超硬材料行業(yè)研究報告

1. 超硬材料市場空間廣闊，CVD 金剛石有望成為下一代半導(dǎo)體材料

1.1. 超硬材料概述

超硬材料通常是指硬度特別高、維氏硬度大于 40 Gpa 的材料，主要用于金屬及合金材料、 高硬脆材料、復(fù)合材料、軟韌材料以及難加工材料的加工。同時作為一種重要的功能材料，可 應(yīng)用于電子電器、裝備制造、航空航天、國防軍工、醫(yī)療檢測和治療等高科技領(lǐng)域。超硬材料 主要包括固有硬度與其成分相關(guān)的本征類超硬材料和固有硬度與顯微結(jié)構(gòu)相關(guān)的非本征類超硬 材料。本征類超硬材料包括金剛石、立方氮化硼（PCBN）、氮化碳和 B-N-C 三元化合物等。非本征類超硬材料包括納晶金剛石聚集體、聚合金剛石納米棒等。目前常見的超硬材料有天然 金剛石、人造金剛石、立方氮化硼等。

全球工業(yè)用超硬材料主要為工業(yè)金剛石，其中超過 90%為人造金剛石。天然金剛石礦屬于 不可再生資源且具有儲量有限、采掘高昂以及對生態(tài)環(huán)境不友好等特點，無法被大范圍應(yīng)用于 工業(yè)領(lǐng)域。因此，工業(yè)用金剛石主要為人造金剛石。人造金剛石的制備方法主要為高溫高壓法（HTHP）和化學(xué)氣相沉積法（CVD）。HTHP 法 即以石墨粉、金屬觸媒粉末為原料，通過電流加熱和液壓裝置建立高溫、高壓環(huán)境從而模擬天 然金剛石結(jié)晶和生長環(huán)境，使石墨發(fā)生相變形成金剛石晶體。從熱力學(xué)上看，人造金剛石與天 然金剛石生長機理類似，都是使碳原子在高溫高壓環(huán)境下重新結(jié)合，形成具有 sp3 C-C 鍵的正 四面體金剛石結(jié)構(gòu)。HTHP 法是人類首次成功合成金剛石所采用的技術(shù)，也是目前我國人造金 剛石主要生產(chǎn)方法，具有制造成本低、生產(chǎn)效率高的特點。HTHP 法金剛石在生長過程中，傳 壓介質(zhì)和原輔材料里的雜質(zhì)(如鐵、鈷、鎳等)會不斷進入金剛石晶體中，形成各種缺陷，純度 也不夠理想，無法滿足下游半導(dǎo)體和光學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的高純度要求。同時受六面頂壓機設(shè)備體積 限制，金剛石的有效生長空間很難突破 100 mm，HTHP 法金剛石的晶體尺寸提升空間有限。

化學(xué)氣相沉積法（CVD）合成金剛石是指在高溫低壓條件下（1000℃左右，27kPa 以下）， 通過一定的方法激活 CH4/H2、CH4/N2、CH4/Ar 等含碳混合氣體，使其中的碳原子從碳源氣體 剝離并在合適的基底（如 Si、c-BN、SiC、Ni、Co、Pt、Ir 和 Pd 等）上進行過飽和沉積，從而獲得高純度、高性能的金剛石薄膜。CVD 法金剛石生長環(huán)境中主要使用碳源氣體，利用氫氣 在高溫下蝕刻石墨速度高于金剛石的特點獲得單晶金剛石，不需要加入金屬觸媒粉末，因此金 剛石內(nèi)雜質(zhì)極少，可滿足下游半導(dǎo)體等領(lǐng)域高純度需求。同時 CVD 法金剛石在種晶盤生長過 程中，可在碳源氣體中加入致色元素（如氮、硼等），獲得與天然鉆石類似的粉鉆黃鉆藍鉆，滿 足下游珠寶市場的多樣化需求。目前，MPCVD 法（微波等離子體化學(xué)氣相沉積法）由于具有 污染少、制備面積大、溫度條件易控制的有點，是國內(nèi)外主流的 CVD 工藝生產(chǎn)金剛石方法。

