением тепла.

Редкоземельные металлы охотно вступают в реакции с серой и хлором. При нагревании также взаимодействует с бромом и йодом.

Редкоземельные металлы растворяются в кислотах минеральной группы. Инертны по отношению к большинству видов щелочей.

Технологические свойства

При комнатной температуре редкоземельные элементы хорошо обрабатываются ковкой и прессованием. Стоит заметить, что производить данные операции необходимо крайне аккуратно, т.к. РЗМ не отличаются высокой вязкостью.

Из редкоземельных металлов производят металлопрокат различного типа. Это главным образом прутки диаметром от 1 до 5 мм, лента и фольга. Для предохранения от окисления заготовки металлов предварительно нагревают в среде инертных газов. Обычно это либо аргон, либо гелий.

Применение

Сплавы лантана с алюминием характеризуются повышенной скоростью поглощения окиси углерода и азота, но низко активен по отношению к водороду. Это делает возможным его применение в геттерах водородного тиратрона, где требуется максимальное изолирование водорода от окружающих газов.

Добавками церия эффективно модифицируют структуру чугунов и сталей. Такое легирование улучшает их пластичность и свариваемость, уменьшает процент выхода брака.

Празеодим высокой чистоты применяется в изготовлении эмали, стекла и глазури. Добавление празеодима в керамику придает ей особый желтоватый оттенок. Большинство высококачественных оптических стекол содержат в своем составе оксиды празеодима. На их базе изготавливают искусственные драгоценные камни — рубины, аметисты, топазы и т.д.

Прометий используется в качестве основного материала для атомных мини-батарей. Его изотопы дают мягкое излучение, не требующей специальной защиты.

Европий благодаря широте поперечного сечения захвата тепловых нейронов используется в производстве экранов защиты направляющих стержней ядерного реактора. Люминофор цветного телевизора на базе окиси иттрия активизируется европием, что повышает примерно на 50% качество его изображения. Также европий применяется в производстве магнитных сплавов.

Как видно, металлы редкоземельной группы уже активно используются в разного рода промышленных отраслях. Но исследование их возможностей только набирает обороты и несет в себе множество перспективных способов применения. Что из этого выйдет, покажет время. Нам же лишь остается только ждать.

Что такое редкоземельные металлы и их использование

Редкоземельные металлы представляют собой группу из 17 химически схожих элементов, имеющих решающее значение для производства многих высокотехнологичных продуктов. Несмотря на свое название, большинство из них в изобилии, но опасны и трудны при извлечении.

Что такое редкоземельные металлы — это 17 химических элементов с неудобными названиями и необычными свойствами. Их атомные номера 57-71, 21 и 39.

Несмотря на свое название, они не являются геологически редкими, но широко рассеяны по всей земной коре. Редкоземельные металлы добываются в немногих местах и несколькими фирмами, как правило, не находятся в высококонцентрированной форме.

  Мировой рынок этих элементов является скромным (несколько миллиардов долларов в год), неустойчивым, сложным и доминирует в Китае, где не все шахты и экспорт легальны и прозрачны.

Один из экспертов пришел к выводу, что около половины мирового производства 2018 года было неофициальным.

По возрастанию атомного веса редкоземельные металлы расположились следующим образом:

• 21    Sc —   Скандий
• 39   Y —    Иттрий
• 57  La —  Лантан
• 58   Ce —  Церий
• 59  Pr —  Празеодим
• 60   Nd —   Неодим
• 61 Pm —  Прометий
• 62 Sm —  Самарий
• 63 Eu —  Европий
• 64 Gd —  Гадолиний
• 65  Tb —  Тербий
• 66 Dy —  Диспрозий
• 67 Ho —  Гольмий
• 68 Er —  Эрбий
• 69 Tm —  Тулий
• 70 Yb —  Иттербий
• 71 Lu —  Лютеций.

Большинство этих элементов используются во многих различных областях.

Использование и добыча

Использование редкоземельных металлов является узкоспециализированным, но разнообразным.

Эти элементы использованы в мобильных телефонах, суперсильных магнитах и, следовательно, моторах и генераторах, некоторых катализаторах нефтеперерабатывающего предприятия, лазерах и в люминесцентной лампе или плоских экранах, некоторых батареях и в сверхпроводниках и других технологиях важных в современной жизни. Некоторые редкоземельные металлы особенно полезны в энергетических приложениях.

Ученые предупреждают, что нехватка редкоземельных металлов или почти монополия Китая на них, может подавить переход на возобновляемые источники энергии и другие чистые технологии.

В середине 1990-х годов Китай укрепил свой контроль над большей частью мирового рынка и добычу редкоземельных металлов в мире, а последний американский рудник и мельница, когда-то доминирующие в мире закрылись в 2002 году, потому что это было невыгодно.

Китай начал вводить экспортные квоты в 2006 году и ограничил экспорт в Японию (основной потребитель для высокотехнологичных миниатюрных двигателей) поэтому мировые цены взлетели.

Правительственные ведомства США опубликовали срочные сообщения о редкоземельном кризисе и его угрозе национальной безопасности.

Может ли контроль Китая над этими важнейшими элементами (примерно 97 процентов) блокировать способность Вашингтона производить ракеты Томагавк, самолеты F-35 и очки ночного видения, как предупреждали некоторые ученые, не говоря уже об электрических транспортных средствах и ветровых турбинах?

