前言

镓(Ga)属于IIIA族稀散金属元素(原子序数为31)，主要赋存价态为Ga⁺、Ga²⁺和Ga³⁺，其中Ga³⁺最为稳定，镓密度5.904 g/cm³，熔点和沸点分别为29.78 ℃和2 403 ℃，具有高沸点、低熔点、低蒸气压、反常膨胀等特点，是液态范围最大的金属^[1]。镓化合物(GaAs、GaN和Ga₂O₃)被广泛应用于无线通信、化学工业、医疗设备、太阳能电池和航空航天等众多领域，被称为“半导体工业的新粮食”^[2]。

镓性质与Zn、Al相似，具有亲S、亲石和亲Fe的地球化学性质。由于Ga元素在地壳中品位为15 × 10^-6，属于极分散元素，无独立矿物，易与Al³⁺、Zn²⁺、Cr³⁺、Fe³⁺以类质同象形式置换在其他矿物(硫镓铜矿、羟镓石、莫来石和叶白岩)中^[3]。赋存镓元素的矿物有硅酸盐矿物和硫化物：黄铁矿、闪锌矿、锗石、磷灰石、霞石、角闪石、黑云母、十字石和堇青石等。更为重要的是，铝土矿和煤也是镓元素赋存的主要介质^[4]。据不完全统计，全球50%以上镓来自铝土矿床，小于40%的镓来自于富镓的Pb-Zn硫化物矿床、煤和明矾石矿床^[5]。

镓是重要战略资源，卫星通讯、太阳能电池、半导体和人工智能等科技前缘产品的研发和生产都离不开镓。美国将镓列为35种关键矿产目录，欧盟将其列入61种关键原材料目录。本文通过对全球镓的资源分布情况，预测发展趋势，并提出合理化建议，为国家资源决策提供一定的技术支撑。

1 镓资源分布特征 1.1 全球镓资源储量分布

全球镓的金属储量约为23万t，其中中国镓金属储量19万t、美国0.45万t、南美洲1.14万t、非洲5.39万t和欧洲1.95万t^[6]。

据统计全球镓远景储量超100万t^[6]，其中伴生在铝土矿中的镓资源约100万t，主要分布在非洲、大洋洲、南美洲(含加勒比)、亚洲和其他地区^[7]，所占比重分别为32%、23%、21%、18%和6%，如中国豫西铝土矿矿床。伴生在Pb-Zn矿中的镓资源量约19万t，主要分布于北美中部；涉及国家有美国、加拿大、意大利、波兰、奥地利等，典型矿床为美国三州(Tri State)矿床、上密西西比(Upper Mississippi)矿床等(表 1和图 1)；富镓的沉积型多金属矿床多分布在非洲和北美洲等地，如墨西哥的Tizapa矿床(图 1和表 2)。

1.2 中国镓资源分布特征

截至2014年，我国镓金属储量为18.4~19.55万t^[10]，基础储量32.67万t。镓资源分布内蒙古、四川、广西，所占比重分别为79%、8%和3%，其它省份占10%。其中内蒙古镓主要伴生在煤矿中，四川镓主要伴生在攀枝花铁矿中，广西镓主要伴生在铝土矿中。我国镓矿床类型多样，成因复杂。部分学者将含镓矿床划分为岩浆矿床、伟晶岩矿床、气成-热液矿床、热液矿床、风化矿床和沉积矿床等6种类型^[11-12]。然而，镓做为典型的分散稀有金属，按其赋存介质划分类型更有意义。就赋存介质而言，我国镓资源主要赋存在煤矿、岩浆型钒钛磁铁矿、沉积型铝土矿中以及少量斑岩型Cu-Mo矿中。其各自矿化特征如下：

(1) 沉积铝土矿型镓矿石的品质以广西最好，矿石Ga品位在3 000×10^-6~8 700×10^-6之间，平均品位为5 500×10^{-6 [13]}；此外，沉积铝土矿型Ga矿在河南和山西也有分布，品位一般位于4 000×10^-6~15 000×10^-6之间^[13-14]。

