深瞳工作室出品
科技日報記者 都芃 策劃 劉莉 李坤
聽說鉆石價格跌了，肖先生走進商場，想借此機會選購一枚鉆戒。但看來看去他發(fā)現(xiàn)，鉆石價格依然十分昂貴。于是他來到商場的地下二層培育鉆石品牌門店，同等級鉆石的價格只是天然鉆石的1/10，這讓他有些心動。
不久前公布的6月全球毛坯鉆石價格指數(shù)顯示，當前鉆石價格較2022年2月的歷史高點已經(jīng)下跌18%。雖然原料價格的下跌并沒能迅速反映到鉆石終端產(chǎn)品價格上，但此次價格下跌，卻讓一種新興鉆石品類——培育鉆石意外受到關(guān)注。
不同于莫桑石、鋯石等“山寨鉆石”，培育鉆石是真正的鉆石。它不產(chǎn)自任何天然礦山，由人工合成技術(shù)培育而成，但擁有與天然鉆石完全一致的特性，被認為是天然鉆石的平價替代。
事實上，培育鉆石只是人造金剛石的延伸產(chǎn)品。世界上一半的培育鉆石產(chǎn)自中國，這個數(shù)據(jù)背后是中國占據(jù)了全球90%市場份額的人造金剛石產(chǎn)業(yè)。培育鉆石興起后，國內(nèi)眾多廠家蜂擁而至，將其視作我國龐大金剛石產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的契機。這個行業(yè)要實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，只能靠培育鉆石嗎？
視覺中國供圖
打破“4C”神話
如果說鉆石是一場“營銷神話”，那么它的締造者毫無疑問是戴比爾斯。
作為全球天然鉆石產(chǎn)業(yè)的壟斷巨頭，戴比爾斯創(chuàng)造的經(jīng)典廣告語“鉆石恒久遠，一顆永流傳”，一舉將昂貴的鉆石與恒久的愛情綁定掛鉤。但如今，培育鉆石以極高的品質(zhì)和極低的價格，試圖將天然鉆石取而代之，將其拉下“神壇”。
對于許多來到培育鉆石品牌門店的消費者來說，最關(guān)心的問題之一就是培育鉆石能否算得上是真正的鉆石。對此，門店店員給出的答案往往十分肯定。
從材料角度看，培育鉆石和天然鉆石均為純碳構(gòu)成的晶體，擁有完全一致的物理、化學、光學等性質(zhì)。業(yè)界常用的一個說法是，培育鉆石和天然鉆石的區(qū)別就像冰箱里的冰與河里的冰的區(qū)別。培育鉆石是真正的鉆石也早已得到普遍承認。2018年，美國聯(lián)邦貿(mào)易委員會（FTC）更改了已沿用60余年的鉆石定義，將“天然”二字從定義中刪除，承認培育鉆石也是鉆石。
培育鉆石要真正得到消費者認可，僅靠改變定義還遠遠不夠。戴比爾斯一手主導的鉆石品質(zhì)鑒定標準，已成為鉆石行業(yè)的通行法則。
戴比爾斯分別從克拉重量（CARAT WEIGHT）、凈度（CLARITY）、色澤（COLOR）、切工（CUT）四個方面對鉆石產(chǎn)品進行評價鑒定，其相關(guān)標準被簡稱為4C標準。一整套完整的鑒定標準和鑒定流程的建立，讓鉆石有了昂貴的理由；不同等級的鉆石被明碼標價，讓消費者心甘情愿為其買單。而標準中每一個方面的提升，通常都意味著價格的翻倍上漲。
但如今，天然鉆石曾獨享的4C評價標準，正在接受來自培育鉆石的挑戰(zhàn)。
不同于打鉆石“擦邊球”的莫桑石、鋯石等，培育鉆石會明確標注出自身的4C指標，與天然鉆石進行正面競爭。在不少培育鉆石品牌門店或是線上銷售頁面中，記者看到，許多培育鉆石品牌都會將產(chǎn)品的4C指標寫在醒目位置，供消費者參考比較。
除了切工受人工影響因素較大外，培育鉆石在色澤、凈度、克拉重量三個方面已可與天然鉆石平起平坐。
在色澤方面，高品質(zhì)的培育鉆石已可達到最高的D級——透明無色，這與頂級的天然鉆石基本一致；在凈度上，最高級別的培育鉆石可以達到VVS級——即只有極輕微瑕疵，這超過了主流天然鉆石的VS級，但仍與頂級天然鉆石完全無瑕的FL/IF級有一步之遙；克拉重量則是培育鉆石最大的競爭力。在主流珠寶品牌中，一克拉天然鉆石的價格往往達10萬元甚至更高。但同樣等級的培育鉆石，一克拉售價僅在萬元左右，為天然鉆石的1/10?！翱死杂伞币殉膳嘤@石的賣點之一。
