「珠宝」培育钻石：钻石界的新风口

本文将对培育钻石产业链及相关公司进行介绍。

一、培育钻石是什么？产业链情况如何？

（1）培育钻石是什么？

培育钻石是在实验室里模拟天然钻石的自然形成环境培育而成的合成钻石。不同于天然钻石需要在地球深处经历的数百万甚至数十亿年，合成培育钻石的方法主要有HPHT高压高温法和CVD化学气相沉积法，培育时间约为半个月至一个月。

实验室培育钻石和天然钻石晶体的形成温度所差无几，两者在化学成分、物理性质完全一致，从肉眼上看无法对两者进行区分。

目前，培育钻石也凭借着较高的性价比成为了钻石消费领域的新兴选择，广泛用于制作钻戒、项链、耳饰等各类钻石饰品及其他 时尚 消费品。

（2）产业链情况：上、下游毛利率最高，中国为培育钻石主要产地之一

由产业链的角度来看，培育钻石产业链上游涵盖生产设备及金属触媒等原材料供应，以及培育钻石毛坯的生产等环节，获利能力上，上游毛钻生产毛利率高达60%。其中，产业链，上游的HPHT法培育钻石产能大多数在中国，而CVD法则主要分布于美国、欧洲、中东、印度、新加坡等地。2020年，全球培育钻石毛坯的产量大约为600-700万克拉， 近50%的培育钻石是在中国用HPHT法生产而成的，其中，黄河旋风、中南钻石、豫金刚石居于前三位。

同时，培育钻石的生产对企业的研发实力、工艺水平和质量控制提出了较高的要求，因此只有在人造金刚石领域具有规模优势的龙头企业才具有资金及规模优势进入培育钻石领域的研发及生产，上游生产企业具备一定壁垒。

培育钻石的中游，主要对钻石毛坯进行贸易、加工和设计镶嵌，中游加工的毛利率约在10%以下。目前印度是全球培育钻石的切磨中心，2015-2020年印度进口全球80%以上的毛坯钻石，其切磨加工集中在苏拉特等地，形成了高度集中的加工产业集群。而中国钻石切磨：工厂分散在广东、广西、河南、湖南等地，在切磨加工后的成品钻石销往世界各地。

培育钻石的下游则行进行钻石的终端零售、营销推广，毛利率同样也达60%。目前美国是全球培育钻石市场发展最成熟的市场。从消费结构来看，全球培育钻石消费市场中，美国和中国分别约占全球的80%、10%。从零售品牌数量来看，美国拥有25个培育钻石品牌，中国拥有19个，欧洲有9个。

二、为何看好该行业？

1、培育钻石与天然钻石的物理性质不存在明显差异，但零售价格约为天然钻石的45%，性价比优势显著，在天然钻石供给增长缓慢的背景下，培育钻石有望替代部分天然钻的需求。

随着人造金刚石合成工艺的不断提高，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用于消费领域。

对比来看，培育钻石和天然钻石在晶体结构完整性、透明度、折射率、色散等方面与天然钻石无明显差异，但零售价格却远低于天然钻石，2019年培育钻石零售价格约为天然钻石的45%，而用培育钻石做成的饰品的销售价格约为同等级天然钻石饰品销售价格的30%-50%，这大幅降低了消费者的购买门槛。

同时，近年来毛坯天然钻石产量呈现不断下降趋势，而根据贝恩发布的《2020-2021钻石行业报告》，全球毛坯钻石产量在未来10年增长缓慢，甚至出现下滑，预计悲观情况下，全球毛坯天然钻石产量平均每年’下降1%-2%，但全球钻石消费需求却不断增加，供需失衡趋势为培育钻石发展带来了机遇，培育钻石有;望凭借较高的性价比替代部分天然钻石的需求。

2、全球珠宝巨头纷纷入局培育钻业务，有望培养消费者习惯和认知，行业渗透率有望快速提升。

培育钻石作为珠宝行业新兴赛道，珠宝钻石品牌商积极入局，培养消费者习惯。2016年施华洛世奇创建了培育钻石品牌Diama， 2018年5月全球最大钻石生产商戴比尔斯宣布推出培育钻石饰品品牌Lightbox。另外，2021年5月，全球最大珠宝商之一丹麦潘多拉宣布，将停止使用开采的钻石来制作珠宝，今后将只使用实验室生产的钻石。