(2) 富镓煤矿分布范围广泛，主要赋存在我国北方和四川盆地，以内蒙古和山西最为典型，主要涉及7个成矿带：二连-海拉尔、天山、阴山南麓、太行山东、祁连-秦岭、四川盆地和川滇黔成矿带^[15]，典型矿床主要为五一煤矿、红旗煤矿等。主要特征为储量大、品位变化和经济开发价值变化大，目前经济开发利用价值小。

(3) 在岩浆型钒钛磁铁矿中伴生的镓矿石主要分布在四川攀枝花，矿石镓品位在1 400×10^-6~2 800×10^-6之间，均值为1 900×10^-6，选矿后精矿中镓含量更为富集，平均品位达到5 200×10^-6。攀枝花钒钛磁铁矿中镓储量巨大，镓金属量总计达9.24万t，占全国储量约50% ^[16]。

综上所述，我国镓矿的分布特征主要为：(1)我国探明镓矿资源储量大，占全球储量的85%，是我国优势的稀散金属资源；(2)我国镓矿多为伴生矿床，其成因类型齐全、矿床数量众多，赋存方式多样，分布区域广；(3)富镓铝土矿和钒钛磁铁矿是提取镓资源的主要来源，其开采价值和经济价值高；(4)我国煤矿赋存有丰富的镓矿资源，但开发利用价值小。

2 镓产品生产现状 2.1 全球主要镓矿企业

目前，生产镓产品主要有原生镓与再生镓^[17]，根据产品品质的不同，原生镓分为粗镓与精镓。据最新数据统计，全球共有30余镓企业生产粗镓，主要分布在中国、日本、乌克兰、哈萨克斯坦和加拿大等国，其中中国出产粗镓产量约为470 t，占全球产量的83%。生产粗镓的企业主要为有色金属冶炼厂和大型氧化铝厂，如中国的中国铝业股份有限公司，乌克兰尼古拉耶夫铝厂(Nikolaev Alumina Refìner)，哈萨克斯坦的巴甫洛达铝厂(Pavlodar Alumina Plant)等。全球精镓的主要生产企业分布在日本和美国。主要有日本同和矿业和美国世界镓股份有限公司(GEO Specialty Chemicals, Inc)等。再生镓的生产国家主要是美国和日本。日本再生镓的主要生产公司主要有住友化学株式会社(Sumitomo Chemical Ltd.)和拉莎工业株式会社(Rasa Industries, Ltd.)等(表 3)。

2.2 全球镓生产现状

2018年，全球精镓产量达205 t，精镓主要生产国为日本和美国，加拿大、中国也有产出。2005—2012年金属精镓提取工艺不断进步，随着全球通信和半导体需求量增加，使全球精镓产量逐年增加，2012年精镓产量达到顶峰354 t，随后开始下滑，截至2017年，产量为180 t，下滑近50%，2018年全球精镓产量稍有回升。

根据欧盟统计(2016年)全球粗镓产量达到450~600 t，主要生产国为中国(400~500 t)、德国(25~40 t)、哈萨克斯坦(25 t)、俄罗斯(5~10 t)等国家，分别占全球粗镓总产量的83%、6%、4%和1%，其他国家占6%。

镓产品种类、产能和产量的变化趋势为：

(1) 2005—2014年间粗镓产量持续增长，2014年全球粗镓突破440 t，致使全球镓市场供过于求，哈萨克斯坦和德国分别于2013年和2016年被迫停产。2016年，由于中国政府加强了供给侧改革，使粗镓的产量迅速下降，2017年，全球粗镓产量回落到315 t(图 2a)。与此同时，粗镓产能与产量变化趋势基本一致。2004—2012年，全球粗镓产能迅速上升，由160 t增加至730 t，增量为350%(图 2b)。自2016年以来，其产能基本维持在730 t。

(2) 2005—2012年，精镓产量迅速增长，2012年全球精镓突破350 t，随后全球精镓产量大幅度下降，2017年回落到180 t，降幅为49%，主要原因是市场精镓需求量低，全球精镓产量过剩，2018年精镓产量小幅度提升。精镓产能增长缓慢，2005—2011年持续增长达到320 t，2012年下降了15%，近年来起伏不定，在230~320 t之间徘徊(图 2a和b)。