目前，我國主要采用 HTHP 法生產(chǎn)人造金剛石。1965 年我國自主研發(fā)的金剛石六面 頂壓機問世并快速在國內(nèi)大規(guī)模推廣使用，人造金剛石產(chǎn)品生產(chǎn)效率和產(chǎn)能產(chǎn)量快速提升， 我國很快成為金剛石單晶生產(chǎn)第一大國；近年來，合成壓機大型化、粉末觸媒技術(shù)及高溫 高壓合成工藝進一步奠定了我國在高溫高壓法下合成金剛石單晶的領(lǐng)先優(yōu)勢。CVD 法自 20 世紀 80 年代開始研究并工業(yè)化應(yīng)用，美國、日本、新加坡等國家在化學(xué)氣相沉積法（CVD） 技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面取得較多成果。HTHP 法和 CVD 法在合成原理和合成方法上不盡相 同，從成本上來看 HTHP 法更低，從品質(zhì)上看 CVD 法金剛石純度更高，因此下游產(chǎn)業(yè)鏈主要 應(yīng)用領(lǐng)域也有不同側(cè)重。我們認為，兩種方法在未來一段時間會保持共同發(fā)展、相互促進的態(tài) 勢。

1.2. HPHT 工業(yè)金剛石應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，市場需求大，我國擁有上游定價權(quán)

我國是全球第一大人造金剛石生產(chǎn)國，壟斷了全球 95%工業(yè)金剛石領(lǐng)域市場份額，具有 HTHP 法工業(yè)金剛石定價權(quán)。根據(jù)超硬材料網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，我國目前行業(yè)存量壓機 1-1.2 萬臺， 其中用于工業(yè)金剛石 7000-9000 臺；根據(jù)磨料磨具網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，2020 年我國工業(yè)金剛石總產(chǎn) 量 200 億克拉，其中工業(yè)金剛石單晶+微粉 145 億克拉，其中金剛石單晶及微粉產(chǎn)量達 145 億 克拉，寶石級單晶 244 萬克拉，金剛石復(fù)合片 587 萬片。工業(yè)金剛石下游需求平穩(wěn)，產(chǎn)能供應(yīng)充足。工業(yè)金剛石早期由日本、歐美等國家壟斷，產(chǎn) 品價格居高不下，可達 100 美元/克拉。2001 年國內(nèi)突破了金剛石關(guān)鍵粉末觸媒技術(shù)，工業(yè)金 剛石產(chǎn)量大幅提升，同時價格快速下降，2015 年前后跌至 0.1 元/克拉。受產(chǎn)品價格大幅下跌 影響，2015-2016 年工業(yè)金剛石產(chǎn)量有所下降。之后一段時間內(nèi)，工業(yè)金剛石價格穩(wěn)定在 0.2 元/克拉左右。2018 至 2019 年，工業(yè)用金剛石單晶和微粉出售均價受國內(nèi)制造業(yè)投資產(chǎn)出增速 下降影響出現(xiàn)下滑。2020 年和 2021 年，受消費需求和光伏領(lǐng)域需求增長影響，工業(yè)用金剛石 單晶和微粉銷售均價有所回升。21 年金剛石單晶平均銷售單價為 0.26 元/克拉，金剛石微粉價 格 0.36 元/克拉。2021 年我國金剛石單晶和金剛石微粉市場規(guī)模約為 42.1 億元和 17.5 億元。

工業(yè)金剛石下游應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，建筑石材切割用金剛石為主。2020 年，金剛石產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 中用于制作建筑石材切割工具制造的金剛石約占總量 50％，規(guī)模約 30 億元；機械及電子行業(yè) 磨具刀具用金剛石約占 25-30％，規(guī)模約 17 億元；勘探采掘工具用金剛石約占 15-20％，規(guī)模 約 10 億元。機械及電子行業(yè)磨具用金剛石增幅較快，有望成為工業(yè)金剛石需求新的增長極?？碧讲删蚬ぞ哂媒饎偸芟掠斡蜌忾_采周期影響，具有周期性趨勢。綜合考慮下游各細分子行業(yè)發(fā)展增速，預(yù)計至 2025 年工業(yè)金剛石需求約為 101 億元，復(fù)合年均增速約為 13.9%。

工業(yè)金剛石包括金剛石單晶和金剛石微粉，作為工業(yè)耗材，主要用于生產(chǎn)鋸、切、磨、鉆、 拋光等加工工具，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。金剛石單晶分為鋸切級單晶、磨削級單晶和大單晶，主 要用于磨削工具、鋸切工具、鉆頭、修整器等的制作。金剛石微粉主要分為研磨用微粉和線鋸 用微粉的制作，主要用于研磨膏、研磨液、金剛石線鋸、砂輪、復(fù)合片鉆頭等的制作。