要實現(xiàn)對標天然鉆石的4C標準并不簡單。中南鉆石有限公司（以下簡稱中南鉆石）是我國金剛石產(chǎn)業(yè)和培育鉆石龍頭企業(yè)，該公司分管科研的副總經(jīng)理易良成告訴科技日報記者，培育鉆石脫胎于人造金剛石，是人造金剛石技術(shù)發(fā)展到一定水平的產(chǎn)物。“培育鉆石可以說代表著金剛石制造領(lǐng)域的皇冠?！?/p>
圖為中南鉆石生產(chǎn)的培育鉆石產(chǎn)品。受訪者供圖
雖然同出一源，但從人造金剛石到培育鉆石，仍然需要實現(xiàn)巨大的技術(shù)跨越。二者的差別首先體現(xiàn)在尺寸上，作為飾品的培育鉆石，至少要達到克拉級才具有應(yīng)用價值。但工業(yè)用的人造金剛石尺寸往往僅相當于培育鉆石的百分之一?！叭绻f培育鉆石是黃豆大小的話，那此前生產(chǎn)的工業(yè)金剛石大致僅相當于小米粒甚至白糖粒的大小?！币琢汲杀硎?，要制作一克拉的培育鉆石產(chǎn)品，毛坯鉆石則要達到3克拉大小。除了尺寸，工業(yè)金剛石不需要在乎的顏色與純凈度同樣關(guān)鍵?！氨热鐬榱藢颂烊汇@石，培育鉆石也要做到無色。但空氣中含有氮元素，采用高溫高壓法合成時，生產(chǎn)出的金剛石會顯黃色，所以我們必須要想辦法去除氮元素，讓培育鉆石無色。”易良成說。
其實，培育鉆石產(chǎn)業(yè)只是我國金剛石產(chǎn)業(yè)的冰山一角。培育鉆石產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步的背后，折射出我國金剛石產(chǎn)業(yè)從無到有、從占全球市場零份額至90%份額的歷史。
突破“人造礦山”技術(shù)
與櫥窗中光彩閃耀的鉆石形成鮮明對比，走進培育鉆石生產(chǎn)車間，只能看到數(shù)百臺外表粗糲、造型硬朗的六面頂壓機，每一臺壓機都是一個小的“人造礦山”。
天然鉆石的生長環(huán)境通常為1300攝氏度—1500攝氏度，需要5Gpa—8Gpa壓力，這種環(huán)境通常在150公里—200公里深的地下才具備。長成的鉆石還要在地底下經(jīng)歷億萬年，最終在地殼運動和火山活動的作用下帶至地表，才能被人類開采。
培育鉆石與天然鉆石并非沒有任何差別，如果借助精密儀器仔細觀察，通常可以窺見培育鉆石內(nèi)部人工合成的細微痕跡，例如殘留的部分金屬觸媒雜質(zhì)等。這往往來源于培育鉆石最常采用的生產(chǎn)方法——高溫高壓法。
高溫高壓法的基本原理是利用壓機模擬天然鉆石的結(jié)晶條件和生長環(huán)境。但不同于自然界漫長的生長過程，金屬觸媒作為催化劑的加入，可以大大提升培育鉆石的生長速率。一克拉左右的培育鉆石最快僅需一周便可孕育而成，不需要等待動輒上億年的時間。
根據(jù)最新數(shù)據(jù)，目前我國培育鉆石產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的一半以上，其中90%的制備方法采用的是高溫高壓法。正是高溫高壓法的突破帶動了我國在培育鉆石乃至整個金剛石產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的崛起。而這背后的故事還要從一臺六面頂壓機說起。
在鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司（以下簡稱鄭州三磨所）的草坪上，一臺外表金燦燦的球形設(shè)備被擺放在正中央，這是見證了我國金剛石產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“功勛壓機”——我國首臺鉸鏈式六面頂壓機。
