稀土應用知識

稀土——現代工業的維生素

我國稀土應用已有50多年歷史。20世紀50年代開始把稀土應用於汽燈紗罩、打火石和電弧碳棒等方面，進而大量應用於冶金、機械、石油、化工、玻璃和陶瓷等傳統產業，對改善產品性能、增加產品品種、提高生產效率發揮了巨大作用。稀土已成為改進產品結構、提高科技含量、促進行業技術進步的重要元素。由於稀土用量少，作用大，並已滲透到國民經濟各個領域，成為許多產業不可缺少的“助劑”，被人們譽稱為“現代工業的維生素”。

永磁之王——釹鐵硼

金屬釹和鐠釹合金主要用於製造釹鐵硼永磁材料，它是目前世界上磁性最強的永磁體，被譽為“永磁之王”。用它代替其他永磁材料，可使器件體積和重量成倍下降，從而獲得了極為廣泛的應用。目前主要應用領域有：永磁電動機、發電機、核磁共振成像儀、磁選機、音響揚聲器、磁力傳動、磁力起重、儀器儀錶、液體磁化、磁療設備等等，已成為汽車製造、通用機械、電子資訊產業和尖端技術不可缺少的功能材料。進入本世紀，我國釹鐵硼永磁材料產量超過日本，成為世界第一大生產國，成為消費增長最快的稀土功能材料。

稀土在冶金-機械製造中的應用

鋼中加入微量稀土可以提高鋼的強度、韌性、耐磨和耐腐蝕性能。鋁鎂銅等有色金屬合金中加入稀土可細化晶粒顯著提高綜合性能。稀土用於鋁電纜可提高材料強度、導電性和耐腐蝕性能。

稀土在玻璃-陶瓷中的應用

玻璃陶瓷工業是稀土重要傳統應用領域之一。稀土在玻璃工業中被用作光學玻璃添加劑、澄清劑、脫色劑、著色劑和拋光粉，起著其他元素不可替代的重要作用。

稀土鎳氫動力電池應用

與傳統的化學電源（如鉛酸、鎳鎘等）相比，鎳氫動力電池具有無污染、高比能、大功率，可快速充放電，耐濫用性等許多優異特性，具有廣闊的應用和市場前景。電池具有如下特點：

1、大容量：6Ah～200Ah，可滿足各種類型電動車的使用要求

2、公稱電壓：單體1.2V，電池組電壓可按要求設計製作

3、高比能：50～70wh/kg，賦予電動車更長的一次充電行駛距離

4、比功率：160～800W/kg，也可根據用戶需求設計開發各類高功率或超高功率型鎳氫動力電池，賦予電動車高效的起動、爬坡與加速性能或混合動力電動車使用。可按高功率型電池、高能量型兩種類型電池分別設計。

5、長壽命：高能量型動力電池300～800次（80％）DOD，賦予電動車以優異的綜合性能／價格比，高功率型電池壽命在淺充放迴圈下達20萬次以上。

6、使用溫度：－20℃～60℃無污染：被譽為“綠色電源”，為當今電動車發展最具現實應用性的首選二次電源。

納米晶稀土合金磁粉

納米晶稀土合金磁粉產業化，是採用國際先進的、擁有自主知識產權的大功率高頻電磁振盪霧化速凝制粉新技術和新工藝，建成高產量納米晶稀土合金磁粉生產線。結構晶粒度達幾十納米，可大幅度降低氧含量，提高磁性能和耐腐蝕性，並能降低生產成本，使磁粉具有優良的性能價格比。

本專案的技術特點和創新性是：

1.自行設計了大功率高頻振盪霧化高熔點金屬速凝制粉裝置，並採用相關的工藝，來製備納米晶稀土合金磁粉。

2.生產納米晶稀土合金瓷粉不需要機械研磨，比需要高純原料合金粉粒度可達1微米，粉粒結構粒度可達10um。大幅度提高了磁粉的性能。

3.用該磁粉製作磁體，無需在無氧條件下壓型和燒結，在低氧條件下也可操作。

稀土超磁致伸縮材料

新型功能材料，主要是指鋱鏑鐵磁致伸縮合金（Terfenol-D），具有比傳統的磁致伸縮材料和壓電陶瓷高幾十倍的伸縮性能，故被稱作超磁致伸縮材料。其機械回應快、功率密度高，尺寸的變化大，使電-機械轉換技術獲得突破性進展，開闢了磁致伸縮材料的新時代。廣泛應用於聲納、燃料噴射、液體閥門、驅動器等精密控制、太空望遠鏡的調節機構和飛機機翼調節器等領域，是一種具有廣闊發展前景的稀土功能材料，對發展尖端科學、軍事技術及傳統產業的現代化將產生重要作用。

