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中国的镓,锗
文字:伯玥
校稿:朝乾 / 编辑:果栗乘
去年7月,中国商务部和海关总署联合发布了《关于
对镓、锗相关物项实施出口管制
的公告》,公告显示,自去年8月起,对包含金属镓、金属锗等14项相关物项进行出口管制,
未经许可,不得出口
!
对镓、锗相关物项实施出口管制
目的是维护国家安全和利益
(图:商务部网站截图)▼
出口管制颁布后,短短5天内
国际镓价猛涨27%
,资本市场上稀有金属、稀土等板块也跟着
大涨
。
以前我们讲过很多种中国短缺的资源,但
中国有优势的资源
也有很多,而且在全世界都是“统治级”的,
镓
和
锗
就是其中两种。今天就来讲讲,我们的镓、锗有多厉害,同时又有哪些短板。
镓和锗都属于地球上的“
稀散金属
”,顾名思义,就是
不光稀有,而且极其分散
,极少有独立矿床。
判断稀有与否的标准是“
丰度
”,也就是元素在地壳中的平均含量,比如每吨地壳物质中,只有15克的镓,也就是0.0015%,锗的丰度只有镓的十分之一
,每吨地壳物质里只有1.5克锗,也就是0.00015%,与之相比,铁的丰度是5.6%,铝是8.2%,完全不可比。
铝是地壳中丰度最大的金属元素
图为铝土矿石,看起来和普通的石头没什么区别
(图:图虫创意)▼
镓的熔点只有29.78℃,是少有的在室温也能保持液态的金属。卫星通讯、半导体、太阳能和人工智能等
前缘科技的研发和生产都离不开镓
。80~85%的金属镓都消耗在
半导体行业
,所以先进工业国对镓格外重视。
金属镓无毒,放在手里就能融化,挺好玩的
(图:壹图网)▼
美国早已将镓列为35种
关键矿产目录
,欧盟也将其列入61种
关键原材料目录
。2011年,我国也将镓列入了
战略储量金属
。
锗的用途也很多,基于良好的
半导体和光电特性
,半导体、光纤通讯、红外光学、太阳能电池、化学催化剂、生物医学都需要锗,特别是在红外感光领域,有
极高的不可替代性
,这当然就涉及到军事领域了。所以美、日、澳、加、欧盟都把锗列入了
关键矿产目录
,严格管控。
掺锗光纤具备容量大、光损小、色散低、
传输距离长、不受环境干扰等优势
作为光通讯网络的主体
是目前唯一可以工程化应用的光纤
(图:图虫创意)▼
要找到镓和锗的矿床并不容易,它们
极少单独成矿
,而是以分散状态藏在各种多金属矿床的
伴生组分
里。
由于镓可以代替与自身大小和电荷相似的元素,这样就可以
渗透进别的矿床里
。例如代替铝存在于铝矾土中,形成“
铝土矿型伴生镓矿床
”;代替锌少量存在于闪锌矿中,形成“
铅锌矿型伴生镓矿床
”。此外,镓还可以伴生于煤层中,形成“
煤型伴生镓矿床
”。
这些矿床中,可找到伴生镓
(图:shutterstock)▼
基于相同的原理。锗也主要分布在
“煤型”含锗矿床
和
“铅锌型”含锗矿床
。
就矿床种类而言,
铝土矿
是镓的主要来源,目前全球90%的镓
作为炼铝工业的副产物而产出
。不同地区、不同类型的铝土矿中伴生镓的
含量不同,且差别较大
。每吨原矿石中一般含镓50~250克。像我国贵州铝土矿,一般每吨含镓122~127克。
红红的铝土矿,产铝还副产镓
(图:shutterstock)▼
此外,镓也可以
从闪锌矿湿法炼锌时的粗锌蒸馏残渣中提取
。煤矿中的镓含量普遍不高,一般每吨10-30克,但我国内蒙古准格尔煤田的镓含量高达每吨30-70克,是近年新发现的超大型富镓矿床。
位于鄂尔多斯市的准格尔煤田
拥有亚洲最大的露天煤矿
(图:Google maps)▼
虽然这些比例看似都很低,但铝土矿和煤矿的
基础量都非常大
,能顺便提炼出来的镓自然也
很多
。
中国同时也是
锗资源大国
,“铅锌型”含锗矿床主要分布在川滇黔低温成矿域。“煤型”含锗矿床主要分布在内蒙古和云南,包括内蒙古伊敏五牧场、内蒙古胜利乌兰图嘎和云南临沧等地。
“铅锌型”属于碳酸盐岩容矿型锗矿
产自煤层中的锗是中国最主要的锗资源类型
▼
目前,全球可统计的镓储量大约27万吨,