Неодим

Используется для создания мощных магнитов, используемых в громкоговорителях и жестких дисках компьютеров, чтобы они были меньше и эффективнее. Магниты, содержащие неодим, также используются в экологически чистых технологиях, таких как производство ветровых турбин и гибридных автомобилей.

Лантан

Этот элемент используется в камерах и объективах телескопа. Соединения, содержащие лантан, широко используются в приложениях для освещения углерода, таких как студийное освещение и проекция кино.

 Церий

Используется в каталитических нейтрализаторах в автомобилях, что позволяет им работать при высоких температурах и играет решающую роль в химических реакциях в конвертере. Лунтан и церий также используются в процессе переработки сырой нефти.

 Иттрий

Иттрий используется в процессе создания цветных дисплеев на таких устройствах, как телевизионные экраны.

 Празеодим

Используется для создания крепких металлов для использования в авиационных двигателях. Празеодим также является компонентом особого сорта стекла, используемого для изготовления козырьков для защиты сварщиков и стеклоизготовителей.

 Гадолиний

Используется в рентгеновских и МРТ-системах сканирования, а также в телевизионных экранах. Исследования также проводятся в его возможное использование при разработке более эффективных холодильных систем.

 Иттрий, тербий, европий

Применяется в экранах телевизоров, компьютеров и в других устройствах, которые имеют визуальные дисплеи, поскольку используются для изготовления материалов, которые выделяют разные цвета. Европий также используется для изготовления контрольных стержней в ядерных реакторах.

Рынок редкоземельных металлов

В настоящее время рынок редкоземельных металлов в упадке, и Китай планирует ограничить годовое производство до 140 000 метрических тонн, начиная с 2020 года, чтобы попытаться снова поднять цены.

Причины падения цен на редкоземельные металлы

Начнем с супермагнитов.

Неодим — редкоземельный элемент, примерно с концентрацией в земной коре, как свинец и хром, но сосредоточен в высокосортных рудах.

В 1982 году Дженерал Моторс и японская компания Сумитомо обнаружили, что смешивание одной четвертой неодима по весу с тремя четвертями железа и бора может сделать самое мощное семейство супермагнетиков тогда известным, Nd2Fe14B и что свойства этих магнитов могут быть дополнительно улучшены путем добавления следов других редкоземельных металлов — празеодима плюс диспрозий или более дорогой тербий.

Китай, обладая большим количеством всех этих элементов и предпочитая добавленную стоимость экспорту сырья, создал индустрию супермагнитов, чьи низкие цены захватили большую часть мирового рынка и закрыли конкурентов. Китай также энергично проводит исследования и разработки, чтобы найти дальнейшее применение своей редкоземельной щедрости.

Даже в 2015 году, на долю Китая приходилось более 80% мирового редкоземельного производства, сейчас около 70 процентов — это неразумный баланс.

Технологические решения по уменьшению спроса

С 2010 года промышленники предупредили, что рынок редкоземельных металлов с монополией Китая на элементы супермагнитов могут сделать растущий глобальный переход на электрические автомобили и ветряные турбины невозможным — потому что их двигатели и генераторы якобы требовали супермагнитов и, следовательно, этих элементов. Некоторые такие сообщения были даже в 2017 году. Но это все подвергается сомнению. Все, что делают такие вращающиеся машины с постоянными магнитами, также может быть сделано или лучше двумя другими видами двигателей, которые не имеют магнитов.

Сейчас двигатели применяют современную управляющую программу и силовую электронику из кремния, самого распространенного твердого элемента на Земле.

Первый вид — это асинхронный двигатель, изобретенный Николой Теслой 130 лет назад и используемый в каждом электромобиле Приус и Тесла сегодня.

Без магнитов изготавливают двигатели не только в электрических автомобилях, но также в ветротурбинах, что освобождает тонны неодима.

То, что некоторые ветряные турбины и производители используют генераторы с постоянными магнитами, не означает, что другие должны их изготавливать также.

Точно также красные люминофоры в компактных люминесцентных лампах традиционно используют европий.

Но эти лампы теперь в значительной степени вытеснены белыми светодиодами, которые используют примерно на 96 процентов меньше европия.

Кроме того, новые красные люминофоры не используют редкоземельные металлы, в то время как последний зеленый люминофор сокращает использование тербия более чем на 90 процентов.

Эрбий в волоконно-оптических ретрансляторах — еще один редкоземельный элемент. Эрбий необходим чтобы увеличить емкость волокна. Ширина полосы частот сейчас увеличена путем передачи по мултиплексу и беспроволочными рационализаторствами.

Некоторые гибридные автомобили, такие как Honda Insight 2001 года, использовали никель-металл-гидридные батареи, содержащие лантан, но теперь они в значительной степени заменены более легкими литиевыми батареями, которые обычно не используют лантан. Кроме того, электромобилям с литиевыми батареями требуется в два—три раза меньше батарей по массогабаритным характеристикам.

Лидирующие на рынке литиевые батареи электромобиля в мире, как и их двигатели, вообще не используют редкие металлы. Количество электромобилей в мире растет.  Появляются новые технологии в виде мощных потенциальных заменителей батарей (в частности, графеновые суперконденсаторы).