稀土電熱材料

鉻酸鑭（LaCrO3）是一種新型功能材料，可用作氧化氣氛中高溫電爐發熱體，可以在1500~1800℃高溫下長時間使用，電阻變化小於5%，具有良好的抗腐蝕和化學穩定性，易於實現精確控溫，1750℃以下使用超過4000小時。主要用於精密陶瓷燒結、高溫單晶材料製備、材料高溫性能測量、寶石變色處理等方面。在燃料電池、熱敏電阻、高溫導電塗層及光催化等領域具有很好發展前景。

稀土在石油化工中的應用

稀土可用做許多無機和有機化學反應的催化劑。用於催化裂化精煉原油，可顯著提高輕質油的產率。石油直接蒸餾僅得到15%～20%的汽油，而加稀土催化裂化取得的汽油可達原油的80%。稀土催化還用於機動車尾氣淨化、合成橡膠、油漆催幹、塑膠穩定劑及稀土高分子材料等眾多領域。


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稀土對有色金屬材料的有益影響在鎂合金中是最為明顯的。不僅構成了Mg-RE合金系，而且對Mg-Al，Mg-Zn等合金系均有著十分顯著的影響。其主要作用有如下幾個方面：

1．細化晶粒

適當含量的稀土，可以細化鎂及鎂合金晶粒。首先是細化鑄造組織的晶粒。稀土元素細化鎂合金鑄造組織的機理不是異質形核的作用。稀土元素對鎂及鎂合金晶粒細化的機理是結晶前沿過冷度的增大。其次是在熱加工過程和退火過程中阻礙再結晶和晶粒長大。

2．淨化熔體

稀土元素與癢的親和力大於鎂與氧的親和力，因此可與熔體中的Mgo和其他氧化物反應生成稀土氧化物而沉澱，從而去除氧化夾雜。與熔體中的氫和水汽發生反應，生成氰化物或稀土氧化物，達到去氧的目的。同時還可以增加熔體的流動性和減少鑄件的縮松，提高緻密性。

3．提高室溫合金強度

多數稀土元素在鎂中有較大的固溶度，並且隨溫度降低固溶度有明顯變化，因此稀土元素除固溶強化外，還是鎂合金有效的時效強化元素，一些稀土化合物還有彌散強化作用。

4．提高合金力學性能的熱穩定性

稀土元素是提高鎂合金耐熱的最有效的合金化元素，能顯著的提高Mg合金高溫強度和高溫蠕變抗力，其原因是多方面的：稀土在鎂中擴散係數小，可減慢再結晶過程和提高再結晶溫度，增加時效效果和脫溶相的熱穩定性，高熔點的稀土化合物釘紮晶界，阻礙位錯運動，提高高溫蠕變抗力。

5．提高合金耐蝕性能

由於淨化了熔體，減小雜質鐵等的有害影響，從而提高耐蝕性能。


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稀土在冶金工業中的應用

稀土在冶金領域應用已有30多年的歷史，目前已形成了較為成熟的技術與工藝，稀土在鋼鐵、有色金屬中的應用，是一個量大面廣的領域，有廣闊的前景，對國民經濟建設具有重要意義。

一、稀土在鋼中的應用

稀土在鋼中的應用有近30年的歷史，經過對稀土金屬在鋼中作用規律和機理的研究，搞清楚了稀土在鋼中的作用；通過添加工藝方法的實驗研究，掌握了稀土加入的工藝條件、添加稀土金屬的品種和加入量。至八十年代末期，稀土在鋼中的應用已沒有技術方面的障礙。我國稀土鋼產量從1985年的11萬噸增長到1997 年的近60萬噸，品種80多個。僅武鋼一家，“八五”期間就生產了160萬噸稀土鋼，創造經濟效益3.2億元，社會效益18.3億元，節約外匯5000萬 美元。

