稀土抛光粉产业发展现状与前景

胡珊珊 韩丹 杨剑英/文

上海交通大学包头材料研究院

1 引言

随着我国稀土抛光粉产业的快速发展，铈稀土磨粉及其磨料制品已具备了粒度尺寸一致、硬度适中、研磨能量大、抛光耗时短、抛光精度高、使用寿命长、工作环境清洁等优点，并且已经完全取代了过去使用的氧化铁磨粉。应用于玻璃表面、平板玻璃、阴极射线管、手机电脑屏幕、玻璃外壳、目镜、光学玻璃、镜片、宝石、金属表面抛光、水晶、装饰板材以及机械设备的冷加工。随着显示器行业的快速发展，我国稀土抛光粉的消耗量也逐渐增加，发展前景广阔。

2 稀土抛光粉的产业现状

2.1 基本情况

氧化铈是稀土抛光粉的主要成分。通常抛光粉的分级方法都是按照氧化铈的数量来分类的。抛光粉的抛光特性，主要和氧化铈浓度、理化性质（活性、粘度）等因素有关。稀土材料抛光粉中的氧化铈含量越高，抛光功能就越强，寿命也越长，价值越高；反之，氧化铈含量越低，寿命较短，价格也越低。因此高铈稀土抛光粉一般用作半导体元器件的表面抛光，而低铈抛光粉则广泛用作抛光光学玻璃、液晶显示屏、手机盖板等产品。

稀土抛光材料的“抛光机制”通常也可以看作是物理研磨与化学磨的共同功能。物理研磨法是将稀土抛光后的物质表面进行机械研磨，使物体表面光滑。化学拍打过程是通过稀土对抛光材料表面硅醇键的脱水和氧桥键的生成，从而控制了在硅基材料分解过程中的再生，也因此增加了抛光速度。

2.2 国内外产业现状

20 世纪30 年代，欧美首先进行了研究开发，利用稀土氧化物用作抛光粉来抛光玻璃。到了20 世纪60 年代，日本利用氯化稀土为主要原料，采用化学法，除杂结晶合成后生产稀土抛光粉 。20 世纪90 年代，国外生产的稀土抛光粉产品已形成标准化和系列化。目前世界的稀土抛光粉生产商，大多集中在中国、日本、美国、法国、英国、韩国等国家。比较有名的厂家是日本的昭和株式会社、日本三井金属矿业株式会社、日本AGC 株式会社、法国的罗地亚(现在的法国索尔维集团)，还有中国的上海加博微电子新材料公司。其中，稀土抛光粉制造公司在日本具有较强的优势，不但产量规模很大，同时也在全球客户中取得了主要的市场占有率。

20 世纪60 年代开始，中国就开始大量生产稀土抛光粉，主要以混合稀土抛光粉、石膏石和纯氧化铈等为原料。到了20 世纪70 年代，稀土抛光粉已经代替了常规的氧化铁，用于玻璃打磨。20 世纪90 年代，中国稀土抛光粉材料的制备、应用以及生产技术方面都获得了长足的发展。稀土抛光材料领域出现了从传统玻璃表面加工到光电子显示产品的新发展，从传统应用到光电高科技应用的改进。在产量方面，国内稀土抛光材料的应用从20 世纪80 年代的不到40 吨增加到2018 年的3 万吨左右。2022 年，我国稀土抛光材料产量达到3.73 万吨，居世界第一。

2.3 存在问题

目前，国内稀土抛光粉的品种已初步满足了光学玻璃、液晶显示玻璃基板、触控式玻璃盖板、ITO镀膜玻璃、透明金刚石等产业的抛光需求，并彻底改变了过去中国国内相关产业全部依赖进口的不良局面。但和国外相比，还是存在较大的差距，主要表现在以下几方面:

(1)目前中低端的稀土抛光粉已经无法适应国内外市场的需要。虽然当前的国内生产工艺已经在稀土抛光粉产业上实现了很大的提升。生产与使用上都可以达到的市场需求，但对于少数高档稀土抛光粉的应用来说，在半导体集成电路浅槽离技术(STI)方面，与外国相比具有一定的工艺差距。在抛光的关键部件中，主要依赖于进口。

