一、人造金剛石的行業(yè)發(fā)展概況

       金剛石的化學(xué)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(jiān)硬的物質(zhì)。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(chǎn)，其中質(zhì)優(yōu)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(chǔ)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(chǔ)量稀少、開采成本高昂以及開采過程對生態(tài)環(huán)境破壞程度較高等特點(diǎn)，無法被大范圍應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，因此，全球工業(yè)用金剛石主要是人造金剛石。

       人造金剛石作為一種先進(jìn)碳材料，不僅具有超硬、耐磨和抗腐蝕等優(yōu)異力學(xué)特性，還具有其他材料無可比擬的熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)和化學(xué)等優(yōu)異性能，屬于高效、高精、半永久性、節(jié)能、綠色環(huán)保型材料，對其他高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支撐作用極大，享有“材料之王”的美譽(yù)。

       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(zhì)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(shí)尚消費(fèi)品而應(yīng)用于消費(fèi)領(lǐng)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(xué)、物理特性，培育鉆石在晶體結(jié)構(gòu)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(yè)的新生力量，為喜愛鉆石的消費(fèi)者提供了一項(xiàng)新的選擇。隨著培育鉆石合成技術(shù)的不斷提高，培育鉆石在產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本以及品級、尺寸、顏色、定制化等可控性方面的優(yōu)勢越來越突出，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

       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(jié)晶條件和生長環(huán)境采用科學(xué)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(xué)氣相沉積法（CVD）。

       化學(xué)氣相沉積法（CVD）的發(fā)展并非替代高溫高壓法（HTHP），因?yàn)閮烧卟捎猛耆煌暮铣稍砗秃铣杉夹g(shù)，生產(chǎn)出的產(chǎn)品類型和產(chǎn)品特點(diǎn)也各不相同，主要產(chǎn)業(yè)應(yīng)用也側(cè)重在不同的終端領(lǐng)域。就我國目前人造金剛石行業(yè)的實(shí)際發(fā)展情況而言，主要采用高溫高壓法（HTHP），在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，高溫高壓法（HTHP）和化學(xué)氣相沉積法（CVD）將保持共同發(fā)展的態(tài)勢，這是人造金剛石行業(yè)的基本特色。

       高溫高壓法（HTHP）自20世紀(jì)50年代開始工業(yè)化應(yīng)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(fā)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(chǎn)量高、具備較好的經(jīng)濟(jì)性，其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用主要是利用金剛石超硬、耐磨、抗腐蝕等力學(xué)特點(diǎn)制作磨切鋸鉆等加工工具。1965年我國自主研發(fā)的金剛石六面頂壓機(jī)問世并快速在國內(nèi)大規(guī)模推廣使用，人造金剛石產(chǎn)品生產(chǎn)效率和產(chǎn)能產(chǎn)量快速提升，我國很快成為金剛石單晶生產(chǎn)第一大國；近年來，合成壓機(jī)大型化、粉末觸媒技術(shù)及高溫高壓合成工藝進(jìn)一步奠定了我國在高溫高壓法下合成金剛石單晶的領(lǐng)先優(yōu)勢，行業(yè)內(nèi)主要金剛石單晶生產(chǎn)商如中南鉆石、黃河旋風(fēng)、豫金剛石、力量鉆石等均采用高溫高壓法（HTHP）。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，高溫高壓法技術(shù)已經(jīng)比較成熟，隨著合成設(shè)備大型化、合成技術(shù)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(qiáng)度等方面都取得較大進(jìn)步；但是受限于高壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(yīng)用，隨著大顆粒單晶合成技術(shù)的不斷進(jìn)展，國際上已經(jīng)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(yù)計(jì)未來會(huì)在功能材料應(yīng)用方面取得一定的突破進(jìn)展。

       化學(xué)氣相沉積法（CVD）自20世紀(jì)80年代開始研究并工業(yè)化應(yīng)用，其合成原理是含碳?xì)怏w（CH4）和氫氣混合物在超高溫、低壓條件下被激發(fā)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(chǎn)業(yè)化應(yīng)用主要是利用金剛石在光、電、磁、聲、熱等方面的性能優(yōu)勢作為功能性材料應(yīng)用在新興產(chǎn)業(yè)。