与此同时，国内珠宝商也积极布局培育钻石行业。2021年8月12日，拥有“老庙黄金”、“亚一金店”等国内一线珠宝品牌的豫园珠宝推出自有培育钻石牌品牌“露璨（LUSANT）"，于线上天猫旗舰店开启试运营，这是国内头部大牌珠宝商推出的首个培育钻石品牌。

目前，培育钻行业渗透率约6%，国内外珠宝巨头纷纷推出培育钻品牌，有望培养消费者习惯和认知，从而带动培育钻行业渗透率快速提升。

3、行业标准逐步建立，为培育钻石价值流通提供依据。

行业是否规范是决定行业能否蓬勃发展的重要因素之一，因为任何能够做大做强的行业都需要有一个统一的标准来确定商品的价值，使其可以快速流通。

目前，培育钻石行业标准的正在加速制定，为培育钻石价值流通提供依据，推进培育钻石行业的规范化发展。

例如，2020年10月，GIA （美国宝石学院）公告称正式启用新版培育钻石检测报告；近期，国家珠宝玉石质量监督检验中心（NGTC）更新了《合成钻石鉴定与品质评价》，并且，目前NGTC已经可以出具实验室培育钻石镶嵌首饰证书，据称后续还将推出实验室培育钻石裸钻分级证书。

综合来看，2020年全球培育钻石饰品市场规模约680亿元，疫情之下培育钻石产量仍然同比增长167%，增速明显高于天然钻石，预计到2025年全球培育钻石饰品市场规模1400亿元，复合增速高达155%。

三、相关个股

黄河旋风600172 ：国内最大金刚石生产企业之一，2021年重新聚焦超硬材料主业公司是目前国内规模领先、品种最齐全、产业链最完整的超硬材料供应商。公司生产的超硬材料主要产品为各类规格的金刚石（如工业级金刚石、宝石级金刚石）、金属粉末、超硬复合材料（复合片）、超硬刀具、金刚石线锯等。

2020年公司的培育钻石销量占全球培育钻石销售市场的20%左右，其中高端品质占50%以上。公司于2015年实现了“宝石级金刚石系列产品开发与产业化”项目的产业化和市场化批量生产，目前公司3-5克拉首饰用培育钻石在国内外拥有稳定的市场。

2020年公司业绩亏损主要受此前收购名匠智能业务拖累，公司已出售名匠智能全部股权，2021年重新聚焦超硬材料主业，第一季度公司营收达631亿元，同比增长56%，同时利润端扭亏为盈，归母净利润达1029万元。

中兵红箭000519 ：子公司中南钻石为国内最大培育钻石生产商之一

中兵红箭主要业务包括特种装备业务板块、超硬材料业务板块、专用车及 汽车 零部件业务板块三大业务板块，其中全资子公司中南钻石主要负责超硬材料业务板块，为国内最大培育钻石生产商之一。2020年中南钻石实现收入1921亿元，收入占比达2972%，实现净利润41亿元。

中南钻石主要以HPHT技术生产培育钻石，产品以2-10克拉为主，公司已掌握了“20-50克拉培育金刚石单晶”合成技术，20-30克拉培育钻石可批量化稳定生产，同时公司也掌握了厘米级高温高压法CVD晶种制备技术，CVD培育钻石产品制备技术达到了国际主流水平，2019年公司投入年产12万克拉高温高压法宝石级培育金刚石生产线建设项目，预计2022年10月达产。

培育钻石概念相关个股培育钻石的性价比优势+各种珠宝钻石品牌均培育消费，培育钻石或将替代部分天然钻石的份额，行业有望迎来爆发，潜在市场规模有望达千亿级别，我们梳理了一份培育钻石概念相关个股。

国机精工002046： 2020年超硬材料及制品收入占比为2039%。截止20年底，新型高功率MPCVD法大单晶金刚石项目工程进度为5987%，该项目主要培育消费类和工业类生产商人造钻石。

