超硬材料行业研究报告

1. 超硬材料市场空间广阔，CVD 金刚石有望成为下一代半导体材料

1.1. 超硬材料概述

超硬材料通常是指硬度特别高、维氏硬度大于 40 Gpa 的材料，主要用于金属及合金材料、 高硬脆材料、复合材料、软韧材料以及难加工材料的加工。同时作为一种重要的功能材料，可 应用于电子电器、装备制造、航空航天、国防军工、医疗检测和治疗等高科技领域。超硬材料 主要包括固有硬度与其成分相关的本征类超硬材料和固有硬度与显微结构相关的非本征类超硬 材料。本征类超硬材料包括金刚石、立方氮化硼（PCBN）、氮化碳和 B-N-C 三元化合物等。非本征类超硬材料包括纳晶金刚石聚集体、聚合金刚石纳米棒等。目前常见的超硬材料有天然 金刚石、人造金刚石、立方氮化硼等。

全球工业用超硬材料主要为工业金刚石，其中超过 90%为人造金刚石。天然金刚石矿属于 不可再生资源且具有储量有限、采掘高昂以及对生态环境不友好等特点，无法被大范围应用于 工业领域。因此，工业用金刚石主要为人造金刚石。人造金刚石的制备方法主要为高温高压法（HTHP）和化学气相沉积法（CVD）。HTHP 法 即以石墨粉、金属触媒粉末为原料，通过电流加热和液压装置建立高温、高压环境从而模拟天 然金刚石结晶和生长环境，使石墨发生相变形成金刚石晶体。从热力学上看，人造金刚石与天 然金刚石生长机理类似，都是使碳原子在高温高压环境下重新结合，形成具有 sp3 C-C 键的正 四面体金刚石结构。HTHP 法是人类首次成功合成金刚石所采用的技术，也是目前我国人造金 刚石主要生产方法，具有制造成本低、生产效率高的特点。HTHP 法金刚石在生长过程中，传 压介质和原辅材料里的杂质(如铁、钴、镍等)会不断进入金刚石晶体中，形成各种缺陷，纯度 也不够理想，无法满足下游半导体和光学领域应用的高纯度要求。同时受六面顶压机设备体积 限制，金刚石的有效生长空间很难突破 100 mm，HTHP 法金刚石的晶体尺寸提升空间有限。

化学气相沉积法（CVD）合成金刚石是指在高温低压条件下（1000℃左右，27kPa 以下）， 通过一定的方法激活 CH4/H2、CH4/N2、CH4/Ar 等含碳混合气体，使其中的碳原子从碳源气体 剥离并在合适的基底（如 Si、c-BN、SiC、Ni、Co、Pt、Ir 和 Pd 等）上进行过饱和沉积，从而获得高纯度、高性能的金刚石薄膜。CVD 法金刚石生长环境中主要使用碳源气体，利用氢气 在高温下蚀刻石墨速度高于金刚石的特点获得单晶金刚石，不需要加入金属触媒粉末，因此金 刚石内杂质极少，可满足下游半导体等领域高纯度需求。同时 CVD 法金刚石在种晶盘生长过 程中，可在碳源气体中加入致色元素（如氮、硼等），获得与天然钻石类似的粉钻黄钻蓝钻，满 足下游珠宝市场的多样化需求。目前，MPCVD 法（微波等离子体化学气相沉积法）由于具有 污染少、制备面积大、温度条件易控制的有点，是国内外主流的 CVD 工艺生产金刚石方法。

目前，我国主要采用 HTHP 法生产人造金刚石。1965 年我国自主研发的金刚石六面 顶压机问世并快速在国内大规模推广使用，人造金刚石产品生产效率和产能产量快速提升， 我国很快成为金刚石单晶生产第一大国；近年来，合成压机大型化、粉末触媒技术及高温 高压合成工艺进一步奠定了我国在高温高压法下合成金刚石单晶的领先优势。CVD 法自 20 世纪 80 年代开始研究并工业化应用，美国、日本、新加坡等国家在化学气相沉积法（CVD） 技术研究和产业应用方面取得较多成果。HTHP 法和 CVD 法在合成原理和合成方法上不尽相 同，从成本上来看 HTHP 法更低，从品质上看 CVD 法金刚石纯度更高，因此下游产业链主要 应用领域也有不同侧重。我们认为，两种方法在未来一段时间会保持共同发展、相互促进的态 势。

1.2. HPHT 工业金刚石应用领域广阔，市场需求大，我国拥有上游定价权

我国是全球第一大人造金刚石生产国，垄断了全球 95%工业金刚石领域市场份额，具有 HTHP 法工业金刚石定价权。根据超硬材料网数据显示，我国目前行业存量压机 1-1.2 万台， 其中用于工业金刚石 7000-9000 台；根据磨料磨具网数据显示，2020 年我国工业金刚石总产 量 200 亿克拉，其中工业金刚石单晶+微粉 145 亿克拉，其中金刚石单晶及微粉产量达 145 亿 克拉，宝石级单晶 244 万克拉，金刚石复合片 587 万片。工业金刚石下游需求平稳，产能供应充足。工业金刚石早期由日本、欧美等国家垄断，产 品价格居高不下，可达 100 美元/克拉。2001 年国内突破了金刚石关键粉末触媒技术，工业金 刚石产量大幅提升，同时价格快速下降，2015 年前后跌至 0.1 元/克拉。受产品价格大幅下跌 影响，2015-2016 年工业金刚石产量有所下降。之后一段时间内，工业金刚石价格稳定在 0.2 元/克拉左右。2018 至 2019 年，工业用金刚石单晶和微粉出售均价受国内制造业投资产出增速 下降影响出现下滑。2020 年和 2021 年，受消费需求和光伏领域需求增长影响，工业用金刚石 单晶和微粉销售均价有所回升。21 年金刚石单晶平均销售单价为 0.26 元/克拉，金刚石微粉价 格 0.36 元/克拉。2021 年我国金刚石单晶和金刚石微粉市场规模约为 42.1 亿元和 17.5 亿元。

