培育钻石行业专题研究方兴未艾培育钻石六问六答

培育钻石行业专题研究-方兴未艾培育钻石六问六答1.起源演进：培育钻缘何存在？金刚石为自然界中已知最坚硬的材料，凭借独特的物理及化学属性可被广泛应用于工业领域，其中晶体纯净、美观优质的金刚石可打磨为钻石用于珠宝消费领域。但天然金刚石作为高度稀缺的不可再生资源，全球储备量高度有限，且开采难度较高，周期较长，资金投入量大，因此人造金刚石技术应运而生。当前三大主流人造金刚石产品为：金刚石单晶、金刚石微粉、与培育钻石。金刚石单晶：由高温高压法或化学气相沉积法形成的人造金刚石晶体，根据产品形态与粒度范围可划分为磨削级（35/40-325/400）、锯切级（16/18-70/80）、修整级（30/35及以粗）三类，分别用于磨削工具、锯切、钻探工具、单粒或多粒修整工具等超硬材料制作，可应用于建筑建材、勘探采掘、机械加工等工业制造行业。金刚石微粉：由金刚石单晶经过粉碎或动压等物理作用形成粒度较小的超细磨料，并根据粗端粒径大小划分为研磨用微粉（7μm以下）、线锯用微粉（7-14μm）、和金刚石微粉（大于14μm）三类，分别用于超精密光整加工、金刚石线锯等超硬材料切割、石材玻璃等磨削切割工具。培育钻石：为净度、颜色等级优异的宝石级金刚石单晶，其制造工艺与程序与金刚石单晶合成过程相同，核心差异在于石墨芯柱与金属触媒的配方决定最终产品形态与品质。培育钻石参照天然钻石4C标准，以重量、颜色、净度、切工四大参数划分品级。金刚石合成技术起源于海外，兴盛于中国。海外工业革命迸发金刚石需求，1797年英国化学家SmithsonTennant率先确定金刚石为碳元素组成的化学物质，金刚石合成理论历经各国科学家不断补充丰富后最终由美国通用电器公司于1954年采取高温高压法合成首颗金刚石。1980年日本科学家者Setaka、Matsumoto等人首次在低压条件下采用化学气相沉积法（CVD）合成金刚石膜开启海外CVD研究热潮，2011年美国ApolloDiamond公司利用微波等离子体CVD法进行同质外延，生长出能与天然钻石媲美的人工钻石，此后CVD作为主流合成技术在海外广泛应用于大颗粒高品级的宝石级金刚石合成。而20世纪中叶由于经济、文化、政治环境等特殊性以及CVD技术的专利保护，我国人造金刚石技术长期受海外封锁严重，技术成长路径以自研的高温高压法为主，1965年郑州磨料磨具磨削研究所联合济南铸造锻压机械研究所共同研发出第一台6×6MNDS-023A型铰链式六面顶压机，合成我国历史上第一颗人造金刚石。21世纪以来粉末触媒技术突破与碳化钨顶锤质量提高加速我国磨料级金刚石单晶合成技术发展，至2005年时我国已稳居世界第一大人造金刚石生产国，金刚石产量达35亿克拉，占全球产量70%以上，年出口量5亿克拉，至2015年时我国金刚石产量已达151亿克拉，占全球总产量的90%以上，年出口量达23亿克拉，HPHT高温高压法大颗粒金刚石单晶技术已处于世界前列。二分天下：培育钻技术之格局。历史与科技等多重因素决定海外金刚石合成技术以CVD为主，我国合成技术以HPHT为主。据贝恩咨询《2020全球钻石报告》，2020年全球培育钻产量约700万克拉，分技术看，全球CVD与HPHT产能结构相对均衡，美国、印度、新加坡、西欧及中东等地区以CVD技术为主，合计产量约400万克拉，其中CVD产能占据90%以上。中国与俄罗斯为HPHT技术生产大国，90%以上的产能为HPHT法合成，其中我国为第一大培育钻石生产国，年产钻石约300万克拉，占全球总产量的41.67%。分地区看，行业市场格局高度集中中国、印度、美国、新加坡等CR4合计占据全球93%以上的份额，对应产量分别达300/150/100/100万克拉。HPHT产能高度集中，CR4至少占据75%以上产能。河南省为我国第一大超硬材料产业基地，以成熟的HPHT法贡献了全国75%的金刚石产能。成熟的产业集群具备完整的产业链与优质的配套设施，丰沃的产业环境下诞生了中南钻石、黄河旋风、力量钻石、豫金刚石等领先企业。据超硬材料上市公司黄河旋风央视财经访谈披露，2020年公司培育钻产量占据我国总量的1/3，根据贝恩咨询报告数据，2020年中国培育钻产量达300万克拉，黄河旋风对应产量约为100克拉。中兵红箭旗下子公司中南钻石公告自身人造金刚石产销量位居世界第一，由此推测中南钻石产量至少和黄河旋风相当。力量钻石招股书披露，2020年公司培育钻产量达13.64万克拉，对应占比达4.55%。2020年豫金刚石超硬材料收入达4.25亿元，假设培育钻业务占比20%，相关收入规模可达0.85亿元，中南钻石，黄河旋风，力量钻石，豫金刚石等行业CR4合计至少占据我国75%以上的培育钻石产能。2.合成技术：点石成金，原理剖析由技术原理出发，当前全球培育钻石合成技术可分为高温高压法(HPHT)和化学气相沉积法(CVD)两大类：2.1合成理论：HPHT与CVD各有千秋化学气相沉积法(CVD)原理：在高温低压环境下从含碳气体中分离出活性碳原子后在沉积环境下交互生长形成金刚石晶体。当前技术根据沉积设备差别可分为热丝法CVD

