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培育钻石行业研究报告:品牌百花齐放,孕育钻石新生

时间:2022-12-08 21:01:31 | 浏览:1132

(报告出品方/作者:天风证券,刘章明)1. 培育钻石起源于上世纪 50 年代,生产与鉴定技术持续突破1.1. 什么是培育钻石?实验室合成的真正钻石培育钻石是在实验室中合成的真正的钻石。与锆石和莫桑石等钻石替代品不同,培育钻 石具有与天然钻石

(报告出品方/作者:天风证券,刘章明)

1. 培育钻石起源于上世纪 50 年代,生产与鉴定技术持续突破

1.1. 什么是培育钻石?实验室合成的真正钻石

培育钻石是在实验室中合成的真正的钻石。与锆石和莫桑石等钻石替代品不同,培育钻 石具有与天然钻石相同的光学、物理和化学特性,二者均为纯碳构成的晶体,在晶体结 构完整性、透明度、折射率、色散等方面均无明显差异。专业人士可以通过高科技设备 分辨实验室培育钻石和天然钻石,但肉眼无法区分二者外观上的差异。

价格优势及环境友好特性使培育钻石对传统钻石市场产生冲击。培育钻石和天然钻石的 差异主要体现在生产过程以及稀缺性两个方面。培育钻石生产过程约为半个月至一个月, 简单、环保、成本较低,稀缺性较低。而天然钻石的形成耗时数百万甚至数十亿年,是 一种不可再生资源,稀缺性较高;其开采过程释放大量二氧化碳,对地表造成不可逆的 损害。与天然钻石相比,培育钻石具备低廉的价格和环境友好的性质,可以说为消费者 提供了更多样的钻石消费选择。

1.2. 如何生产培育钻石?技术工艺持续迭代,从工业生产到商业消费

自 1797 年开始,科学家便开始了关于培育钻石的探索。天然钻石形成于地壳以下 150 英 里处,碳在极高的温度和压力下被压缩而成。1797 年英国化学家滕南特证明了金刚石与 木炭元素相同,率先通过实验确定了金刚石是元素碳的一种结晶形式,这便开启了实验 室制造金刚石的探索进程。随后,汉尼、穆瓦桑、布立基曼等科学家均通过各种实验进 行尝试,虽均未取得成功,但为之后人造金刚石的研究奠定了坚实的基础。

经过几十年科学技术的发展,目前培育钻石的生产方式主要有高温高压法(HTHP)和气 相沉积法(CVD)。


1.2.1. 高温高压法——数十年沉淀奠定商业化价值

高压高温法(HTHP)是实验室用于制造钻石的一种主要方法。这种钻石生长过程需要将 碳置于极端的温度和压力环境下,模拟地球深处天然钻石形成时的极端热量与压力条件。

在高温高压环境,借助金属助溶剂数周内结晶形成。HTHP 钻石是在一个小舱室里生长的, 这个小舱室位于可以产生极高压力的装置内。舱室内的碳原料(如石墨)熔解在铁(Fe)、 镍(Ni)、钴 (Co) 等元素组成的金属助溶剂中,从而降低钻石生长所需的温度和压力。然后, 碳材料借助助溶剂向温度较低的钻石晶种移动,并在其上结晶,形成培育钻石晶体。结 晶过程需要数天至数周时间,以形成一个或多个晶体。

通用电气公司于 1954 年制造出第一批高温高压法培育钻石,1957 年可量产。第一批成 功生产的培育钻石是由美国通用电气公司于 1954 年在代号为"超压项目"的项目下制造的。 该项目始于 20 世纪 40 年代,但由于第二次世界大战这项工作有所推迟。1954 年 12 月 16 日,项目组第一次在实验中获得了金刚石。实验过程于 1955 年发表,合成方法在 1957 年基本发展成熟,通过研究证明,加入氧化硼等金属触媒,可降低合成压力和温度 至 4-7GPa 和 1200℃-1700℃,可以批量生产金刚石。

1964 年,中国使用 200 吨级的两面顶压机首次成功合成人造金刚石。1965 年,中国研 发六面顶压机,该设备成为了我国超硬材料合成的主导设备。1967 年,俄罗斯掌握合成 工业级钻石晶体技术。1971 年,美国通用电气公司通过改良技术,成功培育出首次合成 出 5mm(约 1ct)宝石级黄色单晶金刚石。DeBeers 于 1990 年、1996 年分别合成出 11.14ct、 25ct 的宝石级金刚石。上个世纪,培育钻石被用于工业用途,例如用于电信和激光光学 领域、用作研磨材料等。

21 世纪后,中国在 HTHP 培育钻石方面持续取得突破。2002 年,吉林大学采用国产六面 顶压机技术合成 4.5mm 黄色金刚石单晶体,使中国成为继美国、英国、俄罗斯、日本后, 拥有自主研发 HTHP 宝石级金刚石技术的国家。2020 年,河南省力量钻石股份有限公司突 破掌握 5ct 白色培育钻石生长技术。目前,中国 HTHP 培育钻石生产技术已达到世界前 列水平。


1.2.2. 气相沉积法——持续更新,不断突破

化学气相沉淀法(CVD)是在实验室制造钻石的另一种方法。这种钻石的生长需要在真空 室内对烃类混合气体施加适当的压力和温度。

CVD 钻石是在充满碳氢混合气体(如甲烷)的真空室内生长的。能量源(如微波束)分 解气体分子,碳原子向下吸附到温度更低的扁平钻石排种盘中。结晶过程需要数周时间,多个晶体同时生长。确切的数量取决于真空室的尺寸和排种盘的数量。这种板状晶体通 常会形成需要切除的黑色石墨粗糙边