(2)稀土抛光粉的发展趋势呈现两极分化态势。目前，中国的稀土及抛光粉行业发展不平衡，中小企业数量众多，大型企业少。在国际市场上很难拥有竞争优势。而这些中小企业产品同质化严重，导致竞争激烈、利润较低。然而，少数大型企业仍继续提高创新能力，优化生产流程，提高产品质量，并致力于服务高端领域，从而产生了两级差异化。产业发展的两极分化也将推动整个产业整合资源。未来，行业的龙头企业还将吸收弱小企业，以实现大规模效应，并进一步增强研发实力，进而使我们的稀土抛光粉等产品在国际市场上具有一定的竞争力。

另外，稀土产品和抛光材料的价格变动，严重干扰了产业的长远稳定与发展。近年来，受疫情影响，行业内部已进行了一定幅度的重新整合，并提高了行业集中度。

3 稀土抛光粉的种类和技术特性

3.1 稀土抛光粉的种类

稀土抛光粉的主要成分是氧化铈，并有氟化物、铁、石英等物质。稀土抛光粉按照生产工艺的性质和氧化铈的含量，可以分成以下三种。

第一个最常见的生产方法就是以少铕氯化稀土为原料，通过化学沉淀法制备成稀土氧化物含量为40%～ 70%，铈含量为30%～ 65%，粒径为1 um～ 4 um的抛光粉。由于这种稀土抛光粉价格比较低廉，而且切割效率高，广泛应用于阴极射线管、平板玻璃和镜片的抛光。

第二类铈基抛光粉。主要是用混合稀土氢氧化物为原料，以化学方法预处理得到稀土氯化物，通过化学沉淀而产生的稀土氧化物含量为80%～100%，铈含量为40%～ 80%，粒径为0.5 um～ 4 um。这种稀土抛光粉具有成分均匀、粒度好、表面稳定性好的优点，但售价也相对比较贵。现在已普遍用于抛光光学玻璃掩层和液晶显示屏。

第三种生产方法是以稀土混合物分离后的氧化铈为原料，以物理化学方法加工成硬度大、粒度均匀、细小的稀土氧化铈粉末产品。稀土氧化物比例大于90%，铈含量超过99%以上。打磨时间长，由于粒子形态与硬度一致，打磨表面平整，纯度好，所以在抛射面上平整，无瑕疵，无杂质污垢，适合于高速抛光、精细的光学仪器元件、光传感透镜、半导体器件、液晶显示屏等高性能工件的打磨。

3.2 稀土抛光粉的技术特性

对于含有特殊原材料和加工技术的稀土抛光粉，稀土材料抛光粉的尺寸大小直接决定了抛光效果和完成率。而一般材料尺寸愈大，对玻璃的表面抛光效果和表面粗糙度也愈大，而对不同的材料表面抛光的抛光粉尺寸需求也存在着一定差别，如对平板玻璃和彩色玻璃外壳的表面光洁度要求并不大。但所用的抛光粉尺寸需要更大(1 um～ 4 um)，而对普通光学玻璃表面抛光的抛光粉尺寸需求就比较大，一般规定为亚微米尺寸的分布。但如果使用了聚氨酯的高速抛光工艺，对粒度大小和悬浮液质量的要求会相当大，但也不是越小越好，越细则越均匀。

另外，由于氧化铈的纯度以及其他稀土元素的浓度都影响着稀土抛光粉的稳定性，因此氧化铈的高浓度也增加了打磨成本。在稀土抛光粉中，影响最主要的物质为机械杂质以及稀土抛光粉中的个别较硬粒子，而这些都将会导致设备的磨损，进而对外表形成划伤。其中杂质主要包含于工艺设备中的元素粒子，以及在煅烧过程中来自于过大的元素氧化物凝聚物等。在近年来，化学分析技术的使用已经成了制备稀土抛光粉的重点，尤其是制备高性能稀土抛光粉的化学技术，主要是用来研究高铈稀土抛光粉的粒径。