(3) 再生镓呈现出日益重要的地位。加拿大、德国、日本、英国及美国是镓资源的主要回收国。随着提取工艺的不断成熟，镓的回收水平也逐渐提升。2009年，镓资源的回收率达到了40%。尽管2009年后全球市场原生镓供应量加大，回收率呈现降低趋势。2016年，全球原生镓产量减少，再生镓回收率再次上升，目前回收率小于40%(图 2a)。

2.3 中国镓生产及出口现状

中国镓矿资源储量和产量均高居世界首位，生产粗镓的矿业公司的产量和产能大，是世界粗镓矿资源主要出口国。就我国消费历史而言，主要分为三个阶段：(1)1990—2000年，我国粗镓资源主要用于出口，国内消费小于10%；(2)2000—2008年，我国粗镓资源产量和产能不断扩大，主要出口美国和日本等发达国家。需要指出的是，由于我国本土企业盲目增加产量，导致国际镓价格下跌。(3)自2009年以来，尽管我国出口镓资源保持了较高的增长态势，高端镓产品的比重在逐年增长，且比例不断升高(图 2c)。

就出口而言，我国是高端镓产品的主要进口国。近年来，由于我国电子产业、LED和光伏电池行业迅速发展，砷化镓、氮化镓和氧化镓等消费量迅速增涨，粗镓资源出口比例有所降低。然而，由于缺乏相关技术，高端精镓产品(高端电子元件)高度依赖进口，尤其是发光二极管的管芯完全依赖于美国和日本的进口。

3 镓产品消费特点 3.1 全球镓产品消费特点

2005—2010年，精镓的市场价格维持在535~600美元/kg之间。2011年，精Ga的价格达到峰值688美元/kg，2011—2015年，精镓的价格持续走低，由600美元/kg下降到317美元/kg。主要原因是全球铝产业迅速扩张和欧美债务危机导致全球经济危机。2016年以来，全球进入“后危机”时期，全球经济呈现出复苏迹象，精镓的需求量加大；同时，我国环保成本加码及经济产业结构不断调整，国内镓供应量有所减少，致使精镓的市场价格呈现短暂上升。然而，2017—2018年，精镓价格迅速回落，价格维持在350美元/kg(图 3)。

2005—2012年，全球粗镓市场价格持续攀升，2012年达到740美元/kg，2012年以来，全球镓产能过剩，使镓价格持续下跌，截至2017年，价格回落至124美元/kg，需要指出的是，2018年粗镓市场价格在持续下降6年后首次上涨(图 3)。

全球镓消费国主要是日本、美国和中国。其中，日本半导体产业发达(图 4a)，年消费量涨幅较大，是镓资源的第一消费大国，截至2013年，日本消耗的镓达到了97 t，主要依赖进口和再生镓(镓资源回收)^{[18, 10]}。美国是继日本之后第二大消费大国，主要应用于集成电路、通信产业和半导体产业(图 4b)，据USGS(2019)统计显示，2015年美国镓资源消费量达到40 t(表 4)。

目前，全球镓需求量在2009—2016年由222 t增长到340 t，粗镓以每年约6%的增速增长，精镓以每年7%的速度增长。预计2020年需求量将达到420 t，消费量最大的产品是砷化镓(GaAs)约为92%，主要应用于智能手机和太阳能电池等领域，近年来我国4G智能手机的普及以及我国清洁能源的发展，砷化镓需求量仍会进一步增长，仍是全球最大消费领域；其次是氮化镓(GaN)约为8%，LED与雷达产业是重要的消费领域，未来15年需求量仍会增长，将成为主要增长点。

3.2 中国镓消费特点

镓资源产业是技术密集和资本密集型产业，其产业链是现代化、国际化和信息化的重要体现。镓产业链分为三部分，第一部分是上游提炼加工过程，开采难度大，资源消耗高；中游深加工技术，只有个别国家掌握此产业链；下游技术应用领域，分布广泛。我国部分矿业公司仍处于镓产业链底端，负责原材料开采，资源浪费量大，资源开采过程中对环境破坏程度高。深加工行业主要国家是美国与日本，生产能力高，对环境破坏能力小。