ST金刚300064 ：2020年超硬材料收入占比为8882%。公司致力于培育钻石消费理念的传播、培育钻石文化推广、品牌销售体系搭建等，2014年实现大单晶技术突破，成为国内首家实现大单晶规模化量产的企业。

沃尔德688028 ：2020年超硬复合材料收入占比为899%功能性CVD金刚石材料和器件、装饰用CVD钻石（培育钻石）等高端超硬工具和超硬材料产品实现规模化生产和销售。

四方达300179： 公司是国内规模优势明显的复合超硬材料企业，产品包括石油/天然气钻探用聚品金刚石复合片、煤田及矿山，用金刚石复合片等。

零售商：

豫园股份600655： 2020年珠宝 时尚 收入占比为5032%。公司推出培育钻石品牌“露璨（LUSANT）”，是国内头部大牌珠宝商推出的首个培育钻石品牌。

由于钻石具有产量稀少、外观美丽、耐久这三大要素，在上世纪一些珠宝商的营销下，钻石成为了人们趋之若鹜的宝石，价格大幅上升，俨然成了宝石之首。“钻石恒久远，一颗永流传”的广告语，也在我国掀起了钻石热，一段时间内很多新娘都戴上了钻戒。

由于钻石巨大的销售价值，以及它简单的化学成分，因此很多科学家开始琢磨着怎样合成钻石，经过多年的研究之后，科学家终于在1953年人工合成了钻石，只是受限于当时的技术，人工合成的钻石还达不到宝石级别，很少用在饰品上面，大多用在工业上面。

实验室合成钻石也分为HPHT钻石和CVD钻石两种，分别表示它的加工方式：高温高压（High-Pressure High-Temperature）以及化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）。

在很长一段时间内，人造钻石的技术都没有很大的进步，直到2010年，蒙宇飞博士合成出当时世界上最大的无色切割CVD钻石，重达23克拉，自此以后，人工合成钻石的技术发展到了一个新的阶段，也给钻石市场带来了巨大的震荡。

实验室人造钻石和天然钻石没有任何质量上的区别，反而在品质上要更胜一筹，从外观上根本就无法区分，即使是专业的鉴定师，也必须借助专业的仪器才能进行区别。

实验室培养的人工钻石应用在首饰上，是一件不可避免的事情，尽管一些老牌的钻石珠宝商还是刻意夸大天然钻石的价值，企图人为地区分两者的价值，但在2018年，美国联邦贸易委员会取消了天然钻石和人造钻石的区别，统一定义为钻石。

百度cvd技术 全称化学汽相沉积法 所谓的高碳钻就是这种工艺制造的人工合成钻石 它就是钻石 就是钻石 就是钻石 凡是说什么物理学属性不同啊 什么和天然钻石成分不同啊什么的不是瞎胡说就是珠宝商的托 工业批量制造的产品 其品质对比天然的只会高不会低 这是常识 钻石行当本来就是炒作出的价值 所谓“保值”更是无稽之谈 我国在cvd合成钻石的批量制造技术上还是很先进的 很多高校都有相关的实验室 钻石这玩意 早就是能够批量制造的石头蛋子了 所以不要再给无良珠宝商交智商税了

　　高压高温造就人造钻石

　　目前，在实验室有两种制造人造钻石的途径。

　　一种是化学气体相沉积法，英文简称叫做CVD，由位于波士顿的阿波罗钻石公司研制。

　　这种方法较灵巧，是一种在高压器里制造钻石。具体是在一个如洗碗机大小的高压器里，用化学气体相沉积的方法来加热天然气和氢气，接着便会产生一种碳化电浆，电浆随后会像雨点一样撒落在高压器底部的碳化基片层上。电浆越积越多，而且慢慢变硬，最后形成像钻石一样的晶体，纯且清亮。

　　另一种制造人造钻石的方法是由位于佛罗里达州的盖迈希公司研制的“残酷”办法。

　　在这里，高温和高压更是制造技术的关键。在一个陶制的容器里，液压机可以提供高压达58000个大气压，而电则可以产生热量，温度可达2300华氏度，如同提供了一个仿真天然钻石在地壳中形成的环境。科学家在这种高压和高温的状态下，把碳晶体原料变成黄钻石。