1.2.1. 金剛石單晶需求旺盛，勘探采掘、建筑石材領(lǐng)域保持重要地位

目前工業(yè)金剛石單晶作為磨削拋光類超硬材料制品原材料，主要應(yīng)用于建筑陶瓷加工和石 材切割領(lǐng)域。在建筑陶瓷行業(yè)，需要進行磨削、拋光及切割加工處理的陶瓷產(chǎn)品占 80%以上， 超硬材料制品作為加工處理過程中必需的消耗品具有巨大的市場需求。我國是世界最大的陶瓷 生產(chǎn)國和消費國，根據(jù)《中國建筑衛(wèi)生陶瓷年鑒》和《Ceramic World Review》，我國 2020 年 建筑陶瓷磚產(chǎn)量為 84.7 億平方米，占全球產(chǎn)量的 52.7%，我國 2020 年的建筑陶瓷磚消費量為 78.5 億平方米，占全球消費量的 49.0%。根據(jù)中國建筑衛(wèi)生陶瓷協(xié)會統(tǒng)計，2021 年我國建筑 陶瓷產(chǎn)量為 81.74 億平方米。目前我國建筑陶瓷市場呈現(xiàn)“大市場小企業(yè)”的競爭格局，行業(yè) 集中度低，能夠生產(chǎn)高檔建筑陶瓷的企業(yè)數(shù)量較少，市場格局相對穩(wěn)定，龍頭優(yōu)勢顯著；隨著 國內(nèi)消費能力提高，消費者會更加青睞高品質(zhì)建筑陶瓷產(chǎn)品。海外市場方面，根據(jù)《Ceramic World Review》，2021 年全球瓷磚產(chǎn)量達到 183.39 億 m2，較 2020 年增長 7.2%。2021 年全 球前十大建筑陶瓷磚生產(chǎn)國的陶瓷磚生產(chǎn)總量占全球總產(chǎn)量的 84.4%，其中，中國為全球最大 的陶瓷磚生產(chǎn)國，印度和巴西分別居第二、第三位。中國、印度、巴西也是世界主要的瓷磚消 費國，2021 年度合計占全球總消費量的 61.8%。2021 年，巴西瓷磚消費量伴隨巴西建筑業(yè)擴 張而上升 9.80%。根據(jù) Manufacturing and Economic Studies 的預(yù)測，到 2025 年全球陶瓷磚 產(chǎn)量可能會新增 45 億平方米，增速為 5.1%，屆時陶瓷磚產(chǎn)量將會突破 200 億平方米。隨著 高品質(zhì)陶瓷產(chǎn)品需求上升、建筑陶瓷行業(yè)集中度的提升以及陶瓷磚海外市場的擴大，對陶瓷磨 削拋光超硬材料制品具有巨大需求，促進國內(nèi)金剛石單晶類產(chǎn)品進入新一輪成長。

超硬材料制品貫穿于整個產(chǎn)業(yè)鏈，從最初的石材開采到加工都需要使用大量繩鋸、鋸片、 磨輪、排鋸等超硬材料制品。近年來我國超硬材料制品技術(shù)獲得了迅猛發(fā)展，應(yīng)用于石材礦山 開采及加工用的超硬材料制品性能接近世界先進水平，中國石材加工工具市場份額不斷擴大。2016-2019 年我國規(guī)格石材行業(yè)市場規(guī)模從 9921 億元增長至 12716 億元，年復(fù)合增長率達 7.04%，2020 年行業(yè)增速有所下降。在石材行業(yè)逐漸市場化的環(huán)境下以及消費升級帶來的供給 側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的大背景下，公共建筑裝修裝飾工程市場、家裝業(yè)務(wù)向中高端轉(zhuǎn)化邁進，我們認 為 2023 年行業(yè)增速會逐步恢復(fù)，預(yù)計到 2025 年我國規(guī)格石材行業(yè)市場規(guī)模增長至 15670 億 元。海外市場方面，根據(jù) Stone World 網(wǎng)站發(fā)布的數(shù)據(jù)，2020 年全球天然石材市場規(guī)模為 333.75 億美元，預(yù)計到 2030 年將達到 504.65 億美元，年均復(fù)合增長率為 4.0%。隨著全球范圍內(nèi)住 宅投資的增加，建筑產(chǎn)業(yè)的擴張和建設(shè)支出的增加，全球石材市場在不斷增長。巴西、印度等 國對于石材的高消費、高產(chǎn)出與高儲備推動了我國超硬材料制品的出口增長，帶動了金剛石單 晶的需求。