国内镓资源消费的最初始于高性能磁性材料。近年来，随着我国半导体和信息产业的发展，镓资源在半导体行业的消耗已远远超过了磁性材料方面的消耗。据最新数据显示，我国镓产品以半导体和太阳能产业为主，分别占比78%和10%。此外，其它镓产品包括磁性材料、石油工业催化剂、医疗器械和新材料科研实验，所占比重均小于5%等(图 4c)。

我国镓产品的消费领域如下(图 5)：

(1) 粗镓通过碱液电解，制成氧化镓和镓铝(锡)合金，用于牙科合金、磁体添加剂、电池真空装置的液封、制作高温温度计。

(2) 粗镓通过提纯精炼，制成精镓，并进行物化处理，制作成GaAs、氮化镓、磷化镓、铜铟镓硒矿，可作为Si、Ge掺杂剂或热交换机制，被广泛应用于电子工业、通讯领域等领域，主要镓产品有半导体器件、微波元件(整流器、晶体管、光电器件、二极管、光电探测器等)、太阳能电池材料、集成电路等(图 5)。

GaAs单晶享有“半导体贵族”称号，可制成半绝缘材料和半导体材料两种。前者可制作MESFET、HEMT和HBT结构的电路，应用在雷达、电视广播、微波及毫米波通信、无线通信及光纤通信等领域。后者主要应用在光通信有源器件(LD)、半导体发光二极管(LED)、可见光激光器、近红外激光器、量子大功率激光器和高效太阳能电池等光电子领域(图 5)。

GaN具有高稳定性、高硬度和高熔点等独特的电磁和光学特性，是优良的微波功率晶体管、微电子和光电子器件等原材料，被广泛应用在雷达、军用电子作战系统中，无人驾驶汽车系统、WiFi技术、无线通信基站和5G通信中^[19]。

GaO用于冶金添加剂，乙醇或丁烯脱氢合成H₂O₂的催化剂，高温下NO离解的催化剂，用作高纯分析试剂、电子工业半导体材料制备(图 5)。

3.3 中国镓产品消费趋势

自2015年以来，我国社会经济进入新时代，经济发展呈现中高速增长趋势。国家不断推进“一带一路”“乡村振兴”和“中国制造2025”战略，与镓相关的信息产业、半导体产业、新能源以及军工产业将飞速发展。由于镓资源具有不可代替性，其需求量将会大幅增长。因此，随着我国高端产业的发展，势必带动国内镓产品的产业升级。因此，随着我国高端产业的发展，势必带动国内镓产品的产业升级。此外，美国推行贸易保护主义，实施贸易战，而我国镓产业结构不尽合理，高端镓产品尤为短缺，许多高端镓产品需从美国和日本进口。因此，我国镓产业必须在这一关键时刻勇于创新，推进镓产业结构的优化调整，提高产品质量，参与国际竞争，在高端材料产业中力争占有一席之地。预计未来几年，能拉动镓产品消费的产业如下：

(1) 5G网络+智能手机等信息产业有望带动GaAs和GaN产品的消费。GaAs和GaN产品主要应用于互联网接入、视频播放、APP程序、全球定位系统以及Wi-Fi技术等，且暂无替代品。我国是全球智能手机第一消费大国，市场占比高达70%，且我国移动通讯产品(手机和平板电脑等)每年以10%~18%的幅度增长, 导致对GaAs的需求增加。此外，随着我国5G网络的兴起，GaN可能在未来几年保持16%的增速，因此到2020年砷化镓的销量预计将达到240 t。

(2) GaN等新一代高亮度的发光二极管的出现，推动LED产业更新换代。节能减排成为我国社会共识，我国政府也不断出台激励措施，LED产业方兴未艾。预计2019—2021年，我国LED产业将以每年18%增长率增长。截至2021年底，LED照明市场将达77%。这一行业将推动镓产品的消费。