工业金刚石下游应用领域广泛，建筑石材切割用金刚石为主。2020 年，金刚石产品结构 中用于制作建筑石材切割工具制造的金刚石约占总量 50％，规模约 30 亿元；机械及电子行业 磨具刀具用金刚石约占 25-30％，规模约 17 亿元；勘探采掘工具用金刚石约占 15-20％，规模 约 10 亿元。机械及电子行业磨具用金刚石增幅较快，有望成为工业金刚石需求新的增长极。勘探采掘工具用金刚石受下游油气开采周期影响，具有周期性趋势。综合考虑下游各细分子行业发展增速，预计至 2025 年工业金刚石需求约为 101 亿元，复合年均增速约为 13.9%。

工业金刚石包括金刚石单晶和金刚石微粉，作为工业耗材，主要用于生产锯、切、磨、钻、 抛光等加工工具，应用领域十分广泛。金刚石单晶分为锯切级单晶、磨削级单晶和大单晶，主 要用于磨削工具、锯切工具、钻头、修整器等的制作。金刚石微粉主要分为研磨用微粉和线锯 用微粉的制作，主要用于研磨膏、研磨液、金刚石线锯、砂轮、复合片钻头等的制作。

1.2.1. 金刚石单晶需求旺盛，勘探采掘、建筑石材领域保持重要地位

目前工业金刚石单晶作为磨削抛光类超硬材料制品原材料，主要应用于建筑陶瓷加工和石 材切割领域。在建筑陶瓷行业，需要进行磨削、抛光及切割加工处理的陶瓷产品占 80%以上， 超硬材料制品作为加工处理过程中必需的消耗品具有巨大的市场需求。我国是世界最大的陶瓷 生产国和消费国，根据《中国建筑卫生陶瓷年鉴》和《Ceramic World Review》，我国 2020 年 建筑陶瓷砖产量为 84.7 亿平方米，占全球产量的 52.7%，我国 2020 年的建筑陶瓷砖消费量为 78.5 亿平方米，占全球消费量的 49.0%。根据中国建筑卫生陶瓷协会统计，2021 年我国建筑 陶瓷产量为 81.74 亿平方米。目前我国建筑陶瓷市场呈现“大市场小企业”的竞争格局，行业 集中度低，能够生产高档建筑陶瓷的企业数量较少，市场格局相对稳定，龙头优势显著；随着 国内消费能力提高，消费者会更加青睐高品质建筑陶瓷产品。海外市场方面，根据《Ceramic World Review》，2021 年全球瓷砖产量达到 183.39 亿 m2，较 2020 年增长 7.2%。2021 年全 球前十大建筑陶瓷砖生产国的陶瓷砖生产总量占全球总产量的 84.4%，其中，中国为全球最大 的陶瓷砖生产国，印度和巴西分别居第二、第三位。中国、印度、巴西也是世界主要的瓷砖消 费国，2021 年度合计占全球总消费量的 61.8%。2021 年，巴西瓷砖消费量伴随巴西建筑业扩 张而上升 9.80%。根据 Manufacturing and Economic Studies 的预测，到 2025 年全球陶瓷砖 产量可能会新增 45 亿平方米，增速为 5.1%，届时陶瓷砖产量将会突破 200 亿平方米。随着 高品质陶瓷产品需求上升、建筑陶瓷行业集中度的提升以及陶瓷砖海外市场的扩大，对陶瓷磨 削抛光超硬材料制品具有巨大需求，促进国内金刚石单晶类产品进入新一轮成长。

超硬材料制品贯穿于整个产业链，从最初的石材开采到加工都需要使用大量绳锯、锯片、 磨轮、排锯等超硬材料制品。近年来我国超硬材料制品技术获得了迅猛发展，应用于石材矿山 开采及加工用的超硬材料制品性能接近世界先进水平，中国石材加工工具市场份额不断扩大。2016-2019 年我国规格石材行业市场规模从 9921 亿元增长至 12716 亿元，年复合增长率达 7.04%，2020 年行业增速有所下降。在石材行业逐渐市场化的环境下以及消费升级带来的供给 侧结构性改革的大背景下，公共建筑装修装饰工程市场、家装业务向中高端转化迈进，我们认 为 2023 年行业增速会逐步恢复，预计到 2025 年我国规格石材行业市场规模增长至 15670 亿 元。海外市场方面，根据 Stone World 网站发布的数据，2020 年全球天然石材市场规模为 333.75 亿美元，预计到 2030 年将达到 504.65 亿美元，年均复合增长率为 4.0%。随着全球范围内住 宅投资的增加，建筑产业的扩张和建设支出的增加，全球石材市场在不断增长。巴西、印度等 国对于石材的高消费、高产出与高储备推动了我国超硬材料制品的出口增长，带动了金刚石单 晶的需求。