稀土加入鋼中，可起到去氧、脫硫、改變夾雜物形態等淨化和變質作用，在某些鋼中還能有微合金化的作用，稀土能夠提高鋼的抗氧化能力，高溫強度和塑性、疲勞壽命、耐腐蝕性及抗裂性等。

稀土加入鋼中的主要作用淨化作用：鋼中加入稀土，可以置換鋼中可能生成的硫化錳、氧化鋁和矽鋁酸鹽夾雜物中的氧與硫，形成稀土化合物。這些化合物中有部分從鋼液中上浮進入渣中，從而使鋼液中的夾雜物減少，鋼液得到淨化，這就是稀土對鋼的淨化作用。

細化組織：由於稀土在鋼中同夾雜物反應生成的稀土化合物熔點較高，在鋼液凝固前析出，這些細小的質點，可作為非均質形核中心，降低結晶過程的過冷度，因此，不但可以減少偏析還可細化鋼的凝固組織。

對夾雜物的形態控制：鋼中加入稀土後，硫化錳將被在高溫塑性變形能力較小的稀土氧化物或硫化物取代，這些化合物在軋製過程中不隨鋼一起變形，仍保持為球狀，它們對鋼的機械性能影響較小，所以鋼中加入稀土可以提高鋼的韌性，改善鋼的抗疲勞性能。

在耐大氣腐蝕鋼中加入稀土，使鋼的內鏽層緻密，而且與基體的結合力變強，不易脫離，可以阻止大氣中O2和H2O的擴散，從而降低了腐蝕速度，加稀土的鋼的 耐腐蝕性比不加稀土的鋼提高0.3～2.4倍。在MnNb系低合金高強度鋼中加入稀土可以顯著改善鋼的冷彎性能、衝擊性能、低溫衝擊性和耐磨性，大大改善了鋼的加工性能並提高其使用壽命。在鐵路鋼軌中加入稀土，可顯著提高鋼軌的耐磨性、抗剝離性，經多年使用證明鋼軌壽命提高1.5倍。

2．我國主要稀土鋼種

我國稀土處理鋼有80多個牌號，年生產總量60萬噸。但大量應用稀土的鋼種只有十幾種，主要鋼種包括銅磷系耐大氣腐蝕鋼、錳鈮系列低合金高強度鋼、X系管線鋼、鈮稀土重軌鋼，此外還有齒輪鋼、軸承鋼、彈簧鋼、模具鋼、工程機械用鋼、低碳微合金深沖鋼、不銹鋼和耐熱鋼等。耐蝕低合金鋼，經過稀土處理耐蝕率提高近10倍。用它製成的耐候貨車使用壽命提高1倍，返廠進行大修的 週期由6年延長至10年。1988年武鋼生產了18萬噸09CuPTiRE鋼，可製造車皮2萬輛，直接獲利潤4383萬元，噸鋼利潤為243元，節省車皮 的維修費用1.7億元，而二次效益（用戶效益）為944元/噸鋼。

目前稀土鋼新品種的開發，取得了重大成績。包鋼、北京鋼鐵研究總院、鐵道部科研院聯合研製的稀土鈮重軌，耐磨壽命比 U74、U71Mn重軌提高50%以上，1997年通過了冶金部和鐵道部的聯合鑒定，成為我國重軌的主要升級換代產品。另外，經二年的鋪軌試驗，攀鋼和武 鋼生產的加稀土的管線鋼，性能優異受到了石油部門的青睞。目前我國主要稀土鋼種用途及生產廠家見表1。

表1 我國主要稀土鋼種

3．鋼中加入稀土的主要方法

鋼中稀土加入方法以喂絲法為主，其次是稀土金屬棒吊掛法，包內加入稀土矽鐵合金法及包內喂入稀土矽鐵合金包芯線法。各廠因鋼種、澆鑄工藝和設備不同選擇合適的方法。

在稀土喂絲機的研製方面，包鋼稀土研究院和武鋼二煉鋼廠等單位取得了長足的進步。稀土絲、棒和稀土矽化物合金、稀土矽鐵包芯線產品較好地滿足了各鋼廠生產稀土鋼的需要。鋼中加稀土的設備不但投資少，而且還能獲得明顯的經濟效益和社會效益。以喂絲法為例，一台喂絲機僅5萬元，稀土加入量噸鋼費用不超過40 元，而效果卻是事半功倍，能使鋼材的橫向衝擊韌性提高一倍，改善熱加工性能，從而提高成材率。