　　尽管生产人造钻石的仪器非常昂贵，但比起开采一个钻石矿还是要划算得多。目前，盖迈希公司正在销售由它生产的有色人造钻石，包括极其罕见的黄钻石和蓝钻石。黄钻石可用作珠宝，但用于数字技术还不够纯。不过，其价格相对天然钻石要低，例如人造黄钻石的售价大约是5000美元一克拉，而天然的要4倍的价钱才能买到。

肯定是有前景的，但是现在重心往cvd这块了，高温高压做的金刚石在尺寸和质量上都远远比不上CVD的，CVD技术在国外已经很成熟了，国内处于起步阶段，目前国外制备的人造的单晶钻石已经在市场上流行了，价格只有天然钻石的百分之七十，但是人造CVD金刚石更大的优势就是能够做到大面积的厚膜，工业和军事上的需求量很大的。

这个是有的。我们知道,钻石的化学成分是碳元素,它与石墨的区别就在于结构不一样。把毛发或者人体的骨骼,用作原料,可以提纯 碳元素。提纯出来的碳元素可以用作原料,用CVD法或高温高压法合成钻石。国外已经有专门的公司做这样的生意,就是很高科技,收费很贵。国内暂时还没有听说过有专门做这个的。

沈才卿

作者简介：沈才卿，中宝协人工宝石专业委员会第一届副主任委员，第二、三届常务副主任委员兼秘书长，核工业北京地质研究院成矿模拟实验室高级工程师。

一、金刚石的性质

金刚石的化学成分是碳（C），可含有硼和氮等杂质。

结晶状态：晶质体。

晶系：等轴晶系，常见八面体、菱形十二面体、立方体等晶形，晶体常发育阶梯状生长纹、生长锥或蚀象。

常见颜色：①白色系列，无色至浅黄、浅褐；②彩色系列，深黄、褐、灰色，浅至深的蓝、绿、橙黄、粉红、红、紫红色，偶见黑色。

光泽：金刚光泽。

摩氏硬度：10。

密度：（352±001）g/cm3。

光性特征：均质体，偶见异常消光。

折射率：2417。

双折射率：无。

色散率：0044。

紫外荧光：长波下荧光从无至强均有，荧光颜色有蓝色、**、橙**、粉色等，短波较长波的荧光弱。

特殊性质：钻石热导率高于所有其他物质（最近人工合成的碳硅石除外），另外，发光性较特殊，将钻石置于日光下暴晒后，会发出淡青蓝色的磷光；在X射线照射下大多数发天蓝色或浅蓝色荧光，极少数不发荧光；在阴极射线下发蓝色或绿色光。

无论是天然金刚石还是人工合成金刚石，它们对所有的酸都是很稳定的，甚至在高温下酸也不能在金刚石晶体上显示出任何作用；但是，金刚石在碱、含氧盐类和金属等溶体中，很容易受浸蚀。由于金刚石的成分是碳，所以在纯氧中温度达到700～780℃可燃烧；在空气中不断加热至800～1000℃时也可燃烧；在真空中800～1700℃条件下，仅在结晶表面的薄层有石墨化，内部无变化；在惰性气体中，约1700℃以上时，整个结晶体迅速发生石墨化，最后成为石墨粉末，石墨化的开始温度随结晶体而异，在1600～1800℃之间。金刚石的熔化温度为（3700±100）℃。有缺陷的金刚石晶体，在加热时往往破裂，但结晶完好的金刚石晶体可以加热到1800～1850℃，且可急速冷却，此时它们不仅没有被破坏，反而由于消除了局部应力而使晶体得到强化。

最常见的金刚石晶体是八面体，其次是斜十二面体，真正的立方体是很少的。金刚石的硬度最高，却很容易裂开，它最容易沿晶体面网间距最大的（111）面裂开，这个面也称金刚石的“解理面”，著名的金刚石“库利南”原石重 31069克拉，就是利用金刚石的解理面劈成许多小块的。对于晶体完好、无可见缺陷的金刚石来说，将晶体劈开的压力在300～1000N/cm2之间。