中国就占了近七成
,约19万吨,居世界之首,其余的镓主要分布在非洲、美国、南美洲和欧洲等地。
和镓相比,锗的全球储量要
少得多
,大约8600吨,美国3870吨,占45%,中国次之,3500吨,占41%; 俄罗斯860吨,占10%,三家基本上约等于全球探明储量了。
横屏
-世界镓、锗资源分布
中国的镓、锗处于绝对领先地位
▼
中国虽然镓的储量丰富,但
储量≠产量
,中间需要
一整套由粗到精的产业链
,而且镓的全产业链对资本和技术的要求很高,分三个环节:
首先是
原材料和初级加工
,需要有含镓的闪锌矿、氧化铝土矿、废渣烟尘和煤层作为
原材料
,再用拜耳法将这些原材料
加工为粗镓
。
接着是
深度加工
,分两个部分,一个是用电解精炼等工艺,将粗镓制备成
高纯度镓
;另一个是用碱液中电解法、液态密封法、溶胶凝胶法等工艺,将粗镓或高纯度镓制备成
砷化镓、氮化镓、氧化镓
等化合物。
最后是
应用产品
,将含镓化合物生产为铜铟镓硒薄膜、激光二极管、射频电子设备、催化剂等
元件应用产品
。
这三个环节里,中国占绝对优势的只有
初级加工的粗镓产品
。2019年全球粗镓产量324吨。其中中国310吨,占95.68%,处于绝对优势地位。但是
高端镓产品的自主产能很低
,高度依赖从美、日进口。
全球粗镓生产厂家有30多家,主要是大型铝厂和有色金属冶炼厂,主要在中国、俄罗斯、乌克兰、德国。但是
高纯度镓和再生镓生产国
主要是日本和美国,并将其用于
本国的集成电路、半导体
等产业。
这就形成了一个特殊的结构,中国生产粗镓,美日生产高纯度镓以及半导体产品,同时美日还
用半导体卡中国的脖子
。中国要发展自己的半导体产业,光有粗镓还不够,还要
从美日进口高纯度镓
。
而且从2011年开始中国的粗镓产量大幅提升,导致
粗镓供大于求
,价格也跟着
暴跌
。随着中国供给侧改革和全球镓消费量的提升,2015年之后,镓的供需格局才
持续收紧
,卖了太久的白菜价,价格终于又
升上来
了。
可以说,我们虽然控制着粗镓的产能,但也被困在低端环节,不光利润少,而且
高端货还是依赖进口
。
和镓的情况类似,锗的产业链也分为
上游
(原材料、初级产业)、
中游
(深加工、元部件产业)、
下游
(红外和光纤等终端产品)三个部分。
其中上游原材料和初级加工的技术难度最低,但
环保压力大
,我国的优势也主要在这方面。2019年,中国的产量就占了全球的
65.4%
。
由于锗在
军工和民用
方面都有重要作用,光纤、红外光学、太阳能电池都离不开锗,锗的消费量也往往
对应着国家军事实力和经济水平
。目前,中、美、日三国就消费了全球80%以上的锗。
2015年以来全球锗产业结构变化
红外、光纤和太阳能电池占比稳定增长
▼
虽然中国同时也是
锗的最大出口国
,但是遇到的问题和镓类似,我们主要还是向西方发达国家出口
初级锗产品
。由于我国在红外和光纤领域使用的高端锗产品的制作技术还不成熟,高端锗产品如“锗单晶”和光纤用“四氯化锗”基本都
依赖进口
。
如今随着我国在红外、光纤、太阳能等领域快速发展,
锗的需求量也不断增加
,对于高端锗产品的
技术攻关
也势在必行。
近年来,在关键金属下游的
半导体产业
,西方国家对中国的
打压愈演愈烈
。
今年5月底,日本宣布对23种半导体设备和材料进行
出口限制
,7月23日起正式实行。6月30日,全球最大的光刻机生产国荷兰宣布进一步
收紧光刻机出口政策
,高端DUV光刻机从9月1日起将限制向中国出口。
光刻机是制造芯片的核心设备
(图:shutterstock)▼
事实上,很多稀有的关键金属都是
由中国向外供应
,而且几乎没有替代元素,凭什么中国要供应给西方国家,让他们制成芯片反过来卡中国的脖子?
我国是镓和锗的
资源大国、生产大国和出口大国
。多年来已经为全球产业链做出了很大贡献。在产业升级的背景下,
加强战略资源的开发与管制非常合情合理
,西方国家自己也是这么干的。
去年年底ChatGPT横空出世
美国提前几个月限制向中国出口先进芯片
(图:Reuters)▼