（HotfilamentCVD）、直流电弧等离子体喷射CVD（DirectcurrentarcplasmajetCVD）、微波等离子体CVD（MicrowaveplasmaCVD）、火焰燃烧CVD法等四大细分技术，以主流MPCVD法为例，合成环节可分为三大阶段：1）碳原子分解：高温低压条件下通过微波产生交变电磁场激发氢气与甲烷混合气体形成碳基等离子体活性基团；2）活性碳运输：在温度与浓度梯度的诱导下，等离子体中活性碳基团输运到衬底表面并逐步聚集在成核能较低的位置；3）晶体生长：当碳团簇尺寸大于成核临界尺寸时便形成稳定的金刚石晶核，晶核吸附碳原子和基团逐渐生长。CVD技术下金刚石晶体生长速率缓慢，合成周期较长，MPCVD设备中1克拉金刚石平均生长周期可达1个月。CVD法产品特点：大克拉、高净度、低色级。CVD技术原理决定产品品质：1）沉积设备决定大颗粒：CVD法无需高压条件，反应腔室较大，更适用于培育大颗粒金刚石。2）气体反应决定高净度与低颜色：CVD技术的气体反应过程中固体颗粒杂质含量低，易生成高净度产品，但由于金刚石纯度控制条件苛刻，生长速度缓慢，需要通入氮气、氧气等辅助气体提高生长速度至50-150μm/h。反应过程中易出现氮-空位缺陷导致成品呈黄褐色，并需要热处理再次改色。3）沉积原理导致双折射现象：CVD法下金刚石逐层生长，层间晶格不匹配产生双折射现象并导致成品表现模糊。高温高压法(HPHT)原理：模拟天然钻石生长的高温高压环境，使石墨中的碳元素发生相变生长为金刚石晶体。HPHT法可细分为静压触媒法、静压直接转变法与晶种触媒法，分别用于磨料级金刚石、金刚石微粉和宝石级金刚石的生产。生产流程可分为五大环节：

1）制备石墨芯柱：将石墨粉、触媒粉、母粉（包含碳化物、Co、稀土元素的组合添加剂）、催化剂以一定比例混合压制。2）组装合成块：石墨芯柱与复合块、辅件等密封传压介质组装形成合成块。3）合成棒料：高温高压环境下活性碳原子在晶种上析出生长为金刚石棒料，期间生长速度可高达1000μm/h，合成时间仅需20-50分钟，培育钻石生长则需数天到数周。4）提纯处理：通过化学法去除表面杂质并分离金刚石。5）分选检测：通过筛分、选形和磁选等工艺分为不同粒度、形状和品级的产品。HPHT法产品特点：小克拉、低净度、优颜色。1）合成设备限制大克拉突破：六面顶压机环境封闭，有限的碳源制约金刚石单晶颗粒度，其次HPHT合成晶体通常含有包裹体与熔坑，后续切割打磨会降低晶体颗粒度。2）固体触媒降低净度等级：合成过程中熔融金属与碳源、金刚石共处腔室，金刚石时易受生长速度影响出现包裹体问题混入杂质。3）技艺成熟可直接产出无色单晶：HPHT技术具备较快生长速率，无需通入氮气等辅助气体，同时核心厂商也可通过添加铝、钛和铜等除氮剂稳定产出无色金刚石单晶。良品率为衡量HPHT培育钻石工艺的指标之一：良率为单次合成产品中高品级金刚石比例，高良品率意味着单次合成中大颗粒、高净度、优颜色的产品占比较高，而掺入杂质、颜色较差或颗粒度小的产品则为次品，去除杂质后则被切割为碎钻。从技术理论出发，HPHT与CVD各有优劣：两者采用完全不同的合成原理和合成技术，生产出的产品各具特点，并不构成替代关系。工业领域中，高温高压法用于培育小颗粒金刚石单晶，能应用于制作超硬材料，化学气相沉积法主要用于生长单层金刚石，可应用于光、电、声等功能性材料。消费领域中，高温高压法技术成熟，可稳定合成1-5克拉的培育钻石，生长速度较快，成本优势明显，缺点为技术原理限制培育钻石尺寸上限，金属包裹体问题难以解决，易引入氮杂质元素导致色级较差。化学气相沉积法优点为可合成5克拉以上的大颗粒培育钻石，技术本身可实现极高的产物纯度，缺点为制备高品级金刚石培育周期极长，成本高昂，且产物存在晶格错位造成的双折射现象等缺陷。