二、金刚石的人工合成历史、方法和原理

1人工合成金刚石的历史

1953年人工合成金刚石首次在瑞士 ASEA公司试验成功，但没有报道。1955年2月15日美国通用电气公司最先报道了人工生长金刚石获得成功的消息，取得了发明权。自此，世界各国纷纷进行人工合成金刚石的试验和开发，起初人们只能大量合成出细小的、质量不高的工业级金刚石，主要供工业方面应用。但人们一直在设法长出优质的金刚石大单晶。终于在1970年，美国通用电气公司宣布用晶种法、经过七天时间生长出了5～6mm的宝石级金刚石，晶体重量达1克拉左右。后来，他们致力于提高晶体生长速率的研究，只需几十小时就可生长出上述同样大小的金刚石。1992年，该公司合成出热导率比天然金刚石大2倍的超级金刚石，颗粒重量达到3克拉。南非 De Beers公司在20世纪70年代初能生长出宝石级金刚石，1987年生长出了1114克拉的大单晶，是浅**、透明的宝石级八面体歪晶形金刚石，1990年又宣布生长出了143克拉的金刚石大单晶，资料表明，后来又合成出重30多克拉的黄—棕色金刚石晶体。前苏联科学院西伯利亚分院1990年宣布生长出了75mm，重15克拉的不同颜色的宝石级金刚石。他们是目前世界上唯一能将人工合成钻石（通常将加工好的金刚石称钻石）进入市场的国家。如今，俄罗斯与泰国的合资企业 Tairus公司生产人工合成钻石，既供裸钻又供镶嵌好的钻饰。据报道，美国向俄罗斯购买了人工合成宝石级金刚石的技术，因此，市场上也有美国生产的人工合成钻石。

2我国的人工合成金刚石历史

我国的人工合成金刚石于 1963年获得成功，由于工艺比较成熟，还有专门生产设备的厂家，供求量又大，不少乡镇企业都能生产。据1998年统计，我国有大小人工合成金刚石厂3000家左右，年产量5亿克拉左右，但这些人工合成金刚石都比较小，只能作工业用，其质量属于工业级。对于大颗粒金刚石，曾于1974年由上海硅酸盐研究所用金属薄膜法生长出了优质金刚石大单晶，并于1977年生长出最大达4mm，重量达029克拉的含硼半导体金刚石大单晶，后于1985年又采用晶种法获得了直径32mm，重量为02克拉的优质人工合成金刚石大单晶。但直到现在，我国尚未进入商业生产人工合成宝石级金刚石的行列，也就是说，珠宝首饰市场上至今没有我国生产的人工合成钻石。据2002年年中的不完全统计，我国人工合成金刚石厂有4000～5000家，但生产单颗粒工业级人工合成金刚石的厂家只有450家左右，其他主要是生产聚晶金刚石或生产金刚石制品的。然而，这450家左右的人工合成工业级金刚石厂的产量较大，从消耗的原材料与触媒量估算（原材料与触媒的用量与人工合成金刚石的产量之间有一定的比例），我国人工合成工业级金刚石的年产量应当有12亿克拉左右，估算年生产能力可达15亿～20亿克拉。通过强强联合或兼并，我国目前年产量达2000万克拉人工合成工业级金刚石的厂有10家左右，最大的厂家可达年产量1亿～2亿克拉人工合成工业级金刚石。六面顶金刚石压机用的叶蜡石外形见图1，合成金刚石原料分选机见图2。

