金属镓的资源分布情况及应用现状

张云峰 郭昭华 池君洲 王永旺 陈 东

（神华准能资源综合开发有限公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，010300）

镓 （Ga）是法国化学家Boisbardran 于1875年从闪锌矿中离析出的一种银白色的易熔金属，广泛存在于地表之中，由于其富集程度极低，科学家将镓归属于 “稀散金属”。由于金属镓属于第Ⅲ主族，其某些物理化学性质与铝、锌、铁等元素相似，常伴生于铝土矿、闪锌矿、铁钛矿和煤矿当中。目前世界上90%的镓是作为炼铝工业的副产物而产出的，其余10%主要是从锌冶炼的残渣中回收的，少量从某些粉煤灰中回收。

镓在发现的100 多年时间里几乎没有得到应用，直到近40 年来，由于现代科学技术的发展，使得镓的价值得到充分的发挥，金属镓的几乎所有用途都和当前现代科技发展及低碳经济、绿色能源和环境保护相关，是现代半导体工业、现代太阳能工业、磁性材料工业及催化剂领域等主要原料之一，在国防、宽带光纤通信、航空航天及电子技术等领域得到广泛应用。

1 金属镓的资源分布状况

2010 年以前，世界金属镓的估计储量为23万t，国外金属镓的储量约为4～5万t，国内金属镓的储量约为18～19万t，我国金属镓的储量约占世界储量的80%～85%，其中内蒙古的金属镓资源主要赋存在准格尔煤田中，河南、吉林、山东、广西等省的金属镓主要赋存在铝土矿中，黑龙江、云南等省的金属镓主要赋存在煤矿或锡矿中，湖南等省的金属镓主要赋存在闪锌矿中，四川攀枝花的金属镓主要赋存的钒钛磁铁矿中。2010年内蒙古准格尔发现与煤伴生的超大型镓矿，探明储量85.7万t，远景储量310万t，导致金属镓的全球储量发生巨变，世界金属镓资源分布如图1所示。

图1 世界金属镓资源分布

2 金属镓的应用现状

2.1 半导体工业是金属镓的最主要用途

信息产业是当今世界最有活力的生产力之一，与其他产业相比，信息产业以其科技含量高，在工业生产过程中耗能相对较小、对社会发展贡献大等原因成为世界各国都在竭力促进发展的一个产业。现代半导体工业正是信息产业的核心所在，而半导体材料则是这个金字塔的基础。以砷化镓为主的金属镓半导体化合物，在这个基础中占有非常重要的地位。据有关部门统计，半导体行业金属镓消费量通常占总消费量的80%～85%。从2001-2009年，该行业用镓量一直在以5%～8%的速度增长。据估算，2008-2009 年原生镓在该行业的消费量约在120t左右。在该工业领域中，光电半导体最主要的用途是无线通讯。

半导体材料是信息技术和产品发展的 “载体”和 “粮食”，砷化镓在所有半导体材料中起着越来越重要的作用。砷化镓材料可用于生产超高速、超高频微波及光纤通讯元件，可广泛应用在无线通讯、照明、能源、军事和医疗等领域。现阶段砷化镓化合物半导体晶片的主要应用领域有无线通讯、光纤通讯、高亮度LED、可见光雷达、近红外线雷达以及太阳能电池等，无线通信是其中最主要的用途。据有关方面统计，砷化镓在无线通讯方面的使用量约占砷化镓总量的80%以上。近年来无线通讯领域的宽带局域网和手机市场一直在以较快的速度发展，特别是在后经济危机时代，很多国家政府都加大了对该行业的扶持力度，使得该行业率先走出经济危机的阴影。早在2009年底，国际上主要砷化镓的生产企业就开始获得较大的订单。自2010年以来，受到世界经济复苏的拉动、科学技术的突破、3G 手机和智能手机等无线通讯器材的更新换代等诸多因素的影响，市场对砷化镓等化合物半导体产品的需求迅速增长从而导致该行业用镓量迅速上升。

LED （发光二极管）是利用半导体材料的特性将电能转化为光能的固体发光器件。LED 光源具有体积小、寿命长、节能环保、高亮度低热量以及可控性强等优良特性，应用领域非常广阔，已逐渐在手机、显示屏、汽车、特种照明、交通信号、景观装饰等多个领域得到了广泛应用。随着LED 技术的逐渐成熟，作为LED 重要发展方向之一的高亮度LED 光源取代传统照明光源将是未来几年的主流趋势，市场前景极好。由于LED 工业的迅猛发展，作为生产LED 的重要原料，三甲基镓（TMG）目前已成为世界上最抢手的产品之一。2009年以前该产品是以一种逐渐加速的方式向前发展，进入2010年借助世界经济复苏的大潮，低碳经济的大力推动以及多项技术的突破，LED 的生产和普及都出现了爆发式的增长。为了迅速占领LED 产业市场，许多国家和地区都在加大对该行业的投入，仅MOCVD 设备一项，据有关资料统计，2008年4 月全球已安装数量仅为500台；到2009年6月此数字已达到1000台；2010年在之前的基础上又再新增500 台；2011 年又增加了700台。按经验数据测算，每台MOCVD 在正常生产的情况下金属镓消耗为50kg，因此2009年该行业消费金属镓约为25t，2010 年达到50t 左右，2011年达到75t左右，2012年将突破100t。正是由于LED 下游产业的发展导致了对金属镓的需求出现了爆发式增长。

2.2 太阳能薄膜领域

在低碳经济的大潮中，太阳能是最节约也是效率最高的一种可再生能源，随着科学技术的不断突破，人们对太阳能开发与利用的步伐越来越快。在众多太阳能电池产品系列中含金属镓的、比较出色的有以下两种，一种是砷化镓 （GaAs）聚光太阳能电池，另一种是CIGS太阳能薄膜电池。

