2022年人造金刚石市场细分应用领域需求前景预测及竞争规模发展趋势咨询评估

1、人造金刚石简介：

（1）金刚石及其分类：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。

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）。高温高压法（HTHP）是以石墨粉、金属触媒粉为主要原料，通过液压装置保持恒定的超高温、高压条件来模拟天然金刚石结晶条件和生长环境合成出金刚石晶体；化学气相沉积法（CVD）是含碳气体和氧气混合物在高温和低于标准大气压的压力下被激发分解，形成活性金刚石碳原子，并通过控制沉积生长条件促使活性金刚石碳原子在基体上沉积交互生长成金刚石单晶。目前，国内人造金刚石产品生产主要采用高温高压法（HTHP）。

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。

（2）人造金刚石的合成方法：

①化学气相沉积法（CVD）与高温高压法（HTHP）的对比分析：目前，全球人造金刚石行业主要有高温高压法（HTHP）和化学气相沉积法（CVD）两大类生产方法。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膜，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：

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。

因此，化学气相沉积法（CVD）的发展并非替代高温高压法（HTHP），两者将在各自侧重领域内保持共同发展的态势。

②关于化学气相沉积法（CVD）的技术储备和发展规划：目前，国内金刚石行业在不断推动高温高压法（HTHP）合成技术优化升级，强化金刚石单晶在加工工具和时尚消费领域应用的同时，努力开展化学气相沉积法（CVD）的技术研究并探索金刚石膜产品在光、热、电、声等新兴领域的产业化应用。

（3）人造金刚石的应用领域：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。

中金企信国际咨询公布的《全球与中国人造金刚石市场全景监测调研分析及投资战略可行性评估预测报告（2022版）》

2、人造金刚石行业发展概况：金刚石凭借卓越的物理和化学性能在工业生产和科学技术领域广受青睐，但天然金刚石矿藏稀少、成本昂贵，无法满足全球日益增长的工业需求，客观上促使科学家探寻金刚石工业化制造模式。1954年美国G.E.公司（即现在的D.I.公司）研制成功了世界上第一颗人造金刚石，我国则在1963年成功研制出第一颗人造金刚石。

1965年，由郑州磨料磨具磨削研究所自主研发的我国第一台人造金刚石合成设备--六面顶压机投产使用，其生产效率较原来国外研发的两面顶压机提高近20倍。中国六面顶压机的卓越表现得到了全球人造金刚石生产企业的青睐，元素六（ElementSix）、日本住友电工、韩国ILJIN公司等国际知名人造金刚石生产企业均陆续购买中国生产的大型六面顶压机替代原有的两面顶压机。随着自主研发的六面顶压机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；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金刚石单晶合成的技术优势。美国、日本、德国、韩国等国家在人造金刚石领域的优势则集中于金刚石制品、金刚石复合材料的研究开发和应用。

人造金刚石作为重要超硬材料之一，对其他高新技术产业发展起到极大的支撑作用。人造金刚石及其制品的问世不仅破解了层出不穷的新材料无法用传统工具加工的难题，还成百倍地提高了传统加工的速度和精度，降低了消耗和废物排放，在加工效率、加工精度、节能环保等方面起到重要作用；同时，也催生了一些新兴工业领域。人造金刚石及制品是发展低碳经济不可替代的极端材料，已成为国民经济、国防工业和人民生活不可缺少的重要组成部分，其消耗量成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志，赢得了世界范围前所未有的高度重视，具有良好的发展前景。

中国人造金刚石行业经过50多年的发展，已形成相对完整的产业体系，人造金刚石行业经历从无到有、由弱变强的过程，并且逐步发展成为引领全球的民族产业。从2000年开始，中国一直是全球金刚石单晶生产和消费大国，截至目前，我国金刚石单晶产量占世界总产量的90%以上；金刚石单晶的生产技术和产品品质已达到世界先进水平，我国人造金刚石行业为国家乃至全球诸多高新技术的创新发展提供了强力支撑。

3、生产技术不断提升：我国人造金刚石产业的快速发展与合成压机大型化、硬质合金顶锤优质化、粉末触媒和间接加热工艺的工业化等关键技术进步密不可分。

合成压机是生产金刚石单晶和培育钻石的核心装备，合成压机的合成腔体可以为金刚石单晶合成创造一个超高温（>1400℃）、超高压（>5GPa）的生长环境，促使活性碳原子生长成稳定的金刚石晶体。我国所采用自主研发的六面顶压机经过不断的研发突破和技术改进，其在压机吨位、油缸结构、油缸直径、整机精度、同步性和控制系统等方面不断提升。

安装在六面顶压机活塞前端的硬质合金顶锤由于受复杂的压缩、剪切、拉伸应力作用，且加热时瞬时锤面温度达500℃-600℃，要求近万次反复使用寿命，服役条件十分苛刻。随着硬质合金技术进步以及压机性能参数的改善，硬质合金顶锤的质量也得到不断优化，顶锤直径不断加大，锤耗大幅降低我国压机大型化、顶锤直径及锤耗变动情况列示如下：

粉状工艺替代片状工艺也是我国人造金刚石生产的重大技术进步之一。片状工艺是石墨片和触媒片交替叠放在合成腔体中，利用两端的导电帽将大电流引入石墨片和触媒片，依靠自身的电阻加热，即直接加热工艺；粉状工艺则是石墨粉和触媒粉的混合粉冷压成石墨芯柱，经脱氧处理后装入合成腔体中，利用两端的导电帽将大电流引入缠绕在石墨芯柱周围的碳质薄件发热体上，在石墨芯柱周围形成一个加热炉来加热中间的石墨芯柱。粉状工艺比片状工艺形核几率加大、成长速率加快，且碳源、温度、压力等合成环境等同可得到更多质量均一的优质金刚石晶体。

随着对人造金刚石合成设备、原辅材料、合成工艺等方面不断优化设计和有效控制，我国六面顶压机合成人造金刚石技术不断取得突破性进展，逐渐缩小与国际先进技术水平的差距，且生产成本明显低于国际水平。我国人造金刚石整体质量也得到了明显提升，在工艺指标和质量指标上均取得了较大进步。我国人造金刚石生产水平的发展情况如下：