图1 六面顶金刚石机用叶蜡石外形

3我国人工合成工业级金刚石的优势与劣势

我国人工合成工业级金刚石年产达12亿克拉左右，但目前全世界年产人工合成工业级金刚石（除中国外）有7亿～8亿克拉，其中主要生产国及公司有：俄罗斯，年产 2亿克拉左右，美国，年产2亿克拉左右，De Beers公司年产2亿克拉左右，可见我国年产量的优势很大。但是，我国生产人工合成工业级金刚石的劣势也很大，主要差距有：①每一次合成金刚石产量（单产）的差距：国外达到单产600～700克拉；我国97%以上的人工合成工业级金刚石生产厂用的是六面顶金刚石压机，最少的单产仅10克拉左右，好的能达到单产30克拉左右，最好的能达到单产40克拉左右；二面顶金刚石压机单产较高，可达60克拉左右，可见与国外人工合成金刚石单产差距很大。②人工合成工业级金刚石质量的差距：人工合成工业级金刚石的质量主要有下列几方面：合成金刚石单颗粒抗压强度、晶体形态、热稳定性、抗冲击强度、粒度大小等，与国外主要生产国生产的人工合成工业级金刚石比，我国生产的人工合成工业级金刚石质量比较差。国内同类产品比较，二面顶金刚石压机生产的人工合成工业级金刚石的质量比六面顶金刚石压机生产的人工合成工业级金刚石质量好。③价格差距：我国出口的人工合成工业级金刚石以原料为主，每克拉平均销售价为10美分左右；国外的人工合成工业级金刚石原料平均售价70～80美分，最高售价可达1～2美元。价格是由产品质量决定的，这也印证了我国生产人工合成工业级金刚石的质量较差的评价。④设备的差距：国外以二面顶金刚石压机为主要生产设备，其压力相当于6000～10000t，合成腔的体积大，所以单产高；我国有97%的人工合成金刚石是用六面顶金刚石压机生产的，其优点是投资低，技术难度不高；但缺点是合成压腔小，单产低，质量差；对于二面顶金刚石压机来说，其压力比六面顶金刚石压机大，但压力相当于2500吨，比国外的二面顶金刚石压机的压力小很多，合成腔也比国外的小，所以单产比较低。我们能把压力提高吗？！难。据说主要是国内生产的相当于6000吨压力用的合成腔材料质量达不到要求。目前，国内已有单位从国外引进相当于6000吨压力的金刚石压机用以生产高质量的人工合成工业级金刚石。

图2 合成金刚石原料分选机

4我国人工合成金刚石的最新进展

1）在20世纪90年代，原国家建材部人工晶体研究所，曾用化学气相沉淀法（CVD）法生长出2mm厚、5mm边长的黑色金刚石戒面供应市场。据北京航空航天大学陈汴琨教授介绍，2006年我国某单位已能用此法生长出厚1mm左右，面积100cm2左右，重量为150克拉的金刚石块体，只不过价格还偏高，这样一块金刚石原料的价格在1万元人民币左右。

2）2003年8月14日，《宝玉石周刊》刊登了“我成功在440℃下合成金刚石”的消息。中国科学技术大学陈乾旺教授领导的研究组在关于“低温还原 CO2合成金刚石”研究中，实现了在440℃的低温条件下，以CO2为碳源成功地合成了250μm的大尺寸金刚石，首次实现了从CO2到金刚石的逆转变，在国际学术界引起极大反响。陈乾旺教授和同事们自行研制高压反应釜进行实验，用安全无毒的CO2作原料，使用金属Na作为还原剂，在440℃和80MPa的条件下，经过12h的化学反应，终于将CO2还原成了金刚石。目前，已能生长出12mm的金刚石，有望达到宝石级，CO2转化金刚石的产率达89%,X射线衍射及拉曼光谱的分析结果都证实，这些合成的颗粒就是金刚石，它无色、透明，可与天然金刚石媲美。该工艺重复性很好，用其他碳源和还原剂也取得了成功，有关结果已申请国际专利。

5人工合成金刚石的原理

众所周知，金刚石的化学成分与石墨相同，都是碳（C），但石墨很软，金刚石很硬，区别在于石墨为六方结构，金刚石为立方结构。要把石墨的六方结构转化成金刚石的立方结构，条件很苛刻，需2700℃温度和125GPa的压力。这样高的温度和压力给生产设备的制造带来相当大的困难，且转化率不高。后来人们采用了过渡族金属元素铁、钴、镍、铬、锰等组成的“触媒剂”，便可以在1200℃和4GPa下使石墨转化成金刚石。石墨在触媒作用下转变成金刚石的结构简图见图3。

