超硬材料的應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)分析

• 楊興杰 2023年5月17日 來源：中研網(wǎng) 363 16
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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

一、超硬材料應(yīng)用領(lǐng)域

1.人造金剛石的應(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。

（一）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(cè)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(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。

科技的發(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)。

（二）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(jí)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(jí)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(duì)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。

2.CBN的應(yīng)用領(lǐng)域

立方氮化硼對(duì)鐵系金屬元素具有較強(qiáng)的化學(xué)惰性，不會(huì)與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(jí)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(xiàn)代精密加工領(lǐng)域，如汽車、航空航天、精密機(jī)械、微電子等精密工業(yè)方面，成為實(shí)現(xiàn)高效率、超精密、節(jié)約能源和操作自動(dòng)化不可或缺的材料。

其次在功能材料方面，CBN是優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，可做成耐高溫的CBN-PN結(jié)和發(fā)光二極管，可做極好的抗氧化涂層和光學(xué)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(yīng)用前景。

二、超硬材料產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)

1.人造金剛石的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)

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

產(chǎn)業(yè)鏈角度看，除了下游應(yīng)用市場(chǎng)之外，工業(yè)級(jí)金剛石與培育鉆石的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)基本是一樣的。

人造金剛石產(chǎn)業(yè)鏈包括：(1)上游原材料供應(yīng)商及設(shè)備：包括合金、石墨、葉臘石等原材料供應(yīng)商及壓機(jī)設(shè)備供應(yīng)商，已形成國產(chǎn)替代;(2)中游金剛石及培育鉆石生產(chǎn)制造企業(yè)：以中南鉆石有限公司(簡稱中南鉆石)、河南黃河旋風(fēng)股份有限公司(簡稱黃河旋風(fēng))、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(yè)金剛石單晶銷售額占國內(nèi)市場(chǎng)份額70%以上，培育鉆石市場(chǎng)占有率約80%;(3)下游：主要是金剛石工具生產(chǎn)企業(yè)，包括金剛石刀具、鉆頭、磨具、鋸片、線鋸等金剛石工具生產(chǎn)企業(yè);進(jìn)一步拓展到終端消費(fèi)行業(yè)，包括建材、礦產(chǎn)資源機(jī)械制造、清潔能源等行業(yè)。

圖表：人造金剛石的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)來源：中研普華產(chǎn)業(yè)研究院整理

2.CBN的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)

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(zhuǎn)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(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的CBN工業(yè)合成方法。

CBN產(chǎn)業(yè)鏈包括：(1)上游原材料供應(yīng)商及設(shè)備：包括六方氮化硼、觸媒材料等原材料供應(yīng)商及壓機(jī)設(shè)備供應(yīng)商;(2)中游CBN制造企業(yè)：以中南杰特、富耐克為首，2020年CR2企業(yè)的國內(nèi)市場(chǎng)份額在70%以上;(3)下游：主要是CBN工具生產(chǎn)企業(yè)，包括CBN刀具、磨具、刀片等生產(chǎn)企業(yè)。

圖表：立方氮化硼(CBN)的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)來源：中研普華產(chǎn)業(yè)研究院整理

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