4 稀土抛光粉的技术现状及存在问题

我国生产低品位稀土抛光粉的规模和技术都已经成熟，但在高端应用领域仍存在差距。其问题主要是在中国国内产品的加工性能与精度控制上还存在着差异，尤其是半导体集成电路(STI)技术中所用的氧化铈等抛光材料，仍依赖于进口。稀土抛光粉的粒度控制、结晶形状与形貌管理上的难题一直存在。在高性能稀土抛光材料方面，由于无法控制较大颗粒的杂质，以及大批量生产工艺的一致性和稳定性较差，在设计、应用、工业化等关键应用阶段均未能实现重大突破。新型稀土抛光材料的研究进展相对缓慢。目前，稀土材料抛光粉的技术问题主要表现为：

4.1 生产工艺落后

铈基稀土抛光粉的生产技术分别采用固相反应法和液相反应法。固相反应工艺以稀土精矿为主要原料，直接在高温下焙烧，再经过精细处理来获取液相反应法是通过沉积、分解、蒸馏，最后再经过洗涤和高温分解等处理获得超细的物质。由于生产工艺和原料的差异，稀土抛光粉的粒度和尺寸的不同。不同的粒径大小和晶体结构，影响了抛光量和抛光精度。同时，在抛光粉生产过程中前驱体和沉淀器的选择，也影响了生产废水的处理方式。

4.2 粒径控制技术不成熟

稀土抛光粉的平均粒径大小和粒度分布，也是影响抛光粉性能的关键因素。抛光粉的平均粒径越大，研磨速度也就越高，对抛光物体的表面粗糙度影响也越大。相反，抛光粉的平均粒径较小，从而减少了磨量，降低研磨速度，也提高了抛光对象的表面光滑度。而抛光粉一般平均粒径分布范围较窄，过粗或过细的颗粒也比较少，无大颗粒抛光粉则抛光对象的表面质量较高，但少细颗粒抛光粉则可提高研磨速度。高端稀土抛光粉的粒度控制不仅要从中间粒度D50 开始，还要从最大粒度、中间粒度D50 和粒度分布来综合考虑。

4.3 大颗粒及杂质难以消除

稀土抛光粉主要包括了其他的稀土元素La、Pr、Nd，以及其他的稀土金属元素F、S、Ca、Fe 等。F 和S 的存在改变了抛光粉的结晶外观、色泽和抛光特性。在生产过程中，铁锈、机械杂物、氟化稀土硬粒子会混入，这种杂物和大粒子将严重改变抛光粉的抛光特性，造成严重划伤。

4.4 晶型控制不完全

二氧化铈的晶体形状和形貌直接关系着打磨物料的抛光精度和打磨效率。目前，大部分的抛光粉在生产过程中都采用了氟，其前驱体的制备过程以及后续的焙烧工艺、氟的导入过程和焙烧工艺等均关系着氧化铈的片粒形和厚度。氟化反应的不均匀，会造成在焙烧过程中产生大量与稀土氟化物混杂的硬块，并留下大量未反应的稀土氧化物颗粒。而掺杂的氟化稀土颗粒的硬块也容易产生划伤。另外，若留下大量不反应的稀土氧化物颗粒，将无法长期维持高抛光度。

4.5 高端稀土抛光材料产业化生产的稳定性差

高端稀土抛光材料的产业化，除了保证其基本性能和质量指标满足市场要求之外，还必须保证产品质量和生产批次的一致性，因此在工艺扩大、生产设备选择、工艺设计等方面都非常重要。同时，政府还需要认真考虑节能、减少消费、三废排放等问题，以尽可能实现低排放、无污染的生产。

5 稀土抛光粉的应用现状及展望

随着我国的光电信息产业的高速发展，稀土抛光粉的使用领域也在不断改变，由传统的电视显像管用玻壳抛光等普通抛光，到了液晶显示等更精确的电子光学设备用高性能抛光。基于趋势的研究，液晶显示等中高端的电子光学设备生产工艺也是当前稀土抛光粉的主要应用研究热点。日本昭和已经实现电气装置、半导体器件抛光、电脑驱动件抛光、玻璃基抛光、PC 及液晶抛光等的先进技术，体现出了抛光粉材料在未来的发展趋势。而高档抛光粉的高附加值、经济效益强大，在我国高新科技领域中显示出重要地位，具有广阔的应用前景。