图3 石墨在触媒作用下转变成金刚石的结构简图

比较转变前后的结构变化，可以看出石墨层间距缩小了大约13×10-10m。石墨层中的相邻原子分别相对于层平面垂直方向向上和向下位移了大约25×10-10m，变成相距为50×10-11m的双层。双层中原子间以共价键连接形成了扭曲的六边形格子，原子间距伸长为154×10-10m。这样，上双层的下次层与下双层中的上次层的原子彼此完全对应，且亦相距154×10-10m。只要原来的自由 2Pz电子成对地集中到这些相对应的原子对间形成键长为154×10-10m的垂直共价键，就可以变成金刚石的结构。这种转变方式显然要比把石墨中的碳原子拆散，再重新组成金刚石的转变容易得多。目前，世界各国的人工合成工业级金刚石都采用此方法，操作时采用一片高纯石墨片，一片金属触媒片交互重叠组装后放入专用装置中，再在二面顶或六面顶金刚石压机中进行合成（图4）。但我国至今没有生产宝石级合成金刚石（通常认为要达到 5mm大小的晶体）的厂家，几乎全部是工业级合成金刚石和金刚石产品深加工企业。

图4 两面顶金刚石压机及产品

对于宝石级大颗粒金刚石的人工合成，一般采用金刚石作晶种，用金刚石粉代替石墨作碳源，生长腔的中间温度比两端高，必须采用金属触媒剂。晶种触媒法生长宝石级金刚石的两种不同合成腔结构如图5。

图5 合成宝石级金刚石的两种不同合成腔结构

其生长工艺过程如下：腔体中部（热区）放置金刚石粉（或光谱纯石墨与金刚石粉的混合物），用镍铁（1:1）合金为触媒剂，金刚石晶种安放在两端冷区，在高温超高压条件下（55GPa,1300～1400℃之间），原料区的碳源迅速溶解于熔融触媒金属液中，在温度梯度30～50℃的推动下，热区中的碳向冷区的金刚石晶种方向扩散，在温度的降低过程中必然出现部分过饱和浓度的碳，这些碳沉积在金刚石晶种上，从而使晶种不断长大成金刚石大晶体，直到碳源消耗完为止。若在原料中人为加入某些杂质，就可以使金刚石着色，如加入氮（通过加入少量的钛吸附氮元素）可获得**或绿色；加入硼则可获得蓝色，并具有半导体性质；加入足够量的钛可使合成钻石变成无色；加入一定量的铁也可使合成钻石获得近于无色的合成钻石。在这里，触媒剂既起溶解碳的作用，又起加快金刚石生长的催化剂作用。

6人工合成金刚石方法面面观

人工合成金刚石的方法很多，上面说的两种方法是最常用的方法。因不同的用途还有不同的方法，随着科学技术的发展也发明了一些新的合成方法，总共有数十种，下面介绍5种：

（1）爆炸法

利用烈性炸药爆炸时产生的高温高压使石墨转化成金刚石，但由于保持温度和压力的时间很短，所以形成的金刚石颗粒很小，平均粒度不到10μm，最大粒度约40μm，最佳情况下，每千克炸药能合成 60克拉金刚石微粉，产品适宜制造研磨膏，也可作为聚晶金刚石的原料。此法的最大优点是便宜、投资少、单次产量高（可达500克拉）。

（2）液中放电法

将含有触媒金属的石墨电极及空心圆筒石墨（或金属）作成两电极，浸在低蒸发热的液体介质中（如四氯化碳），空心圆筒电极与石墨电极同轴，当接通很大的电流电压时，两电极间产生火花放电，使液体产生冲击波，形成高温高压区，石墨可转化成金刚石。此法可获得05mm的金刚石微粉，主要缺点是产量不高。

（3）常压高温合成法

也称CVD法，这是在常压下合成金刚石的方法。此法用含碳的甲烷气体或酒精浓度的白酒作原料，在常压下经加热分解出碳原子（等离子体），在电场的作用下，游离的碳原子在金刚石籽晶表面上沉积生长出金刚石，也可以在非金刚石表面镀金刚石微粒。用这个方法生长的金刚石原来速度很慢，颗粒很细，常用于表面镀膜，例如在导弹头上用此法镀金刚石薄层。近年来，国际上对此法的研究获得了技术上的突破，生长速度大大提高，已能生长出 10克拉以上的大单晶金刚石，成为各国竞相开发的热门工艺，我国也在迎头赶超。