       目前，美國、日本、新加坡等國家在化學(xué)氣相沉積法（CVD）技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面取得較多成果，我國雖然從國家層面出臺相關(guān)行業(yè)政策對CVD技術(shù)給予較大支持和鼓勵(lì)，但受現(xiàn)階段下游應(yīng)用需求有限、技術(shù)研發(fā)進(jìn)度緩慢及先進(jìn)技術(shù)被少數(shù)企業(yè)壟斷等因素影響，化學(xué)氣相沉積法（CVD）技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展速度較為緩慢，截至目前國內(nèi)在化學(xué)氣相沉積法（CVD）技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)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(xué)氣相沉積法（CVD）在合成技術(shù)、合成結(jié)果和產(chǎn)品應(yīng)用等方面的特點(diǎn)對比如下表所示：

圖表  HTHP法和CVD法的特點(diǎn)對比

       由上表可知，高溫高壓法（HTHP）和化學(xué)氣相沉積法（CVD）在合成技術(shù)、合成結(jié)果和產(chǎn)品應(yīng)用等方面特點(diǎn)差異明顯。

       由于化學(xué)氣相沉積法（CVD）在合成金剛石單晶時(shí)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(yè)領(lǐng)域?qū)饎偸瘑尉У男枨?，因此在工業(yè)應(yīng)用方面不會(huì)替代高溫高壓法（HTHP）。

       在培育鉆石合成方面，基于現(xiàn)有技術(shù)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(yōu)勢，特別是在1-5ct培育鉆石合成方面具有明顯優(yōu)勢；化學(xué)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(lǐng)域，化學(xué)氣相沉積法（CVD）不會(huì)替代高溫高壓法（HTHP）；在培育鉆石合成領(lǐng)域，兩者側(cè)重于不同類型的產(chǎn)品，亦不構(gòu)成替代關(guān)系。

       三、人造金剛石的行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域

       人造金剛石在力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)和化學(xué)等方面性能優(yōu)異，終端應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，主要包括工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用和時(shí)尚消費(fèi)領(lǐng)域應(yīng)用兩大類。

       1、工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用

       人造金剛石的工業(yè)應(yīng)用主要包括兩個(gè)方面，一是利用人造金剛石超硬、耐磨、抗腐蝕的力學(xué)特性，可制作磨、削、切、割等各類金剛石工具，應(yīng)用于金屬及合金材料、高硬脆材料（硅、藍(lán)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(yīng)用于電子電器、裝備制造、航空航天、國防軍工、醫(yī)療檢測和治療等高科技領(lǐng)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(jìn)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(jié)合劑或其他輔助材料在一定生產(chǎn)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(chǎn)品種類主要分為固結(jié)磨具、涂附磨具、膏狀液態(tài)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(jìn)工具主要包括地質(zhì)鉆頭、油（氣）井鉆頭、工程薄壁鉆頭，其分別應(yīng)用于地質(zhì)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(yīng)用于石材、玻璃、陶瓷、硅片、硬質(zhì)金屬、合金、寶石、瑪瑙、玉器等各類材料的切、削、磨、鉆，其終端應(yīng)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(lǐng)域?？萍嫉陌l(fā)展使得人造金剛石作為功能材料的新興應(yīng)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(dǎo)、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(fā)展。金剛石在光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)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(fā)。

       2、時(shí)尚消費(fèi)領(lǐng)域應(yīng)用

       人造金剛石中顏色、重量和純凈度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的寶石級金剛石大單晶，可作為培育鉆石鑲嵌飾品應(yīng)用于消費(fèi)領(lǐng)域，培育鉆石經(jīng)過設(shè)計(jì)、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(huán)境不同外，化學(xué)成分以及顏色、凈度等物理性質(zhì)完全相同，但培育鉆石飾品的銷售價(jià)格約為同等級天然鉆石飾品銷售價(jià)格的30%至50%。近幾年來，隨著培育鉆石合成技術(shù)的發(fā)展以及消費(fèi)者對培育鉆石認(rèn)知程度的提升，培育鉆石越來越多地應(yīng)用到佩戴飾品、工藝裝飾品和藝術(shù)收藏品中。