來源:?iVacuum真空聚焦
【康沃真空網】說到鉆石，我們經常將它與昂貴和堅硬聯系到一起。眾所周知，鉆石的主要成分是碳，本身原料并不稀奇。之所以稀有，是因為鉆石的形成條件非?？量獭?/p>
天然鉆石誕生在地幔層，并隨著火山運動來到地球表面。開采后的天然鉆石中，大部分屬于工業級金剛石，能夠達到珠寶級的鉆石少之又少，再加上開采難度大，因此在過去，鉆石長期被皇室、貴族等壟斷。
隨著科學技術的進步，人們開始思考：既然鉆石的原料很容易獲取，且鉆石售價高昂，我們可不可以生產出人造鉆石呢？1954年，通用電氣公司宣布他們生產出了第一個商業用途的人造鉆石。至此，培育鉆石正式進入了工業及消費領域。
如何培育鉆石
在了解培育鉆石之前，我們先要了解天然鉆石是怎么形成的。
天然鉆石形成于地下深處約177~241公里。這個深度的壓力可以達到近50000個大氣壓。溫度范圍從1100℃~1500℃。這些強烈的地質條件將碳壓縮成最致密的形式，在巖漿中形成鉆石。所以在鉆石的形成過程中，溫度和壓力是重要條件。
而培育鉆石又稱生長鉆石，通俗得說就是用小鉆石作為“種子”，通過技術手段模擬天然鉆石的生長環境，讓“養料”中的碳原子逐漸附著在鉆石種子上，從而讓鉆石種子成長為更大的鉆石晶體。
培育鉆石與天然鉆石的光學特性、物理特性、化學特性及硬度也是完全相同的。
培育鉆石的生產方式
培育鉆石的生產技術主要有HPHT（ High Pressure High Temperature）高壓高溫法和CVD（Chemical Vapor Deposition）化學氣相沉積法，培育時間約為半個月至一個月。高溫高壓法主要以中小顆粒鉆石為主，生長速度快；CVD法具備大顆粒優勢，凈度更高、更可控。
?、?高溫高壓法（HPHT）
HPHT主要是利用高溫高壓技術模擬天然鉆石的生長過程，在地上重現碳元素層的反應，使碳粉中的碳原子重新連接形成鉆石晶體。
丨將一個包含碳材料、稱為金屬熔劑的金屬混合物和小鉆石種子放入壓機中，使用的碳原料通常是石墨；
丨將壓機生長倉加熱至1300℃~1600℃的溫度，并加壓至59200個大氣壓；
丨將碳源溶解到金屬熔劑中，有助于降低形成鉆石所需的溫度；碳源通過熔融金屬混合物在鉆石種子周圍結晶緩慢長大，最終形成培育鉆石毛坯。
?、?化學氣相沉積（CVD）
CVD是在高溫低壓的真空環境下，使氣體中的碳原子均勻的沉積到天然鉆石薄片中，生長到足夠的厚度，形成培育鉆石。CVD由于工藝和生產成本限制，適合生產3.5克拉以上的培育鉆石毛坯。
丨將真空室抽真空，用混合氣體（包括碳、氫和氧）填充真空室；
丨將基板添加到真空室中，通常是金剛石種子的晶種片；
丨使用微波、激光或熱燈絲將真空室加熱到800℃~1000℃的溫度，來自熱源的能量使碳從氣態混合物中沉淀出來并粘附在基材上，基材開始結晶成金剛石。
▲ HPHT（左）與CVD（右）工藝對比
全球培育鉆石產業鏈
培育鉆石的上游產業主要有：培育鉆石原材料、培育機器設備、以及培育鉆石生產供應商。據統計，全球40%的培育鉆石原石來自中國，生產廠家主要集中在河南。
中游產業主要是培育鉆石毛坯的切割、打磨和拋光等加工和培育鉆石的成品貿易，95%的鉆石加工產業集中在勞動力廉價且密集的印度。下游產業包括零售和珠寶品牌銷售，主要消費市場集中在美國。
根據貝恩數據顯示，2020年全球高溫高壓技術生產的培育鉆石中，有90%來自中國，俄羅斯產能占6%，中國幾乎壟斷了全球HPHT鉆石的產能；CVD鉆石生產產能分布較均勻，印度、美國、新加坡、歐洲中東分別占37%、25%、25%、13%。
▲ 資料來源：貝恩，華經產業研究院整理
2018年全球培育鉆石產量為144萬克拉，滲透率僅為1%，由于疫情影響和天然鉆石原料緊缺等因素影響，全球鉆石總產量減少，為滿足市場鉆石消費需求，培育鉆石產量增多，滲透率穩步上升，2019年和2020年培育鉆石產量分別為600萬克拉、700萬克拉，滲透率達到4.1%、5.9%。
▲ 資料來源：貝恩，華經產業研究院整理
除了首飾消費用途，培育鉆石也被應用于半導體材料領域。CVD法工業金剛石可用于高精尖的功能性材料。目前世界各國正加緊研發半導體金剛石，日本已成功研發出超純2英寸金剛石晶圓，其儲存能力相當于10億張藍光光盤。
CVD鉆石可以用在半導體芯片、電子器件散熱，例如金剛石晶圓拼接方式制作CVD大面積單晶晶圓，作為LED、半導體芯片襯底，可完全解決散熱問題。未來，在工業半導體才是培育鉆石最大應用的地方，需求量預計是首飾鉆石的百倍份額。