（4）常压真空合成法

在真空炉中放入触媒金属，再撒上石墨粉，然后抽真空加热，在900℃下恒温10h，可用于钻头和磨料的工业级金刚石就在加热的混合物中结晶析出，经过分离即可使用。

（5）还原二氧化碳合成金刚石

2003年8月14日，《宝玉石周刊》刊登了“我成功在440℃下合成金刚石”的消息。中国科学技术大学陈乾旺教授领导的研究组在关于“低温还原CO2合成金刚石”研究中，实现了在 440℃的低温条件下，以 CO2为碳源成功地合成了250μm的大尺寸金刚石，首次实现了从 CO2到金刚石的逆转变，在国际学术界引起极大反响。

三、人工合成金刚石的用途和前景

人工合成金刚石有着广泛的用途。

1）我们常见的地质勘探用金刚石钻头，切割石头和道路的金刚石锯片（图6）。加工宝石用的金刚石磨盘、金刚石微粉抛光膏，金刚石拉丝模等等都少不了金刚石，并且用量是很大的，据1975年统计资料，全世界每年金刚石用量为125亿克拉，其中绝大部分用的是人工合成金刚石。

图6 人工合成金刚石制的锯片

除此之外，人工合成金刚石在高科技和国防工业上也有很大的用处。

2）利用金刚石的高导热性，可以用来作固体微波器件及固体激光器件的散热片，为制造微型雷达和通讯设备创造了有利条件。

3）利用Ⅱa型金刚石的半导体特性，及耐高温与散热、高硬度和抗腐蚀等优良性能，可以做金刚石整流器、金刚石三极管、金刚石温度计等，在宇宙航行中可大显身手。

4）厨具革命：在日用消费品领域，各种厨具的表面可镀上合成金刚石膜，这样，钻石的低摩擦系数使食物更不易粘在锅底；钻石的高硬度使厨具不会轻易遭到损坏等。

5）无油轴承：在现有的轴承表面镀上合成金刚石膜，可大大降低摩擦系数，不用油且不易损坏，同时可保护轴承免遭海水的腐蚀。

6）钻石窗：钻石对可见光及红外光等光谱范围内的电磁辐射是完全透明的，对高速雨滴及尘埃具有较强的抵抗力，又可迅速传导由于空气摩擦而产生的热量，这些特性使钻石在航天探测中具有重要意义。如1978年，美国先锋号宇宙探测器在对金星进行的探测中，就安装了钻石窗，由于金星的大气压是地球的近100倍，因此当探测器在金星的大气层中下降时，钻石窗既能承受巨大的热量和压力，又能使金星大气层中的红外线穿过钻石窗而不被吸收，从而使探测器能成功地测量到金星大气中的红外辐射。当时的这一钻石窗是从一块宝石级天然金刚石上切下来的，现在可以用CVD方法人工合成出类似或更大直径的钻石窗了。

7）超级计算机应用：采用数字集成电路的大型计算机的运算速度取决于信号在各块芯片之间的传送速度，人们采用了三维多芯片模块，但信号在芯片之间的高速传送会释放出大量的热量，以前用液氮来解决，现在采用芯片直接安放在高纯度的合成金刚石膜上进行散热，可大大提高超级计算机的运算速度。

由此可见，人工合成金刚石对工业的发展、科学技术的发展和国防工业的发展具有重要作用。从这里，我们也看到了人工合成金刚石或钻石的前景非常广阔。

参考文献

沈才卿，吴国忠1994人造宝石学 北京：中国地质大学出版社

郭永存等1984金刚石的人工合成与应用北京：科学出版社

何雪梅，沈才卿吴国忠1997宝石的人工合成与鉴定北京：航空出版社

何雪梅，沈才卿2005宝石人工合成技术北京：化学工业出版社

张蓓莉等1997系统宝石学北京：地质出版社

《宝玉石周刊》（报纸）2003年8月14日