“沒有金剛鉆，不攬瓷器活?！弊鳛橐环N完全由碳元素組成的礦物，金剛石是自然界的“硬度之王”。小到門窗玻璃切割，大到工業(yè)機床切削，金剛石被廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工制造中的各個領(lǐng)域，被稱為“工業(yè)牙齒”。但天然金剛石由于儲量稀少、開采成本高、價格昂貴，難以進行大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。因此，人類早早就動了合成人造金剛石的心思。
1954年，世界首顆人造金剛石成功合成，并逐漸在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但彼時由于國際環(huán)境發(fā)生變化，西方國家對我國進行技術(shù)封鎖，導致我國工業(yè)金剛石來源幾乎被掐斷。面對這一情況，當時的第一機械工業(yè)部設(shè)立代號為121的攻關(guān)課題組，向包括鄭州三磨所在內(nèi)的多個機構(gòu)下達了研制人造金剛石的任務(wù)。1963年，攻關(guān)團隊在自己設(shè)計、制造的61型兩面頂超高壓裝置上，成功合成出了我國第一顆人造金剛石。
但由于我國當時并未掌握兩面頂壓機的核心技術(shù)，人造金剛石大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)遇到了困難。“為了盡早實現(xiàn)人造金剛石工業(yè)化生產(chǎn)，三磨所聯(lián)合相關(guān)機構(gòu)決定轉(zhuǎn)變思路，放棄國外的兩面頂壓機路線，研制我國獨創(chuàng)的六面頂壓機。”鄭州三磨所功能金剛石部部長吳曉磊告訴記者，六面頂壓機正好對應(yīng)立方體六個面，能夠從六個方向進行加壓，對相關(guān)生產(chǎn)工藝的要求大大降低。
1965年，我國首臺鉸鏈式六面頂壓機面世，并成功生產(chǎn)出高品質(zhì)人造金剛石，創(chuàng)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的六面頂壓機合成金剛石技術(shù)的先河。此后數(shù)十年內(nèi)，人造金剛石產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，進入生產(chǎn)生活各個領(lǐng)域。但金剛石的全球市場一直被幾家國際巨頭壟斷，中國企業(yè)只占據(jù)微不足道的份額。這期間，我國金剛石產(chǎn)業(yè)中同時存在兩面頂壓機與六面頂壓機兩種技術(shù)路線，二者在市場上展開了類似于如今“賽馬制”的技術(shù)路線競爭。吳曉磊認為，真正讓六面頂壓機在“賽馬”中奪魁乃至后來占領(lǐng)全球市場的重要原因，除了機器自身的創(chuàng)新優(yōu)勢，更重要的是圍繞六面頂壓機開展的一系列配套技術(shù)創(chuàng)新。
完成系列配套創(chuàng)新
“早期進口金剛石的價格一度非常高，單克價格有時甚至超過黃金?！币琢汲筛嬖V記者，直到上世紀90年代，全球金剛石產(chǎn)業(yè)仍然被美國通用、英國六元素、韓國日進等少數(shù)國際巨頭壟斷?！爱敃r國內(nèi)生產(chǎn)的金剛石都是低端產(chǎn)品，在世界市場份額很小?！?/p>
效率低、成本高困擾著當時國內(nèi)的金剛石產(chǎn)業(yè)，其中一個重要原因是我國既不掌握兩面頂壓機的核心技術(shù)，同時六面頂壓機又未能與既有的兩面頂壓機配套技術(shù)有效兼容。
例如，此前適用于國外兩面頂壓機的粉末觸媒技術(shù)并不適合于國產(chǎn)六面頂壓機。為了盡快實現(xiàn)突破，中南鉆石開始了六面頂壓機使用的粉末觸媒研究。“觸媒相當于催化劑，能夠大大加快金剛石合成速率。但此前六面頂壓機的觸媒都是片狀，它們要一層層堆疊起來，導致合成效率比較低?！币琢汲杀硎荆瑸榱颂嵘铣尚?，粉末狀觸媒是最佳選擇。
