一、人造金剛石的行業發展概況

       金剛石的化學成分為碳（C），屬于碳元素的一種同素異形體，其密度為3.52g/cm3、硬度為莫氏10級，是目前人類已知自然界中最堅硬的物質。金剛石按照成因可分為天然金剛石和人造金剛石。
       天然金剛石是一種稀有、貴重的非金屬礦產，其中質優粒大、可用于制作飾品的寶石級金剛石被稱為天然鉆石，天然金剛石原生礦主要分布在南非、扎伊爾、博茨瓦納、俄羅斯、澳大利亞等國，礦藏儲量不高且采掘難度較大。天然金剛石礦屬于非可再生資源且具有礦藏儲量稀少、開采成本高昂以及開采過程對生態環境破壞程度較高等特點，無法被大范圍應用于工業領域，因此，全球工業用金剛石主要是人造金剛石。

       人造金剛石作為一種先進碳材料，不僅具有超硬、耐磨和抗腐蝕等優異力學特性，還具有其他材料無可比擬的熱學、光學、聲學、電學和化學等優異性能，屬于高效、高精、半永久性、節能、綠色環保型材料，對其他高新技術產業的支撐作用極大，享有“材料之王”的美譽。

       隨著人造金剛石合成工藝的不斷提高，金剛石大單晶中顆粒較大、品質較高的單晶作為培育鉆石用于制作鉆石類鑲嵌飾品或其他時尚消費品而應用于消費領域。培育鉆石和天然鉆石都是由碳元素形成的晶體，具有相同的化學、物理特性，培育鉆石在晶體結構的完整性、透明度、折射率、色散等方面可以與天然鉆石相媲美。培育鉆石作為鉆石行業的新生力量，為喜愛鉆石的消費者提供了一項新的選擇。隨著培育鉆石合成技術的不斷提高，培育鉆石在產品質量、生產成本以及品級、尺寸、顏色、定制化等可控性方面的優勢越來越突出，發展潛力巨大。

       二、人造金剛石的合成方法

       人造金剛石是通過人工模擬天然金剛石結晶條件和生長環境采用科學方法合成出來的金剛石晶體，其合成方法主要為高溫高壓法（HTHP）和化學氣相沉積法（CVD）。

       化學氣相沉積法（CVD）的發展并非替代高溫高壓法（HTHP），因為兩者采用完全不同的合成原理和合成技術，生產出的產品類型和產品特點也各不相同，主要產業應用也側重在不同的終端領域。就我國目前人造金剛石行業的實際發展情況而言，主要采用高溫高壓法（HTHP），在未來相當長的時間內，高溫高壓法（HTHP）和化學氣相沉積法（CVD）將保持共同發展的態勢，這是人造金剛石行業的基本特色。

       高溫高壓法（HTHP）自20世紀50年代開始工業化應用，其合成原理是石墨粉在超高溫、高壓條件及金屬觸媒粉催化作用下發生相變生長出金剛石晶體，該種方法下合成的人造金剛石主要為顆粒狀單晶，合成速度快、單次產量高、具備較好的經濟性，其產業化應用主要是利用金剛石超硬、耐磨、抗腐蝕等力學特點制作磨切鋸鉆等加工工具。1965年我國自主研發的金剛石六面頂壓機問世并快速在國內大規模推廣使用，人造金剛石產品生產效率和產能產量快速提升，我國很快成為金剛石單晶生產第一大國；近年來，合成壓機大型化、粉末觸媒技術及高溫高壓合成工藝進一步奠定了我國在高溫高壓法下合成金剛石單晶的領先優勢，行業內主要金剛石單晶生產商如中南鉆石、黃河旋風、豫金剛石、力量鉆石等均采用高溫高壓法（HTHP）。經過半個多世紀的發展，高溫高壓法技術已經比較成熟，隨著合成設備大型化、合成技術工藝不斷改善，該方法合成的金剛石單晶在粒度尺寸、晶型完整度、純凈度、強度等方面都取得較大進步；但是受限于高壓設備的結構設計，目前合成出的金剛石單晶尺寸相對較小，一定程度上限制了其在功能性材料方面的廣泛應用，隨著大顆粒單晶合成技術的不斷進展，國際上已經有高溫高壓法合成單粒 100 克拉以上金剛石單晶的研究成果，預計未來會在功能材料應用方面取得一定的突破進展。

       化學氣相沉積法（CVD）自20世紀80年代開始研究并工業化應用，其合成原理是含碳氣體（CH4）和氫氣混合物在超高溫、低壓條件下被激發分解出活性碳原子，通過控制沉積生長條件促使活性碳原子在基體上沉積交互生長成金剛石晶體，該種方法下合成的金剛石主要為片狀金剛石，其產業化應用主要是利用金剛石在光、電、磁、聲、熱等方面的性能優勢作為功能性材料應用在新興產業。

