火熱的新賽道：培育鉆石的制備工藝及市場狀況

發(fā)布時間 | 2023-09-11 11:12 分類 | 粉體加工技術(shù) 點擊量 | 808

石墨金剛石

導讀：與天然鉆石相對應，“培育鉆石”即是由實驗室里“種”出來的鉆石，英文全稱是Laboratory Grown Diamond，屬人造鉆石的一部分，但這個稱呼其實是2018年時才被賦予的。目前，培育鉆石的開發(fā)不僅可以生...

與天然鉆石相對應，“培育鉆石”即是由實驗室里“種”出來的鉆石，英文全稱是Laboratory Grown Diamond，屬人造鉆石的一部分，但這個稱呼其實是2018年時才被賦予的。目前，培育鉆石的開發(fā)不僅可以生產(chǎn)出高克拉、高凈度的鉆石，還能生產(chǎn)出不同顏色的彩鉆，因此擁有很高的特色價值及大的發(fā)展空間。

日本住友電氣培育出的黃色寶石級鉆石

近年來培育鉆石熱度不斷上升，可觀的利潤空間和廣闊的市場前景正驅(qū)使越來越多的企業(yè)涌進這一賽道，加入到行業(yè)競爭中。到底培育鉆石是哪里吸引了它們，目前的市場狀況又如何，今天就來簡單講一下。

一、培育鉆石為什么受重視？

鉆石最知名的廣告語一定是戴比爾斯那句“鉆石恒久遠、一顆永流傳”。但事實上不僅是天然鉆石可以辦到，培育鉆石也一樣配得上這句誓言——因為培育鉆石無論從性質(zhì)特征以及成分等方面都與天然鉆石有著異曲同工之妙。同時，培育鉆石還具有科技強、成本低、價值高、應用廣以及綠色環(huán)保等特點。

鉆石

而且天然鉆石的儲量有限，終有耗盡的那一天。然而人們對鉆石首飾的需求又有著巨大的市場，因此一直在尋求天然鉆石的替代品，于是培育鉆石這種不僅易得、品質(zhì)高而且價格更親民的“完美代替品”受到重視也不足為奇。

更重要的是，培育鉆石同樣具有很多優(yōu)異的物理性能，如硬度、熱導率、縱波聲速，這些性能都是現(xiàn)有材料中最高的，同時還具有高電阻率、高化學穩(wěn)定性、寬禁帶、低介電常數(shù)等特點，經(jīng)過適當摻雜后還具有寬禁帶、高電子遷移率等優(yōu)點，而且比自然環(huán)境下生長的鉆石成分更純凈，能很好地滿足工業(yè)需求，是第三代半導體的最佳解決方案。因此培育鉆石合成技術(shù)研究與開發(fā)也成為了晶體材料的研究與市場熱點。

二、培育鉆石的制備工藝

目前，培育鉆石合成方法主要包括高溫高壓法（HTHP）和化學氣相沉積法（CVD）。

①高溫高壓法合成原理是指石墨粉在超高溫、高壓條件及金屬觸媒催化作用下發(fā)生相變生長出金剛石晶體，該方法合成的人造金剛石主要為顆粒狀單晶。目前該工藝培育鉆石的合成技術(shù)已非常成熟，是培育鉆石國際市場的主力軍。

河南黃河旋風公司HPHT培育鉆石樣品：a.黃色Ib型；B.無色IIa型；c.藍色IIb型

②化學氣相沉積法合成原理是指含碳氣體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。

大尺寸CVD培育鉆石

與天然鉆石相比，培育鉆石的最大優(yōu)勢就是合成時間很短，只需要幾天到幾十天。據(jù)《2021年中國培育鉆石行業(yè)分析報告行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析》的數(shù)據(jù)顯示，2020年全球?qū)嶒炇遗嘤@石產(chǎn)量達到600萬至700萬克拉（如下圖）。

全球范圍內(nèi)培育鉆石的產(chǎn)能；Mcts：百萬克拉

顯而易見，中國是培育鉆石的生產(chǎn)大國，占世界培育鉆石產(chǎn)能的50%。其中河南省更是占據(jù)了中國培育鉆石產(chǎn)量的70%，擁有多家優(yōu)秀培育鉆石生產(chǎn)企業(yè)包括豫金剛石、力量鉆石、黃河旋風、中南杰特等，主要生產(chǎn)工藝是高溫高壓法。