4．稀土鋼的發展趨勢

最近國家冶金工業局制定了稀土在鋼冶煉中的應用近期目標和遠景規劃，預計到2000年稀土處理鋼產量將達到300 萬噸，保守估計1999年全國各類稀土鋼產量將達到90～150萬噸，稀土應用量將達到500～850 噸，將超過1998年的1.3～2.3倍。1991～1997年稀土在鋼中消費量見表2。

表2 1991～1997年我國稀土在鋼中消費量（REO，噸）

二、稀土在鑄鐵中的應用

鑄鐵是高碳矽鐵合金的通稱，其碳含量在1.8～4.5之間，鑄鐵以碳在合金中的分佈狀態可分為灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、珠光體鑄鐵、可鍛鑄鐵和白口鐵。我國 從60年代中期開始研究稀土與鐵的作用機理和處理工藝，先後解決了稀土球化劑、孕育劑的冶煉製備、稀土加入方法等問題。目前稀土處理的鑄鐵主要分三大類：球鐵件、蠕鐵件和高強灰鑄鐵件以及稀土處理的合金鑄鐵件。

稀土加入鑄鐵中的主要作用

變質作用：突出表現為使片狀石墨變成球狀石墨。石墨球化可以減少應力集中，並細化鑄態組織，改善非金屬夾雜物的形狀和分佈，有利於材質性能的提高，因而稀土球鐵具有高於灰鑄鐵的機械性能，其抗震性、耐磨性和切削加工性能比鋼還好。

淨化作用：鐵水中經常含有氧、硫等有害雜質，這些雜質會使鑄件產生氣孔、裂縫，並形成夾渣，使材質的強度、韌性和塑性降低。而稀土元素與硫、氧的結合能力強，生成難熔化合物，在鐵水中能起脫硫除氧作用。同時稀土還能消除鐵水中有害元素如Pb、Zn、Bi等的不良影響

改善鑄造性能：稀土加入鐵水中能顯著的提高鐵水的流動性，並減少偏析和熱裂等鑄造缺陷。

2．稀土鑄鐵發展現狀

目前，我國年生產稀土鑄鐵約150萬噸，其中球鐵管30萬噸。稀土在鑄鐵中的消費量占我國稀土消費總量的25%。1991～1997年稀土在鑄鐵中的用量見表3。

表3 1991～1997年稀土在鑄鐵中用量（REO，噸）

稀土鑄鐵主要應用於冶金行業的軋輥、鋼錠模；汽車及拖拉機行業的曲軸、氣缸體、變速箱、履帶；機械行業的各種齒輪、凸輪軸、各種機座；建築行業的各種口徑的輸水、氣的管線和暖氣片。我國稀土鑄鐵的產量自1993年以來均以9%的年增長速度遞增，1998年產量在110萬噸左右，其稀土用量為3800噸，占 國內稀土總用量的1/4左右，已成為國內稀土應用最大的領域。

三、稀土在有色金屬中的應用

1．稀土加入到有色金屬中的主要作用

稀土具有很高的化學活性和較大的原子半徑，加入到有色金屬及其合金中，可細化晶粒、防止偏析、除氣、除雜和淨化以及改善金相組織等作用，從而達到改善機械性能、物理性能和加工性能等綜合目的。

由於稀土金屬的淨化、調質作用，對這些有色金屬都能起到細化晶粒，提高再結晶溫度，從而對鑄造合金能顯著地改善工藝性能，對變型合金能顯著地提高加工性能；對鎳、鈷基的耐熱合金能提高抗氧化和抗高溫腐蝕的能力，對超硬合金可以改善韌性和耐磨性。這些性能的改善，都顯著地提高了生產企業及使用單位的經濟效 益，並能為國家減少這些寶貴資源的消耗。