但要將金屬觸媒制成大小均勻的粉末，且要避免粉末觸媒氧化，并確保生產(chǎn)過程中不摻雜物，面臨著多道難題。歷經(jīng)2年攻關(guān)，2001年，中南鉆石研制出六面頂壓機粉末觸媒技術(shù)，并成功合成高品質(zhì)金剛石。這一成果使得六面頂壓機生產(chǎn)人造金剛石的速率大大提升。
粉末觸媒取得突破后不久，六面頂壓機腔體大型化也實現(xiàn)突破，極大提高了人造金剛石產(chǎn)量。同時，間接加熱技術(shù)得到廣泛普及，該技術(shù)在將單位能耗降低到原有產(chǎn)品1/4的同時，極大提升了人造金剛石單晶質(zhì)量。隨著一系列技術(shù)創(chuàng)新，六面頂壓機的“神力”被徹底釋放出來，在產(chǎn)品質(zhì)量大幅提升的同時，成本顯著下降，產(chǎn)品競爭力明顯增強，我國人造金剛石產(chǎn)業(yè)開始走向世界。
“六面頂壓機及相關(guān)技術(shù)得到突破以后，我國金剛石生產(chǎn)成本直線下降，此前每克拉金剛石可能要賣幾塊錢，到現(xiàn)在只需要幾毛錢?！币琢汲筛嬖V記者，金剛石價格的直線降低也使其在工業(yè)應(yīng)用中得到了進一步普及，多個行業(yè)領(lǐng)域受惠于此?！耙郧敖饎偸瘍r格高，很多行業(yè)不舍得用。價格下降后，各行各業(yè)用量直線上升?！?/p>
中國金剛石產(chǎn)業(yè)的直線崛起，也讓曾經(jīng)壟斷市場的國際巨頭紛紛退出這一領(lǐng)域?！霸?jīng)有國外公司來考察，回去后直接把金剛石業(yè)務(wù)砍掉了。國內(nèi)技術(shù)已經(jīng)太成熟，他們沒有空間了。以前他們出口給我們，后來，轉(zhuǎn)而從我們這里買金剛石?！币琢汲烧f。
數(shù)據(jù)顯示，2020年我國人造金剛石產(chǎn)量突破200億克拉，占據(jù)全球市場90%以上。但隨著金剛石在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域中的滲透率已經(jīng)接近天花板，近年來，國內(nèi)金剛石企業(yè)紛紛在尋找新的產(chǎn)業(yè)升級出口，培育鉆石只是其中之一。
賺快錢還是重未來
進入2023年以來，培育鉆石熱度不斷上升，可觀的利潤空間和廣闊的市場前景正驅(qū)使越來越多的企業(yè)涌進這一賽道。以培育鉆石作為主營業(yè)務(wù)的河南省力量鉆石股份有限公司（以下簡稱力量鉆石）披露數(shù)據(jù)顯示，目前高溫高壓法生產(chǎn)的毛坯鉆石生產(chǎn)成本已經(jīng)降至約90元/克拉，銷售價格約為630元/克拉，毛利約為80%。越來越多的企業(yè)正被培育鉆石誘惑，加入到行業(yè)競爭中。
“培育鉆石已經(jīng)幾乎沒有秘密和技術(shù)門檻了。”易良成告訴記者，如今在培育鉆石領(lǐng)域，各廠家競爭異常激烈。“現(xiàn)在不管大廠、小廠，都開始進軍培育鉆石?！痹S多并不具備相關(guān)技術(shù)儲備和上下游產(chǎn)業(yè)鏈把控能力的小廠家，也可以通過直接購買壓機，以及作為半成品的金剛石合成塊來開展培育鉆石生產(chǎn)。易良成直言，“培育鉆石領(lǐng)域現(xiàn)在或處于無序競爭狀態(tài)?！?/p>
無序競爭不僅對培育鉆石產(chǎn)業(yè)自身的健康發(fā)展產(chǎn)生不利影響，更有可能使我國龐大的金剛石產(chǎn)業(yè)錯過真正的轉(zhuǎn)型升級窗口期。
相較于目前野蠻生長的培育鉆石市場，金剛石在光學窗口、半導體器件等領(lǐng)域的功能應(yīng)用被認為是未來更具價值的產(chǎn)業(yè)升級方向。北京科技大學碳基材料與功能薄膜研究室首席教授李成明告訴記者，由于金剛石獨特的晶體結(jié)構(gòu)，其具有前幾代半導體所不具備的優(yōu)良特性，被譽為是“終極半導體”材料，未來有望在芯片等領(lǐng)域大顯身手。
