超硬材料的應用領域和產業鏈結構分析

• 楊興杰 2023年5月17日 來源：中研網 363 16
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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

一、超硬材料應用領域

1.人造金剛石的應用領域

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。

（一）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3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。

（二）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。

2.CBN的應用領域

立方氮化硼對鐵系金屬元素具有較強的化學惰性，不會與其發生化學反應而降低性能與使用壽命，以其為原料制成的磨料磨具，可以加工金剛石磨料磨具所不能加工的高速鋼、工具鋼、鎢鉻鈷合金等材料。

在工程材料方面，CBN主要用做超級磨料，是加工各種鋼材、鑄鐵、鎳基、鈷基合金的首選材料，尤其在現代精密加工領域，如汽車、航空航天、精密機械、微電子等精密工業方面，成為實現高效率、超精密、節約能源和操作自動化不可或缺的材料。

其次在功能材料方面，CBN是優良的半導體材料，可做成耐高溫的CBN-PN結和發光二極管，可做極好的抗氧化涂層和光學窗口材料等，CBN晶體還是光譜適用范圍很寬的電光晶體，具有非常廣闊的應用前景。

二、超硬材料產業鏈結構

1.人造金剛石的產業鏈結構

目前，人造金剛石生產方式主要分為HPHT(高溫壓法)及CVD(化學氣相沉積法)，此外還有一種爆轟法，使用的較少。

產業鏈角度看，除了下游應用市場之外，工業級金剛石與培育鉆石的產業鏈結構基本是一樣的。

人造金剛石產業鏈包括：(1)上游原材料供應商及設備：包括合金、石墨、葉臘石等原材料供應商及壓機設備供應商，已形成國產替代;(2)中游金剛石及培育鉆石生產制造企業：以中南鉆石有限公司(簡稱中南鉆石)、河南黃河旋風股份有限公司(簡稱黃河旋風)、鄭州華晶金剛石股份有限公司(簡稱華晶金剛石/豫金剛石)、河南省力量鉆石股份有限公司(簡稱力量鉆石)為首，2020年CR4企業金剛石單晶銷售額占國內市場份額70%以上，培育鉆石市場占有率約80%;(3)下游：主要是金剛石工具生產企業，包括金剛石刀具、鉆頭、磨具、鋸片、線鋸等金剛石工具生產企業;進一步拓展到終端消費行業，包括建材、礦產資源機械制造、清潔能源等行業。

圖表：人造金剛石的產業鏈結構

數據來源：中研普華產業研究院整理

2.CBN的產業鏈結構

合成CBN晶體的方法主要有：高溫高壓觸媒法、高溫高壓直接相轉變法、高溫高壓溫度梯度法、水熱合成法、氣相法。以上方法中常用的是觸媒法和溫度梯度法，氣相法主要用于薄膜生長。目前高溫高壓觸媒法是占據絕對優勢的CBN工業合成方法。

CBN產業鏈包括：(1)上游原材料供應商及設備：包括六方氮化硼、觸媒材料等原材料供應商及壓機設備供應商;(2)中游CBN制造企業：以中南杰特、富耐克為首，2020年CR2企業的國內市場份額在70%以上;(3)下游：主要是CBN工具生產企業，包括CBN刀具、磨具、刀片等生產企業。

圖表：立方氮化硼(CBN)的產業鏈結構

數據來源：中研普華產業研究院整理

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