2．稀土在有色金屬中的應用

（1）稀土在鋁電線、電纜中的應用

目前我國的稀土 鋁導線主要有高強度稀土鋁合金電纜，成份為Al-Mg-Si-RE，用於高壓輸電線路，它的抗拉強度達到26ｋg/mm2，弧垂性能和彎曲性能好，使用壽 命長。高導電鋁電線，成份為Al-RE，稀土的加入量為0.15～0.3%。在較高溫度下（＜150℃）使用的高導電稀土鋁導線其成份為Al-Zr- RE，其載流量為純鋁線的1.6～2.0倍，用作大電流導線。每年生產的稀土鋁電纜、電線不僅滿足國內市場的需求，還大量出口，經濟效益顯著。稀土鋁高導 電電線和稀土鋁合金電纜線產量預計1999年將達到50萬噸左右，稀土消費量在1000噸左右。

（2）6063稀土鋁合金及應用

這是一種最常用的變形合金，多用於工業和民用建築，其成 份（%）為Mg0.67～0.70，Si0.45～0.48，Fe0.20～0.21，餘為鋁。在該合金熔煉過程中加入0.20～0.25%的稀土金屬， 抗拉強度提高24%，擠壓速度提高0.5倍，成材率提高3%，並改善了表面品質。增加了耐蝕性和著色性。另外還有添加稀土的Al-Si- M(M=Cu,Mg,Mn)合金用於製造汽缸缸體和活塞。

（3）稀土鋅鋁熱鍍合金

為防止鋼材腐蝕，通常用Zn-Al熱鍍合金（Galfan）比鍍 鋅具有更好的加工成形性和耐腐蝕性，但鋅耗較高，耐蝕性也有待改善。近年Zn-Al-Mg-RE熱鍍合金開發成功並投入生產。這種稀土熱鍍合金的流動性、 耐蝕性、鍍層的形成性能都優於鋅和Zn-Al合金。

（4）稀土銅耐磨合金

一般軸瓦材料用錫青銅（即巴氏合金），但價格較貴。稀土耐磨鉛青銅合金（RPH）的使用壽命是巴氏合金的1.5倍，而噸成本比後者又降低了5000～6000元。目前已在紡織機械中使用。

（5）稀土硬質合金

硬質合金用於金屬切削、鑽頭、模具等方面，其硬度大、強度高，但抗彎性差、易打損。稀土添加劑同粘結劑與硬質相WC、TiC一起球磨鈦，製備硬質合金原料粉，再經壓型燒結工藝過程生產的硬質合金，抗彎強度提高約15%，硬度提高0.5RHA，使用壽命提高一倍以上。

（6）稀土鎂合金

稀土鎂合金比強度高，對減輕飛機重量，提高戰術性能具有廣泛的應用前景。中國航空工業總公司研製的稀土鎂合金包括鑄造鎂合金及變形鎂合金約有10個牌號， 很多牌號已用於生產，品質穩定。稀土元素在鎂合金中溶解度大，因而有明顯的熱處理強化作用。在鑄造和變型鎂合金中加入金屬釹、釔顯著地提高強度和工藝性能。目前已工業生產的鑄造鎂合金有ZM2、ZM4、ZM6；變型稀土鎂合金有BM6、BM25。另外稀土鎂合金在醫學工程上的應用也在研究中，目前該材料正在做醫學生物實驗，有望用稀土鎂合金作為人工骨接材料代替現用金屬夾具，減少病人第二次取出夾具的手術，這又將開闢稀土鎂合金一個新的廣闊的應用天地。

3．稀土在有色金屬中的應用發展現狀

稀土在有色金屬及合金中應用開發潛力大，但開發的深度 和廣度不夠。目前稀土在有色金屬及其合金中應用研究表明，對加入稀土元素有明顯效果的有鋁、銅、鎂、鈦、鉬、鎳、鈷、鉭、鈮及鉑族金屬等，稀土金屬在這些有色金屬及合金中的添加量通常不少於0.5%，但產生的效果極為顯著。

目前除稀土在鋁導線和少部分鋁合金上的應用開發達到工業化規模外，在其他有色金屬及合金中的應用，還未達到工業規模。我國生產的稀土鋁電纜年產約30萬噸，稀土在有色金屬中的用量呈逐年遞增的趨勢，1991～1997年我國稀土在有色金屬中的用量見表4。