       目前，美國、日本、新加坡等國家在化學氣相沉積法（CVD）技術研究和產業應用方面取得較多成果，我國雖然從國家層面出臺相關行業政策對CVD技術給予較大支持和鼓勵，但受現階段下游應用需求有限、技術研發進度緩慢及先進技術被少數企業壟斷等因素影響，化學氣相沉積法（CVD）技術研究和產業應用發展速度較為緩慢，截至目前國內在化學氣相沉積法（CVD）技術研究和產業應用方面取得突出成果的單位相對較少。

       高溫高壓法（HTHP）和化學氣相沉積法（CVD）在合成技術、合成結果和產品應用等方面的特點對比如下表所示：

圖表  HTHP法和CVD法的特點對比

       由上表可知，高溫高壓法（HTHP）和化學氣相沉積法（CVD）在合成技術、合成結果和產品應用等方面特點差異明顯。

       由于化學氣相沉積法（CVD）在合成金剛石單晶時只能在布有晶種的基板上生長，屬于二維生長，且只能生長單層，不適宜合成小顆粒單晶，無法滿足工業領域對金剛石單晶的需求，因此在工業應用方面不會替代高溫高壓法（HTHP）。

       在培育鉆石合成方面，基于現有技術條件，高溫高壓法（HTHP）合成培育鉆石以塔狀為主，生長速度快、成本低、純凈度稍差，但綜合效益具有優勢，特別是在1-5ct培育鉆石合成方面具有明顯優勢；化學氣相沉積法（CVD）合成培育鉆石呈板狀，顏色不易控制、培育周期長、成本較高，但純凈度高，較適宜5ct以上培育鉆石合成。因此，在金剛石單晶合成領域，化學氣相沉積法（CVD）不會替代高溫高壓法（HTHP）；在培育鉆石合成領域，兩者側重于不同類型的產品，亦不構成替代關系。

       三、人造金剛石的行業應用領域

       人造金剛石在力學、熱學、光學、聲學、電學和化學等方面性能優異，終端應用領域十分廣泛，主要包括工業領域應用和時尚消費領域應用兩大類。

       1、工業領域應用

       人造金剛石的工業應用主要包括兩個方面，一是利用人造金剛石超硬、耐磨、抗腐蝕的力學特性，可制作磨、削、切、割等各類金剛石工具，應用于金屬及合金材料、高硬脆材料（硅、藍寶石、磁性材料等）、軟韌材料（橡膠、樹脂等）及其他難加工材料的加工；二是利用人造金剛石在光、電、聲、磁、熱等方面的特殊性能，作為重要的功能性材料，應用于電子電器、裝備制造、航空航天、國防軍工、醫療檢測和治療等高科技領域。

       金剛石工具按照使用方式一般可劃分為鋸切工具、磨削工具和鉆進工具。鋸切工具主要包括鋸片、鋸條、繩鋸、線鋸、刀具等；磨削工具是指以金剛石為磨料，借助于結合劑或其他輔助材料在一定生產條件下制成的具有一定形狀和性能可用于磨削、研磨、拋光等用途的工具，其產品種類主要分為固結磨具、涂附磨具、膏狀液態磨具三大類，具體包括砂輪、磨頭、切割片、磨盤、油石、砂布、砂帶、拋光膜、研磨膏、研磨液等；鉆進工具主要包括地質鉆頭、油（氣）井鉆頭、工程薄壁鉆頭，其分別應用于地質勘探、油（氣）勘探與開采及各類建筑物鉆孔。上述金剛石工具廣泛應用于石材、玻璃、陶瓷、硅片、硬質金屬、合金、寶石、瑪瑙、玉器等各類材料的切、削、磨、鉆，其終端應用已涵蓋建材石材、裝備制造、汽車制造、家用電器、電子電器、清潔能源、勘探采掘等諸多領域。科技的發展使得人造金剛石作為功能材料的新興應用層出不窮。人造金剛石作為用途廣泛的極端材料，不僅可加工各種難加工材料，而且正在向高靈敏、高精度、高功率、高透光、高熱傳導、高電子遷移、高人體親和、高耐磨、抗腐蝕、抗輻射等功能性元器件方向發展。金剛石在光學、電學、聲學、熱學等方面具有特殊性能，其作為一種重要的功能材料也日益引起重視，這方面的性能和用途正在不斷的得到研究開發。

       2、時尚消費領域應用

       人造金剛石中顏色、重量和純凈度達到一定標準的寶石級金剛石大單晶，可作為培育鉆石鑲嵌飾品應用于消費領域，培育鉆石經過設計、切割、打磨和加工等工序可以被制作成各種璀璨奪目的鉆石飾品。培育鉆石與天然鉆石除生長環境不同外，化學成分以及顏色、凈度等物理性質完全相同，但培育鉆石飾品的銷售價格約為同等級天然鉆石飾品銷售價格的30%至50%。近幾年來，隨著培育鉆石合成技術的發展以及消費者對培育鉆石認知程度的提升，培育鉆石越來越多地應用到佩戴飾品、工藝裝飾品和藝術收藏品中。