未來鑽石會是白菜價嗎？揭秘鑽石是如何人工培育出來的

說到鑽石，我們經常將它與昂貴和堅硬聯繫到一起。眾所周知，鑽石的主要成分是碳，本身原料並不稀奇。之所以稀有，是因為鑽石的形成條件非常苛刻。

天然鑽石誕生在地幔層，並隨著火山運動來到地球表面。開採後的天然鑽石中，大部分屬於工業級金剛石，能夠達到珠寶級的鑽石少之又少，再加上開採難度大，因此在過去，鑽石長期被皇室、貴族等壟斷。

隨著科學技術的進步，人們開始思考：既然鑽石的原料很容易獲取，且鑽石售價高昂，我們可不可以生產出人造鑽石呢？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鑽石。至此，培育鑽石正式進入了工業及消費領域。

如何培育鑽石

在了解培育鑽石之前，我們先要了解天然鑽石是怎麼形成的。

天然鑽石形成於地下深處約177~241公里。這個深度的壓力可以達到近50000個大氣壓。溫度範圍從1100℃~1500℃。這些強烈的地質條件將碳壓縮成最緻密的形式，在岩漿中形成鑽石。所以在鑽石的形成過程中，溫度和壓力是重要條件。

而培育鑽石又稱生長鑽石，通俗得說就是用小鑽石作為「種子」，通過技術手段模擬天然鑽石的生長環境，讓「養料」中的碳原子逐漸附著在鑽石種子上，從而讓鑽石種子成長為更大的鑽石晶體。

培育鑽石在晶體結構完整性、透明度、折射率、色散等方面都可與天然鑽石相媲美。從數據對比來看，培育鑽石與天然鑽石的光學特性、物理特性、化學特性及硬度也是完全相同的。

培育鑽石的生產方式

培育鑽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鑽石為主，生長速度快；CVD法具備大顆粒優勢，凈度更高、更可控。

❶ 高溫高壓法（HPHT）

HPHT主要是利用高溫高壓技術模擬天然鑽石的生長過程，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鑽石晶體。

丨將一個包含碳材料、稱為金屬熔劑的金屬混合物和小鑽石種子放入壓機中，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，並加壓至59200個大氣壓；

丨將碳源溶解到金屬熔劑中，有助於降低形成鑽石所需的溫度；碳源通過熔融金屬混合物在鑽石種子周圍結晶緩慢長大，最終形成培育鑽石毛坯。

❷ 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鑽石薄片中，生長到足夠的厚度，形成培育鑽石。CVD由於工藝和生產成本限制，適合生產3.5克拉以上的培育鑽石毛坯。

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澱出來並粘附在基材上，基材開始結晶成金剛石。

▲ HPHT（左）與CVD（右）工藝對比

全球培育鑽石產業鏈

培育鑽石的上游產業主要有：培育鑽石原材料、培育機器設備、以及培育鑽石生產供應商。據統計，全球40%的培育鑽石原石來自中國，生產廠家主要集中在河南。

中游產業主要是培育鑽石毛坯的切割、打磨和拋光等加工和培育鑽石的成品貿易，95%的鑽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鑽石中，有90%來自中國，俄羅斯產能佔6%，中國幾乎壟斷了全球HPHT鑽石的產能；CVD鑽石生產產能分布較均勻，印度、美國、新加坡、歐洲中東分別佔37%、25%、25%、13%。

▲ 資料來源：貝恩，華經產業研究院整理

2018年全球培育鑽石產量為144萬克拉，滲透率僅為1%，由於疫情影響和天然鑽石原料緊缺等因素影響，全球鑽石總產量減少，為滿足市場鑽石消費需求，培育鑽石產量增多，滲透率穩步上升，2019年和2020年培育鑽石產量分別為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，培育鑽石也被應用於半導體材料領域。CVD法工業金剛石可用於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，其儲存能力相當於10億張藍光光碟。

CVD鑽石可以用在半導體晶元、電子器件散熱，例如金剛石晶圓拼接方式製作CVD大面積單晶晶圓，作為LED、半導體晶元襯底，可完全解決散熱問題。未來，在工業半導體才是培育鑽石最大應用的地方，需求量預計是首飾鑽石的百倍份額。

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