摘要：说到钻石，我们经常将它与昂贵和坚硬联系到一起。众所周知，钻石的主要成分是碳，本身原料并不稀奇。之所以稀有，是因为钻石的形成条件非常苛刻。天然钻石诞生在地幔层，并随着火山运动来到地球表面。开采后的天然钻石中，大部分属于工业级金刚石，能够达到珠...
说到钻石，我们经常将它与昂贵和坚硬联系到一起。众所周知，钻石的主要成分是碳，本身原料并不稀奇。之所以稀有，是因为钻石的形成条件非常苛刻。
天然钻石诞生在地幔层，并随着火山运动来到地球表面。开采后的天然钻石中，大部分属于工业级金刚石，能够达到珠宝级的钻石少之又少，再加上开采难度大，因此在过去，钻石长期被皇室、贵族等垄断。
随着科学技术的进步，人们开始思考：既然钻石的原料很容易获取，且钻石售价高昂，我们可不可以生产出人造钻石呢？1954年，通用电气公司宣布他们生产出了第一个商业用途的人造钻石。至此，培育钻石正式进入了工业及消费领域。
如何培育钻石
在了解培育钻石之前，我们先要了解天然钻石是怎么形成的。
天然钻石形成于地下深处约177~241公里。这个深度的压力可以达到近50000个大气压。温度范围从1100℃~1500℃。这些强烈的地质条件将碳压缩成最致密的形式，在岩浆中形成钻石。所以在钻石的形成过程中，温度和压力是重要条件。
而培育钻石又称生长钻石，通俗得说就是用小钻石作为“种子”，通过技术手段模拟天然钻石的生长环境，让“养料”中的碳原子逐渐附着在钻石种子上，从而让钻石种子成长为更大的钻石晶体。
培育钻石在晶体结构完整性、透明度、折射率、色散等方面都可与天然钻石相媲美。从数据对比来看，培育钻石与天然钻石的光学特性、物理特性、化学特性及硬度也是完全相同的。
培育钻石的生产方式
培育钻石的生产技术主要有HPHT（ High Pressure High Temperature）高压高温法和CVD（Chemical Vapor Deposition）化学气相沉积法，培育时间约为半个月至一个月。高温高压法主要以中小颗粒钻石为主，生长速度快；CVD法具备大颗粒优势，净度更高、更可控。
❶ 高温高压法（HPHT）
HPHT主要是利用高温高压技术模拟天然钻石的生长过程，在地上重现碳元素层的反应，使碳粉中的碳原子重新连接形成钻石晶体。
丨将一个包含碳材料、称为金属熔剂的金属混合物和小钻石种子放入压机中，使用的碳原料通常是石墨；
丨将压机生长仓加热至1300℃~1600℃的温度，并加压至59200个大气压；
丨将碳源溶解到金属熔剂中，有助于降低形成钻石所需的温度；碳源通过熔融金属混合物在钻石种子周围结晶缓慢长大，最终形成培育钻石毛坯。
❷ 化学气相沉积（CVD）
CVD是在高温低压的真空环境下，使气体中的碳原子均匀的沉积到天然钻石薄片中，生长到足够的厚度，形成培育钻石。CVD由于工艺和生产成本限制，适合生产3.5克拉以上的培育钻石毛坯。
丨将真空室抽真空，用混合气体（包括碳、氢和氧）填充真空室；
丨将基板添加到真空室中，通常是金刚石种子的晶种片；
丨使用微波、激光或热灯丝将真空室加热到800℃~1000℃的温度，来自热源的能量使碳从气态混合物中沉淀出来并粘附在基材上，基材开始结晶成金刚石。
▲ HPHT（左）与CVD（右）工艺对比
全球培育钻石产业链
培育钻石的上游产业主要有：培育钻石原材料、培育机器设备、以及培育钻石生产供应商。据统计，全球40%的培育钻石原石来自中国，生产厂家主要集中在河南。
中游产业主要是培育钻石毛坯的切割、打磨和抛光等加工和培育钻石的成品贸易，95%的钻石加工产业集中在劳动力廉价且密集的印度。下游产业包括零售和珠宝品牌销售，主要消费市场集中在美国。
根据贝恩数据显示，2020年全球高温高压技术生产的培育钻石中，有90%来自中国，俄罗斯产能占6%，中国几乎垄断了全球HPHT钻石的产能；CVD钻石生产产能分布较均匀，印度、美国、新加坡、欧洲中东分别占37%、25%、25%、13%。
▲ 资料来源：贝恩，华经产业研究院整理
2018年全球培育钻石产量为144万克拉，渗透率仅为1%，由于疫情影响和天然钻石原料紧缺等因素影响，全球钻石总产量减少，为满足市场钻石消费需求，培育钻石产量增多，渗透率稳步上升，2019年和2020年培育钻石产量分别为600万克拉、700万克拉，渗透率达到4.1%、5.9%。
▲ 资料来源：贝恩，华经产业研究院整理
除了首饰消费用途，培育钻石也被应用于半导体材料领域。CVD法工业金刚石可用于高精尖的功能性材料。目前世界各国正加紧研发半导体金刚石，日本已成功研发出超纯2英寸金刚石晶圆，其储存能力相当于10亿张蓝光光盘。
CVD钻石可以用在半导体芯片、电子器件散热，例如金刚石晶圆拼接方式制作CVD大面积单晶晶圆，作为LED、半导体芯片衬底，可完全解决散热问题。未来，在工业半导体才是培育钻石最大应用的地方，需求量预计是首饰钻石的百倍份额。
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