(3) 随着我国“土十条”等环保法规的出台，促进以Ga-Si为原料的新一代催化剂的研发，并取得了一定的进展。预计未来几年，其在石油炼制和汽车尾气净化等方面得到应用推广, 有望对Ga-Si产品产生新的需求。

(4) 以太阳能和风能为代表的新能源不断优化我国能源的消费。作为第三代太阳能电池原材料，铜铟镓硒具有使用成本低、光电转换率高等优点，铜铟镓硒技术将会最终取代传统的非硅晶电池。

综上所述，赵汀等(2017)通过部门分析预测法，分别对国内2020年不同镓产品消费量进行了预测：预计2020年，我国砷化镓消耗量约250 t。其中，LED芯片消耗100~130 t，太阳能领域铜铟镓硒应用消耗约26 t，其他行业消耗30~40 t(图 6)。未来镓的主要消费领域仍将是移动通讯、LED和太阳能等领域^[17]。

4 结论与思考 4.1 主要结论

通过对全球镓的应用、生产、消费状况的总结及全球消费趋势、方向的预测，主要得出以下结论：

(1) 镓属于分散稀有金属元素，也是全球稀缺金属资源。全球镓金属储量仅23万t。其中我国是全球最大的镓资源产出国，占全球探明资源量80%。由于优良的物化性质，被广泛应用在国防、通讯和医疗领域，先后被美欧等发达国家视为重要原材料或关键矿产目录，同时也是我国战略储备资源之一。

(2) 我国也是全球最大的粗镓产品出口国，其产量和产能多年来位居世界第一位。美、日是我国粗镓产品的主要出口国。由于国内盲目开发粗镓资源，国际价格普遍较低。因此，合理分配我国镓资源在全球市场的份额，并合理对我国镓资源进行储备成为当务之急。

(3) 我国粗镓产品所占比例过高，仍处于镓产业链的底端。我国高端镓产品自主生产能力普遍较低，高度依赖美、日进口。这已成为发达国家控制国际镓矿定价权的重要原因。

(4) 随着全球信息化和高新技术的发展，预计2020年，全球对镓的需求量大于410 t。而我国不断推进“一带一路”“乡村振兴”和“中国制造2025”等战略，必将带动国家高端制造，促进信息、新能源和军工等产业的快速发展。我国镓资源的需求量将大幅增加。预计2020年，我国镓需求量为250 t。

4.2 思考

(1) 优化找矿机制，在抓好镓矿资源勘查开发的同时，尽早建立镓矿的储备资源库。镓是一种稀缺金属资源，在信息、新能源和军事工业等高端产业中具有不可替代的重要地位。进一步加大镓矿的勘查工作，增加我国镓矿资源量。与此同时，由于我国镓产业先前无序扩张，镓金属产业的整体效益下降，甚至失去国际镓矿话语权。因此，规范市场环境，制定镓矿资源开发利用的监管制度，做到适度规模、合理开发。在市场规则基础上协调发展，应有所作为，适当增加企业的库存，建立镓矿的储备资源库。

(2) 科技引领，推动镓上游和下游产业链关键技术的研发应用，实现我国镓产业链协调发展。在勘查开发过程中，提高镓矿资源的回收率和利用率是重中之重，尤为重要的是，加快研发从煤炭提取镓金属的技术。在镓产业链下游，国内企业应加强交流合作，注重吸收国外先进制造工艺，推动精镓产品的研发，增加产品种类和提高产品质量，参与国际竞争，跻身高端材料产业。

(3) 推动镓产业链的生态文明，做到绿色开采、绿色回收。在产业链上游，注重环境效益，实施绿色开采，提高采矿回收率，做到“贫富兼济，颗粒归仓”；与此同时，借鉴“日本经验”，注重再生镓的相关产业。注重回收GaAs废片(屑)、ITO废靶、致冷器件废屑，从中提取再生镓资源，实现产业链镓元素物质流的循环。

致谢

在数据收集和图件绘制过程中，得到张伟波博士和郭襄博士的帮助，在此表示感谢；尤其感谢吴建设教授级高工提出的建设性建议和对文章的修改。