锗的用途及应用领域

2020-04-23 浏览次数:46

锗是重要的半导体材料,在半导体、航空航天测控、核物理探测、光纤通讯、红外光学、太阳能电池、化学催化剂、生物医学等领域都有广泛而重要的应用。根据美国地质调查局数据显示(2015)全球锗终端用户所占比例如下:纤维光纤30%;红外光纤20%;聚合催化剂20%;电子和太阳能器件15%和其他(荧光粉、冶金、和化疗)15%。

掺锗光纤具有容量大、光损小、色散低、传输距离长及不受环境干扰等优良特性,是目前唯一可以工程化应用的光纤,是光通讯网络的主体,此外,GeCl4也用于高速光纤网,链路,光纤传感器,光纤制导及光纤系留装置等,近年来发展迅速。

锗作为红外光学材料,具有红外折射率高,红外透过波段范围宽,吸收系数小、色散率低、易加工、闪光及腐蚀等优点,特别适用于军工及重大民用中的热成像仪与红外雷达及其他红外光学装置的窗口、透镜、棱镜与滤光片的材料;高纯锗或锗锂用于天文学的γ-谱仪,核反应能谱仪及等离子物理X-射线仪;Si-Ge10与掺汞、镉、铜与镓的锗单晶用于红外探测器。
聚合催化剂
二氧化锗(GeO2)是生产聚对笨二甲酸乙二醇酯(PET)的催化剂,具有长纤维,由其制备的饮料与食用液体的各式容器,无毒、透明且气密性好。

锗半导体器件用作二极管、晶体三极管及复合晶体管、锗半导体光电器件作光电、霍耳及压阻效应的传感器,作光电导效应的放射线检测器等,广泛用于彩电、电脑、电话及高频设备中,锗管特别适用于高频大功率器件中,且在强辐射与-40℃下运转正常;Ge-Si与Ge-Te作温差发电用于宇航、卫星与空间站的启动电源等。
锗在半导体器件上的应用已大部分被硅取代,仅在高频大功率器件上有一定用量,其他以光电雪崩二极管用量较大。
用锗作为衬底制作的GaAs/Ge太阳能电池,其性能与GaAs/GaAs电池接近,机械强度要更高,单片电池面积更大。在空间应用环境下,抗辐射阈值比硅电池高,性能衰退小,其应用成本接近于同样功率的硅电池板,已应用于各型军用卫星和部分商业卫星中,逐步成为主要的空间电源。

锗用于医药,如Ge-132[β-羧乙基锗倍半氧化物-(GeCH2CH2COOH)2O3]临床应用于防治癌症。BGO作X-射线、CT-仪、PCT-仪,用于诊断肿瘤及骨骼结构与组织坏死等。锗化合物及其有机化合物可作牙膏与高效止痛膏等。
锗还应用于冶金、荧光粉等其它领域。

锗的产业链如下图所示:
锗的产业链
锗产业链包括上游的资源提炼、中游的提纯和深加工以及下游红外、光纤等方面的高端应用。
从技术难度上来看,上游的提炼壁垒最低,但环保压力最大;中间环节的深加工技术难度大,高纯锗的制备工艺要求高,也是产业链中利润较为丰厚的部分;下游的应用由于涉及领域广,技术进步快,保持持续高盈利较难,行业波动大。目前锗产业的核心仍在中下游的深加工和应用,若是主要资源大国政策加码导致产量收缩,锗资源将会成为产业发展至关重要的因素。
行业供给端市场分析
1.锗供应出现增速下滑态势
锗资源极分散地存在于多种矿物及岩石中,世界上大多数锗生产企业都是从铅锌冶炼过程中提取锗,大约有30%来自回收部分,因此锗的产量增长受铅锌矿的生产规模及铅锌的含锗品位限制。而当前铅锌行业下游需求疲软,铅锌库存不断上升,铅锌价格低迷,导致全球铅锌产量增速出现下滑,中国2012年11月铅锌产量甚至出现负增长,锗供应出现增速下滑态势。
2.企业数量少,且各有所长,竞争相对缓和
整体来看,国际上专注于金属锗行业的大厂商并不多,产品主要集中于金属锗行业的深加工领域。目前全球领先的金属锗行业企业是比利时的优美科公司(umicore),全球产量较大的企业还有中锗科技、云南锗业,加拿大的Teck Cominco,俄罗斯的Fuse、GEAPP,德国的Photonic Sense,美国的AXT等。从中下游产品的生产来看,集中度更高些,主要生产企业为umicore、德国的Photonic Sense、美国的AXT、俄罗斯的GEAPP,中国的中锗科技、国晶辉、北方红外。从产量上来看,国内涉锗企业的规模不算小,但高附加值锗产品与国外企业的差距仍然非常大,如光纤级四氯化锗、大尺寸低位错锗单晶等产品,另外,国内后端应用(除光纤)发展相对滞后,导致国内企业的深加工主要以出口为主,国内企业的竞争力仍需提高。
行业下游市场分析
1.需求稳定增长:锗主要应用于光纤、PET 催化剂、红外光学及太阳能电池等领域。近年来红外光学和太阳能电池占据着越来越重要的地位。太阳能、红外光学、光纤等对锗需求均稳定增长。
2.光纤需求回暖成为锗消费主要增长点。锗在光纤通信领域主要起光纤掺杂和光电转换的作用,是其他长波光纤材料无法替代的战略性光信息材料。一般多模光纤消耗四氯化锗量为10g/km,单模光纤消耗四氯化锗量为2g/km。光纤用锗占全球锗总需求的30%。
3. 太阳能电池需求分析
锗在太阳能电池中的作用:a、在砷化镓电池的衬底材料,延长使用效用。b、在第二代的硅基薄膜中,锗作为硅锗合金使用,降低成本。大约1GW硅基薄膜需金属锗30-50吨。
4. 红外光学锗潜在需求大:总规模538吨年均77吨
军用领域潜在锗需求量为258吨。我国现有军队规模约230万人,如果未来我军人均红外热像仪数为0.1台/人(美国海湾战争中人均配为1.7台/人)且机载红外需求达到陆军需求的60%,则我国军用红外热像仪的需求量为36.8万台,按每台锗需求量700克计算,军用领域潜在锗需求量为258吨。
民用领域潜在锗需求量为280吨。在国外,红外热像仪在预防检测、制程控制、消防、安防及夜视等领域得到了广泛的应用,例如在欧美红外热像仪已经成为部分奥迪、宝马车型的标配。随着技术的发展及人们对红外热像仪特性的理解,我国红外热像仪的民用领域也将逐步拓宽。据估计国内民用红外热像仪潜在需求量为94万台,锗潜在需求量为280吨。
上述潜在市场规模为存量市场,以红外热像产品更换周期6~8年测算,则年均市场锗需求规模为77吨。
红外光学应用领域将是未来锗需求的最主要增长点,代表着锗未来增长方向。从美国锗应用数据来看,美国锗红外光学应用占比高达50%,而世界平均水平仅为25%,美国红外光学应用占比是全球平均水平的2 倍,全球红外光学应用占比有望不断提升的趋势。

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