（1）砷化镓 （GaAs）聚光太阳能电池。砷化镓三五族太阳能电池具有良好的耐热、耐辐射等特性，其光电转换率非常高，该产品的开发开时间比较长，但是由于生产成本和使用成本都非常高，往往只被应用在航天工业和军工领域。然而，随着近几年科学技术的发展，砷化镓太阳能电池的生产和使用成本都在降低，搭配上聚光光学组件使其应用范围开始扩大，并以较快的速度开始普及。目前三结砷化镓电池的转换效率已可高达40%，制造成本也大幅降低。近两年来，砷化镓用于太阳能电池方面的数量正在以加速度的方式增长。据了解，近期国内外一些大的生产厂都在扩大相关产能，该产业的发展势必增加市场对金属镓的需求。

（2）CIGS太阳能薄膜电池。作为第三代太阳能电池，CIGS 薄膜太阳能电池以其生产、安装、使用成本低、光电转换率高的优势在众多太阳能电池产品中成为发展最快的。随着各国对廉价新能源的迫切需求，CIGS太阳能电池技术正迅速从试验室走向规模化生产。目前世界上已投产或在建的CIGS工厂已超过40 多家，这个数字还在迅速增长。金属镓在CIGS的原材料中所占比重很小，大约在5%～10%左右，但是随着CIGS生产规模的扩大，该行业对金属镓的需求会显著增长。

2.3 永磁材料

磁材是现代机电工业、自动化工业和半导体工业必不可少的基础材料。高性能磁材对提高机械效能，降低能源消耗起着非常重要的作用。作为第三代高性能磁材，钕铁硼已经成为现代磁材行业的主流产品，而高品质磁材需要添加0.5‰～2‰的金属镓。目前中国已成为世界钕铁硼生产大国，每年金属镓的消费量约在10～15t。高性能磁材除了在计算机和在高性能自动化设备上广泛应用之外，近几年在发展绿色能源、可再生能源的大趋势下得以迅速发展，在风力发电机等高性能发电设备都采用添加了金属镓的高性能磁材，正是由于这种需求拉动，使高性能磁材行业以10%以上的速度增长，对金属镓的需求也会同步增长。

2.4 铝制氢气的催化剂

氢气是一种清洁的新能源，有着广阔的应用前景，现在已经研制出以氢气为燃料的汽车。但是传统方法生产氢气成本高，而且氢气的生产和作为燃料使用这两个过程之间还存在一个储存问题，在制取和储存氢气的工艺上也存在一定的难度。镓铝合金加水制造氢气的新工艺是由美国普渡大学的Jerry Woodall教授于2007 年公布的一项研究成果，研究发现将水添加到铝镓合金时，铝通过吸收氧气分解水，在此过程中产生氢气。利用此项技术来制氢，能克服氢气储存和运输两大障碍。

使用铝和水反应可生产低成本氢气，而且可以在汽车上直接应用，省略了储存环节，简化了工艺。但是铝与水的反应刚一进行，生成物Al2O3就在铝的表面形成致密的保护膜，隔绝了铝和水的接触，致使反应不能继续进行。镓 （Ga）可以破坏Al2O3保护膜，使铝和水的反应得以持续进行，可以认为镓是铝和水反应制取氢气的催化剂，镓作为催化剂的回收利用率为75%。如果简单地把镓与铝放进水里，是无法实现氢气制备的，需要把铝和镓制成合金，才能实现镓破坏氧化铝薄膜的催化作用，因此研发能直接与水反应生成氢气的镓铝合金具有重要的实用意义。

2.5 新型散热技术的载体

“液态金属”是一类奇妙的金属，它们在常温下是液体，可以像水一样自由流动，但却拥有金属的特性，其导热能力和比热容 （吸纳热量的能力）都远大于传统的甲醇和水等导热剂，是新一代散热器的理想传热介质。中科院理化所全球首创液态金属热管理技术与企业合作将镓引入到CPU 散热领域，成为第四代高端散热器。该散热器具有热量输运及极限散热能力强、能耗低、噪音小等特点。

2.6 其他领域的应用

金属镓除了在上述领域的应用外，还能用在其他很多领域，例如：

（1）冷焊剂。金属镓可用作金属与陶瓷间的冷焊剂，适于对温度导热等敏感的薄壁合金，使用时只需将液态镓与焊接材料的金属粉末混合，然后将它涂在金属与陶瓷欲焊接处，凝固后即焊接成功。

（2）超导领域。钒三镓、钕三镓及锆三镓等。

（3）医学领域。硝酸镓与氯化镓可治疗骨质疏松及恶性肿瘤，镓铂和镓铟等是良好的镶牙材料。

（4）光学领域。镓玻璃及氧化镓荧光材料。

（5）催化剂领域。氧化镓与其他金属氧化物的固溶体可作为石油裂解和煤制烯烃的催化剂。

（6）合金领域。铁镓合金和镍锰镓合金具有良好的形状记忆效应与磁致伸缩效应。

3 结语

随着科学技术的飞速发展及人民生活水平的不断提高，世界各国对以砷化镓、磷化镓为原料的LED 照明产品及太阳能电池加大了开发力度，因此镓的需求量猛增，然而镓现有的生产能力远不能满足市场的需求。如何对含镓资源进行有效提取已成为目前急需解决的问题，因此煤中镓资源的提取，特别是粉煤灰中金属镓的提取是我国镓生产领域的首要任务。这将为我国LED、太阳能薄膜电池、半导体等高新技术行业提供可靠的原材料供应，对实现我国科学技术现代化、国防现代化和发展国民经济具有深远的意义。

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