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中国人造金刚石行业潜力巨大

2023-3-1 08:53 收藏邀请

一、人造金刚石的行业发展概况金刚石的化学成分为碳（C），属于碳元素的一种同素异形体，其密度为3.52g/cm³、硬度为莫氏10级，是目前人类已知自然界中最坚硬的物质。金刚石按照成因可分为天然金刚石和人造金刚石。 ...

一、人造金刚石的行业发展概况

金刚石的化学成分为碳（C），属于碳元素的一种同素异形体，其密度为3.52g/cm³、硬度为莫氏10级，是目前人类已知自然界中最坚硬的物质。金刚石按照成因可分为天然金刚石和人造金刚石。

天然金刚石是一种稀有、贵重的非金属矿产，其中质优粒大、可用于制作饰品的宝石级金刚石被称为天然钻石，天然金刚石原生矿主要分布在南非、扎伊尔、博茨瓦纳、俄罗斯、澳大利亚等国，矿藏储量不高且采掘难度较大。天然金刚石矿属于非可再生资源且具有矿藏储量稀少、开采成本高昂以及开采过程对生态环境破坏程度较高等特点，无法被大范围应用于工业领域，因此，全球工业用金刚石主要是人造金刚石。

人造金刚石作为一种先进碳材料，不仅具有超硬、耐磨和抗腐蚀等优异力学特性，还具有其他材料无可比拟的热学、光学、声学、电学和化学等优异性能，属于高效、高精、半永久性、节能、绿色环保型材料，对其他高新技术产业的支撑作用极大，享有“材料之王”的美誉。

随着人造金刚石合成工艺的不断提高，金刚石大单晶中颗粒较大、品质较高的单晶作为培育钻石用于制作钻石类镶嵌饰品或其他时尚消费品而应用于消费领域。培育钻石和天然钻石都是由碳元素形成的晶体，具有相同的化学、物理特性，培育钻石在晶体结构的完整性、透明度、折射率、色散等方面可以与天然钻石相媲美。培育钻石作为钻石行业的新生力量，为喜爱钻石的消费者提供了一项新的选择。随着培育钻石合成技术的不断提高，培育钻石在产品质量、生产成本以及品级、尺寸、颜色、定制化等可控性方面的优势越来越突出，发展潜力巨大。

二、人造金刚石的合成方法

人造金刚石是通过人工模拟天然金刚石结晶条件和生长环境采用科学方法合成出来的金刚石晶体，其合成方法主要为高温高压法（HTHP）和化学气相沉积法（CVD）。

化学气相沉积法（CVD）的发展并非替代高温高压法（HTHP），因为两者采用完全不同的合成原理和合成技术，生产出的产品类型和产品特点也各不相同，主要产业应用也侧重在不同的终端领域。就我国目前人造金刚石行业的实际发展情况而言，主要采用高温高压法（HTHP），在未来相当长的时间内，高温高压法（HTHP）和化学气相沉积法（CVD）将保持共同发展的态势，这是人造金刚石行业的基本特色。

高温高压法（HTHP）自20世纪50年代开始工业化应用，其合成原理是石墨粉在超高温、高压条件及金属触媒粉催化作用下发生相变生长出金刚石晶体，该种方法下合成的人造金刚石主要为颗粒状单晶，合成速度快、单次产量高、具备较好的经济性，其产业化应用主要是利用金刚石超硬、耐磨、抗腐蚀等力学特点制作磨切锯钻等加工工具。1965年我国自主研发的金刚石六面顶压机问世并快速在国内大规模推广使用，人造金刚石产品生产效率和产能产量快速提升，我国很快成为金刚石单晶生产第一大国；近年来，合成压机大型化、粉末触媒技术及高温高压合成工艺进一步奠定了我国在高温高压法下合成金刚石单晶的领先优势，行业内主要金刚石单晶生产商如中南钻石、黄河旋风、豫金刚石、力量钻石等均采用高温高压法（HTHP）。经过半个多世纪的发展，高温高压法技术已经比较成熟，随着合成设备大型化、合成技术工艺不断改善，该方法合成的金刚石单晶在粒度尺寸、晶型完整度、纯净度、强度等方面都取得较大进步；但是受限于高压设备的结构设计，目前合成出的金刚石单晶尺寸相对较小，一定程度上限制了其在功能性材料方面的广泛应用，随着大颗粒单晶合成技术的不断进展，国际上已经有高温高压法合成单粒 100 克拉以上金刚石单晶的研究成果，预计未来会在功能材料应用方面取得一定的突破进展。

化学气相沉积法（CVD）自20世纪80年代开始研究并工业化应用，其合成原理是含碳气体（CH4）和氢气混合物在超高温、低压条件下被激发分解出活性碳原子，通过控制沉积生长条件促使活性碳原子在基体上沉积交互生长成金刚石晶体，该种方法下合成的金刚石主要为片状金刚石，其产业化应用主要是利用金刚石在光、电、磁、声、热等方面的性能优势作为功能性材料应用在新兴产业。