2.2合成壁垒：生产设备与技术并行微波发生器与速率控制共筑CVD工艺壁垒微波发生器等精密仪器为CVD设备的核心要素。CVD技术仍处研发阶段，合成工艺复杂，沉积设备、衬底、合成环境、合成气体、辅助气体等影响要素众多。其中微波发生器为微波等离子体装置提供能源，将电能转化为额定功率的微波能量并电离含碳气体。微波发生器的稳定性极为重要，刻蚀时输出功率的波纹系数过高则会出现刻蚀缺陷，功率过低会降低金刚石晶体生长速度，功率过高或不稳定则导致金刚石晶体外形不完整。微波发生器为高科技的精密仪器，其输出功率受磁控管转化率、阴极负高压、阳极电流、磁感应强度、工作波长等因素共同影响，当前国产微波发生器在稳定性方面处于瓶颈期，设备高度依赖海外进口。CVD技术的核心在于维持反应速率与产品色级的平衡。1）碳源气体：合成气体的种类与浓度等配方高度影响晶体生长模式，含碳气体浓度过低时会严重制约晶体生长速度与体积，而浓度过高时则会在钻石合成过程中形成多晶金刚石与石墨等形态。2）辅助气体：CVD反应过程中需要通入氮气、氧气、二氧化碳等混合气体作为催化剂加速反应过程，其中氮气含量高度影响钻石产品的颜色等级，含量偏高时则导致晶体颜色泛黄。实际生产过程中，大部分产品仍需通过高温高压或低压高温等方式进行改色处理，期间产品净度或受工艺水平影响降低，并增加综合生产成本。专利保护为CVD技术习得性最大限制。CVD设备供给充裕，技术入局门槛相对较低，可在短时间内实现培育钻石生产，但我们认为CVD技术尚未成熟，核心工艺与降本增效仍受海外专利限制。国内高温高压法技术龙头自2015年起就相继开展CVD研究，其中仅有中兵红箭于2020年达国际主流水平，当前我国培育钻产能仍以HPHT技术为主导。我们推测技术限制与降本增效仍为CVD的首要难题，尽管入局门槛较低，但技术阶段差异显著，以海外CVD技术先驱LightBox为例，2英寸托盘-慢速生长-低良率的技术效益仅为龙头水平的1/36。其次CVD为海外自研技术，受到知识专利等高度保护，2020年卡内基研究所与WD公司对六家CVD企业提起专利诉讼。据USPTO统计截至2022年5月MPCVD法涉及专利数已达159个，当前国内CVD厂商规模尚未成体量，但专利限制仍是未来CVD厂商须直面的难题。HPHT合成壁垒：设备、技术、人才缺一不可1965年以来我国首次通过自主研发的六面顶压机与HPHT工艺合成第一颗人造金刚石，历经数十年技术演进与迭代，头部厂商HPHT技术已达登峰造极之水平，生产环节中的设备、技术、人才壁垒高筑，均具备高度不可复制性与垄断性。设备壁垒：核心零件短缺，六面顶压机供给有限。六面顶压机为合成环节的关键设备，压机制造技术壁垒高企，生产品质高度影响培育钻生产效率与质量，其中核心零部件铰链梁生产难度较高，供给极度短缺。铰链梁为六面顶压机中的受力部件，以前、后、左、右、上、下等六个方位相互铰接对称布局，在单缸110MPa的超高压状态下承担支撑承重作用。铰链梁在制造过程中由于季节与气候等因素或产生杂质、气孔易存在疏松、夹杂、偏析等缺陷，导致铰链梁在长期交变载荷使用时发生断裂导致压机寿命缩减。当前国内具备高品质铰链梁生产能力的头部企业仅二重集团一家，六面顶压机供应商仅有国机精工旗下郑州三磨所、洛阳启明超硬材料、焦作天宝桓祥机械、桂林桂冶、东北营口鑫源等五家企业，我们测算行业六面顶压机年产能仅为1000-1200台，压机供给短缺高度限制培育钻产能扩张。压机采购金额庞大，下游合作高度连结。六面顶压机交易模式为现金批量采购，单次订货对于资金需求庞大。参考力量钻石招股书，2020年三磨所采购的φ800锻造压机均价已达93.43万/台，行业高景气度延续之下，六面顶压机涨价趋势持续延续，参考2022年力量钻石与黄河旋风募集说明书单台压机采购价已提升至170万元/台左右，批量采购对于新进厂商的资金实力要求逐步提高。其次设备生产商与毛坯制造商合作关系密切，以力量钻石为例，公司购置的新型号六面顶压机主要来自于国机精工与东北营口两大厂商，行业新进者难以获得高度紧缺的设备资源。工艺壁垒：石墨芯柱配方与梯度法设置为核心工艺。合成工艺中的配方与生产参数控制需长期积累与不断试错优化，其中（1）合成块结构复杂：合成块成分比例与结构设计复杂，细微差异可对终品产生明显影响。石墨芯柱合成块配方主要包含发热体、绝热体、功能体三大部件，分别对应热量提供、温度隔绝、与碳源合成的作用，并起到传压、密封、保温、绝缘、支撑等多重功