而CVD培育鉆石市場雖然不如HTHP培育鉆石，但CVD工藝培育鉆石的有效生長空間大，原材料純度高，有利于合成高純度培育鉆石，尤其是在摻雜處理方面具有較大優(yōu)勢，是培育鉆石研究的熱門課題。目前隨著印度、新加坡和美國成為主要的培育生產(chǎn)中心，CVD培育鉆石市場份額也在逐步擴大中。

三、培育鉆石的應用方向

研究顯示，培育鉆石在航空航天、精密電子設(shè)備、材料以及飾品裝飾等方面的應用比較廣泛。而隨著培育鉆石技術(shù)的不斷成熟與完善，也進一步開拓了培育鉆石的應用范圍。目前，培育鉆石作為光學儀器、量子器件、精密加工儀器等的新材料，呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的趨勢。

1、切削材料和超精密加工

目前，鉆石被公認為是最具硬度的礦物，還兼?zhèn)淠透邷亍⒏邏杭盁岱€(wěn)定性等特點，這些特點決定著鉆石可以作為一種良好的切削材料應用到各個領(lǐng)域。例如根據(jù)刀具刃口理論，培育鉆石可以加工出原子尺寸級的平直度和鋒利度，實現(xiàn)鏡面加工效果。同時，利用培育鉆石的硬度、精度及凈度等，將其應用于各種高端設(shè)備的精密儀器之中，能夠確保設(shè)備的穩(wěn)定和高壽命。

高溫燒結(jié)鉆石碟（來源：3M半導體）

2、光學材料

鉆石作為一種優(yōu)質(zhì)的光學材料，具備從X射線到微波整個波段顯示出高的透過率的功效，比如M PCVD單晶鉆石可以做成大功率激光器件的輸能窗口，大單晶培育鉆石還可以做成宇宙探測器的鉆石窗。鉆石的光學應用還與其切工、質(zhì)量等有著密不可分的關(guān)系。從這方面研究可以看出鉆石在光學方面應用已經(jīng)相對比較成熟。而培育鉆石作為實驗室“種出”的鉆石，也同樣具備這一功效。

金剛石透鏡

3、半導體及電子器件

培育鉆石在測試和應用的過程中顯示出高擊穿電壓、高熱導率的特點，這項技術(shù)性的突破能夠應用到集成電路、超高頻大功率的電子器件之中，取得了良好的成效。在摻雜后可半導體化，這一切都昭示著培育鉆石半導體有著非常光明的前景，可應用于集成電路芯片、超高頻大功率電子器件、生物傳感器、航空航天及其他極端環(huán)境電子元器件等場景。

多晶熱學級金剛石可用于散熱應用（來源：元素六）

培育鉆石具有導熱性好、傳導性優(yōu)良等特點，這也使得它將會成為最理想的傳導材料而被廣泛應用于半導體及電子器件中。一般來說，電子器件在長時間使用之后都會出現(xiàn)發(fā)熱、發(fā)燙等現(xiàn)象，這一現(xiàn)象一直持續(xù)將會導致器件壽命的縮短，而在今后發(fā)展中，半導體或者電子器件利用培育鉆石的散熱性手段，能夠從根源上減少器件老化的可能性。同時，能夠增加器件的使用年限，進一步增加器件的使用效率。

4、飾品裝飾

在珠寶飾品應用上，培育鉆石在顏色、凈度等方面可與天然鉆石相媲美，在生產(chǎn)成本和價格方面具有明顯優(yōu)勢——在國際下達禁止開采天然鉆石的禁令之后，培育鉆石更是迎來了新的起點。現(xiàn)在，無論是小克拉的培元鉆石還是克拉級以上的培育鉆石都具備很好的發(fā)展前景，也得到了非常廣泛的應用。在國內(nèi)也已有多個相關(guān)培育鉆石首飾品牌迅速成長，如凱麗希（CA RAXY）、慕蒂卡（MULTICOLOUR）、波琳克琳（Brisa&Reluci）、鉆石玫瑰（DIAMOND ROSE）、小白光（Light Mark）、超鉆（DOFE STORY）等。