金剛石功能應(yīng)用前景雖好，但當前仍然存在技術(shù)瓶頸，其中尺寸是首要難題。“比如金剛石如果要在半導體器件中廣泛應(yīng)用，至少要能夠從單晶到多晶穩(wěn)定實現(xiàn)2英寸—4英寸生產(chǎn)。這大大超過目前常用的工業(yè)金剛石尺寸，相關(guān)技術(shù)仍然有待突破?！崩畛擅鞲嬖V記者，在生產(chǎn)大尺寸金剛石方面，相比于腔體大小有限的高溫高壓法，化學氣相沉積法有著先天優(yōu)勢。“但目前在化學氣相沉積法方面，我國的技術(shù)尚處于‘跟跑’階段，尤其是在設(shè)備精密度、可控性等方面仍有一定差距?！崩畛擅髡f。
培育鉆石市場的火熱，也使得部分企業(yè)更多將化學氣相沉積法的有關(guān)技術(shù)投入到該領(lǐng)域，而忽視了對于功能金剛石的研發(fā)生產(chǎn)。李成明直言：“部分企業(yè)僅僅滿足于用化學氣相沉積技術(shù)來生產(chǎn)培育鉆石‘賺快錢’，忽視了該技術(shù)真正的發(fā)展前景?！苯饎偸δ軕?yīng)用是國際金剛石產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢，各國都在加緊投入。例如日本已經(jīng)制定了相關(guān)計劃，目標要在2030年實現(xiàn)2英寸單晶金剛石器件規(guī)?；a(chǎn)。李成明認為，圍繞功能金剛石研究，我國已取得一定進展，在部分細分領(lǐng)域能夠緊跟國際領(lǐng)先水平，但產(chǎn)業(yè)化能力仍然較弱。
為了加快功能金剛石研發(fā)應(yīng)用，我國已在相關(guān)高等院校、科研院所以及行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)布局，深入產(chǎn)、學、研各環(huán)節(jié)，采取了一系列有力措施。今年7月中旬，在國家發(fā)展改革委發(fā)布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄（2023年本，征求意見稿）》中，功能性人造金剛石材料生產(chǎn)裝備技術(shù)開發(fā)被列入鼓勵發(fā)展目錄，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級指明了方向。
著眼未來發(fā)展，力量鉆石總工程師張存升建議，政府應(yīng)在政策和資金等方面給予扶持，引導超硬材料龍頭企業(yè)加大在金剛石應(yīng)用方面的科研投入力度。他建議，組建企業(yè)和學校的創(chuàng)新聯(lián)合體，形成技術(shù)研發(fā)、人才培養(yǎng)、市場應(yīng)用的有序銜接和快速高效的轉(zhuǎn)化機制。同時，應(yīng)進一步加大對超硬材料功能化應(yīng)用研發(fā)的支持，發(fā)揮超硬材料在聲、光、電、熱等應(yīng)用領(lǐng)域的獨特優(yōu)勢，做大產(chǎn)業(yè)、做長鏈條、做優(yōu)品牌，為金剛石產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐。中國機床工具協(xié)會超硬材料分會秘書長孫兆達認為，人才是金剛石產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵要素，要加強人才隊伍建設(shè)，夯實行業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，完善創(chuàng)新體系，實現(xiàn)重點技術(shù)突破。同時，要對超硬材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢進行研究，保障產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的連續(xù)性。
