超硬材料的应用领域和产业链结构分析

• 杨兴杰 2023年5月17日 来源：中研网 363 16
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人造金刚石的工业应用主要包括两个方面：一是利用人造金刚石超硬、耐磨、抗腐蚀的力学特性，可制作磨、削、切、割等各类金刚石工具，应用于金属及合金材料、高硬脆材料(硅、蓝宝石、磁性材料等)、软韧材料(橡胶、树脂等)及其他难加工材料的加工;二是利用人造金刚石

一、超硬材料应用领域

1.人造金刚石的应用领域

人造金刚石在力学、热学、光学、声学、电学和化学等方面性能优异，终端应用领域十分广泛，主要包括工业领域应用和时尚消费领域应用两大类。

（一）工业领域应用

人造金刚石的工业应用主要包括两个方面：一是利用人造金刚石超硬、耐磨、抗腐蚀的力学特性，可制作磨、削、切、割等各类金刚石工具，应用于金属及合金材料、高硬脆材料(硅、蓝宝石、磁性材料等)、软韧材料(橡胶、树脂等)及其他难加工材料的加工;二是利用人造金刚石在光、电、声、磁、热等方面的特殊性能，作为重要的功能性材料，应用于电子电器、装备制造、航空航天、国防军工、医疗检测和治疗等高科技领域。

金刚石工具按照使用方式一般可划分为锯切工具、磨削工具和钻进工具。锯切工具主要包括锯片、锯条、绳锯、线锯、刀具等;磨削工具是指以金刚石为磨料，借助于结合剂或其他辅助材料在一定生产条件下制成的具有一定形状和性能可用于磨削、研磨、抛光等用途的工具，其产品种类主要分为固结磨具、涂附磨具、膏状液态磨具3大类，具体包括砂轮、磨头、切割片、磨盘、油石、砂布、砂带、抛光膜、研磨膏、研磨液等;钻进工具主要包括地质钻头、油(气)井钻头、工程薄壁钻头，其分别应用于地质勘探、油(气)勘探与开采及各类建筑物钻孔。上述金刚石工具广泛应用于石材、玻璃、陶瓷、硅片、硬质金属、合金、宝石、玛瑙、玉器等各类材料的切、削、磨、钻，其终端应用已涵盖建材石材、装备制造、汽车制造、家用电器、电子电器、清洁能源、勘探采掘等诸多领域。

科技的发展使得人造金刚石作为功能材料的新兴应用层出不穷。人造金刚石作为用途广泛的极端材料，不仅可加工各种难加工材料，而且正在向高灵敏、高精度、高功率、高透光、高热传导、高电子迁移、高人体亲和、高耐磨、抗腐蚀、抗辐射等功能性元器件方向发展。金刚石在光学、电学、声学、热学等方面具有特殊性能，其作为一种重要的功能材料也日益引起重视，这方面的性能和用途正在不断的得到研究开发。

（二）时尚消费领域应用

人造金刚石中颜色、重量和纯净度达到一定标准的宝石级金刚石大单晶可作为培育钻石镶嵌饰品应用于消费领域，培育钻石经过设计、切割、打磨和加工等工序可以被制作成各种璀璨夺目的钻石饰品。培育钻石与天然钻石除生长环境不同外，化学成分以及颜色、净度等物理性质完全相同，但培育钻石饰品的销售价格约为同等级天然钻石饰品销售价格的30%至50%。近几年来，随着培育钻石合成技术的发展以及消费者对培育钻石认知程度的提升，培育钻石越来越多地应用到佩戴饰品、工艺装饰品和艺术收藏品中。

2.CBN的应用领域

立方氮化硼对铁系金属元素具有较强的化学惰性，不会与其发生化学反应而降低性能与使用寿命，以其为原料制成的磨料磨具，可以加工金刚石磨料磨具所不能加工的高速钢、工具钢、钨铬钴合金等材料。

在工程材料方面，CBN主要用做超级磨料，是加工各种钢材、铸铁、镍基、钴基合金的首选材料，尤其在现代精密加工领域，如汽车、航空航天、精密机械、微电子等精密工业方面，成为实现高效率、超精密、节约能源和操作自动化不可或缺的材料。

其次在功能材料方面，CBN是优良的半导体材料，可做成耐高温的CBN-PN结和发光二极管，可做极好的抗氧化涂层和光学窗口材料等，CBN晶体还是光谱适用范围很宽的电光晶体，具有非常广阔的应用前景。

二、超硬材料产业链结构

1.人造金刚石的产业链结构

目前，人造金刚石生产方式主要分为HPHT(高温压法)及CVD(化学气相沉积法)，此外还有一种爆轰法，使用的较少。

产业链角度看，除了下游应用市场之外，工业级金刚石与培育钻石的产业链结构基本是一样的。

人造金刚石产业链包括：(1)上游原材料供应商及设备：包括合金、石墨、叶腊石等原材料供应商及压机设备供应商，已形成国产替代;(2)中游金刚石及培育钻石生产制造企业：以中南钻石有限公司(简称中南钻石)、河南黄河旋风股份有限公司(简称黄河旋风)、郑州华晶金刚石股份有限公司(简称华晶金刚石/豫金刚石)、河南省力量钻石股份有限公司(简称力量钻石)为首，2020年CR4企业金刚石单晶销售额占国内市场份额70%以上，培育钻石市场占有率约80%;(3)下游：主要是金刚石工具生产企业，包括金刚石刀具、钻头、磨具、锯片、线锯等金刚石工具生产企业;进一步拓展到终端消费行业，包括建材、矿产资源机械制造、清洁能源等行业。

图表：人造金刚石的产业链结构

数据来源：中研普华产业研究院整理

2.CBN的产业链结构

合成CBN晶体的方法主要有：高温高压触媒法、高温高压直接相转变法、高温高压温度梯度法、水热合成法、气相法。以上方法中常用的是触媒法和温度梯度法，气相法主要用于薄膜生长。目前高温高压触媒法是占据绝对优势的CBN工业合成方法。

CBN产业链包括：(1)上游原材料供应商及设备：包括六方氮化硼、触媒材料等原材料供应商及压机设备供应商;(2)中游CBN制造企业：以中南杰特、富耐克为首，2020年CR2企业的国内市场份额在70%以上;(3)下游：主要是CBN工具生产企业，包括CBN刀具、磨具、刀片等生产企业。

图表：立方氮化硼(CBN)的产业链结构

数据来源：中研普华产业研究院整理

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