目前，美国、日本、新加坡等国家在化学气相沉积法（CVD）技术研究和产业应用方面取得较多成果，我国虽然从国家层面出台相关行业政策对CVD技术给予较大支持和鼓励，但受现阶段下游应用需求有限、技术研发进度缓慢及先进技术被少数企业垄断等因素影响，化学气相沉积法（CVD）技术研究和产业应用发展速度较为缓慢，截至目前国内在化学气相沉积法（CVD）技术研究和产业应用方面取得突出成果的单位相对较少。

高温高压法（HTHP）和化学气相沉积法（CVD）在合成技术、合成结果和产品应用等方面的特点对比如下表所示：

图表 HTHP法和CVD法的特点对比

由上表可知，高温高压法（HTHP）和化学气相沉积法（CVD）在合成技术、合成结果和产品应用等方面特点差异明显。

由于化学气相沉积法（CVD）在合成金刚石单晶时只能在布有晶种的基板上生长，属于二维生长，且只能生长单层，不适宜合成小颗粒单晶，无法满足工业领域对金刚石单晶的需求，因此在工业应用方面不会替代高温高压法（HTHP）。

在培育钻石合成方面，基于现有技术条件，高温高压法（HTHP）合成培育钻石以塔状为主，生长速度快、成本低、纯净度稍差，但综合效益具有优势，特别是在1-5ct培育钻石合成方面具有明显优势；化学气相沉积法（CVD）合成培育钻石呈板状，颜色不易控制、培育周期长、成本较高，但纯净度高，较适宜5ct以上培育钻石合成。因此，在金刚石单晶合成领域，化学气相沉积法（CVD）不会替代高温高压法（HTHP）；在培育钻石合成领域，两者侧重于不同类型的产品，亦不构成替代关系。

三、人造金刚石的行业应用领域

人造金刚石在力学、热学、光学、声学、电学和化学等方面性能优异，终端应用领域十分广泛，主要包括工业领域应用和时尚消费领域应用两大类。

1、工业领域应用

人造金刚石的工业应用主要包括两个方面，一是利用人造金刚石超硬、耐磨、抗腐蚀的力学特性，可制作磨、削、切、割等各类金刚石工具，应用于金属及合金材料、高硬脆材料（硅、蓝宝石、磁性材料等）、软韧材料（橡胶、树脂等）及其他难加工材料的加工；二是利用人造金刚石在光、电、声、磁、热等方面的特殊性能，作为重要的功能性材料，应用于电子电器、装备制造、航空航天、国防军工、医疗检测和治疗等高科技领域。

金刚石工具按照使用方式一般可划分为锯切工具、磨削工具和钻进工具。锯切工具主要包括锯片、锯条、绳锯、线锯、刀具等；磨削工具是指以金刚石为磨料，借助于结合剂或其他辅助材料在一定生产条件下制成的具有一定形状和性能可用于磨削、研磨、抛光等用途的工具，其产品种类主要分为固结磨具、涂附磨具、膏状液态磨具三大类，具体包括砂轮、磨头、切割片、磨盘、油石、砂布、砂带、抛光膜、研磨膏、研磨液等；钻进工具主要包括地质钻头、油（气）井钻头、工程薄壁钻头，其分别应用于地质勘探、油（气）勘探与开采及各类建筑物钻孔。上述金刚石工具广泛应用于石材、玻璃、陶瓷、硅片、硬质金属、合金、宝石、玛瑙、玉器等各类材料的切、削、磨、钻，其终端应用已涵盖建材石材、装备制造、汽车制造、家用电器、电子电器、清洁能源、勘探采掘等诸多领域。科技的发展使得人造金刚石作为功能材料的新兴应用层出不穷。人造金刚石作为用途广泛的极端材料，不仅可加工各种难加工材料，而且正在向高灵敏、高精度、高功率、高透光、高热传导、高电子迁移、高人体亲和、高耐磨、抗腐蚀、抗辐射等功能性元器件方向发展。金刚石在光学、电学、声学、热学等方面具有特殊性能，其作为一种重要的功能材料也日益引起重视，这方面的性能和用途正在不断的得到研究开发。

2、时尚消费领域应用

人造金刚石中颜色、重量和纯净度达到一定标准的宝石级金刚石大单晶，可作为培育钻石镶嵌饰品应用于消费领域，培育钻石经过设计、切割、打磨和加工等工序可以被制作成各种璀璨夺目的钻石饰品。培育钻石与天然钻石除生长环境不同外，化学成分以及颜色、净度等物理性质完全相同，但培育钻石饰品的销售价格约为同等级天然钻石饰品销售价格的30%至50%。近几年来，随着培育钻石合成技术的发展以及消费者对培育钻石认知程度的提升，培育钻石越来越多地应用到佩戴饰品、工艺装饰品和艺术收藏品中。

来源：求思咨询

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