表4 1991～1997年我國稀土在有色金屬中的用量（REO，噸）

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高價稀土帶來的“陣痛”時過兩年仍深深地影響著稀土產業鏈。昨天在四川成都舉行的2013第三屆中國稀土市場研討會上，稀土下游應用企業叫苦不迭：為了降低成本，同行大量使用替代品，結果產品品質在下降，可企業開工率仍然低至五六成。稀土產業鏈再次陷入困局。

困局：下游需求縮水拖累上游

稀土產業鏈此次困局源於2011年稀土天價。以氧化釹為例，2011年，在短短七個月內，它的價格從年初的每噸20萬直線漲至最高147萬元/噸；而以前，它的價格主要在10～20萬元上下徘徊。

稀土是優異的磁性材料、發光材料和儲氫材料。稀土價格高漲使下游企業難以承受，紛紛尋找替代品。以佔據稀土拋光粉大半江山的浙江浦江為例，稀土價格暴漲之前，浦江市場用於水晶水磚加工所需的稀土拋光粉，一年就耗用6000噸以上，稀土拋光粉價格過快上漲後，浦江製作光碟時大量加入其他非稀土材料如氧化鋁等，現在浦江稀土拋光粉的用量已經萎縮至每月200噸左右，即一年用量不及鼎盛時的一半。

海外同樣如此，自2005年實施配額制以來，我國每年實際出口量與出口配額基本持平，但是2011年稀土實際出口量只占到配額的53%；2012年也有將近一半稀土出口配額沒有用完。前來參會的日本弘前大學人文學部教授黃孝春博士告訴記者，日本正在減少使用稀土或尋找替代品，因而稀土需求量有所下降。天價稀土給走私商騰挪了空間。專家透露，通過走私出口的稀土總量甚至超過正常出口總量。

稀土開採、分離企業已經嘗到了天價的苦果：氧化釹的價格兩年間已經回落到40萬元/噸；同時銷量大幅萎縮。下游企業仍然過著苦日子：2012年，中國釹鐵硼企業開工率低於60%，產量下降一半左右；稀土發光材料總產量下降達50%。需求萎縮使供需失衡。專家資料顯示，目前，稀土冶煉分離產量是9.69萬噸，產能32萬噸；下游永磁材料產量是9萬噸，產能25萬噸。產能過剩均在3倍左右。

中國稀土學會副秘書長張安文將一生都獻給了稀土事業。他在會上感歎，這幾年來(我們)最大不快就是企業不吸取歷史教訓，實行無管束價格，影響了下游產品。他提示企業要敬畏市場，而不是一味強調中國儲量第一，產量第一。

略感欣慰的是，熟知內情的專家透露，日本尋找稀土替代品的結果並不樂觀，除了個別品種可以降低使用量外，其他用替找的方法都會影響產品品質，因而在消耗掉前期庫存後，海外對稀土的需求會有所上升。

變局：海外稀土開發恢復

由於稀土價格長期低迷，2008年，全球稀土供應中，95%左右來自中國。2011年稀土出口供不應求和價格大幅上漲，激發了全球主要稀土資源國前所未有開發動力，國際稀土產業開始恢復。美國、澳大利亞、馬來西亞、越南甚至南非都加入了稀土開發行列。

張安文副秘書長提供的資料顯示，目前中國以外的稀土生產廠商產能是9500～11000噸，2013年產量將達到2.49萬噸，2015年目標產量是6.3萬噸。如美國鉬公司現產量3000噸，2015年目標產能4萬噸。

屆時，中國將結束稀土供應市場上一枝獨秀局面。因為，2012年、2013年中國稀土開採指令性計劃約在9萬噸左右；且中國稀土產能或維持在9～10萬噸。分析人士認為，中國現有稀土分離能力數倍於需求，如果海外稀土礦山按計劃投產，稀土冶煉將嚴重供過於求。屆時，輕稀土價格首當其衝受衝擊，重稀土則因資源有限供應仍會短缺。

一旦產能嚴重過剩預期兌現，中國自身消化能力值得關注。而稀土下游應用一直是中國弱項。張安文認為，中國企業應該破解生存難題，在下游應用上下功夫。據悉，中國稀土功能材料生產裝備的大型化、精密程度、自動化水準與國外有很大差距，後加工及處理裝備水準有待提高，不少稀土應用的元器件長期依賴進口。


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