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。它不產自任何天然礦山，由人工合成技術培育而成，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品。世界上一半的培育鉆石產自中國，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業(yè)。培育鉆石興起后，國內眾多廠家蜂擁而至，將其視作我國龐大金剛石產業(yè)轉型升級的契機。這個行業(yè)要實現(xiàn)高質量發(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成的晶體，擁有完全一致的物理、化學、光學等性質。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）四個方面對鉆石產品進行評價鑒定，其相關標準被簡稱為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。“克拉自由”已成培育鉆石的賣點之一。
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，是人造金剛石技術發(fā)展到一定水平的產物?！芭嘤@石可以說代表著金剛石制造領域的皇冠?！?/p>
圖為中南鉆石生產的培育鉆石產品。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?！币琢汲烧f。
其實，培育鉆石產業(yè)只是我國金剛石產業(yè)的冰山一角。培育鉆石產業(yè)技術進步的背后，折射出我國金剛石產業(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
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?？梢愿Q見培育鉆石內部人工合成的細微痕跡，例如殘留的部分金屬觸媒雜質等。這往往來源于培育鉆石最常采用的生產方法——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量占全球產量的一半以上，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業(yè)領域的崛起。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備被擺放在正中央，這是見證了我國金剛石產業(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。”作為一種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，金剛石被廣泛應用于工業(yè)加工制造中的各個領域，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)領域得到廣泛應用。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)部設立代號為121的攻關課題組，向包括鄭州三磨所在內的多個機構下達了研制人造金剛石的任務。1963年，攻關團隊在自己設計、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，人造金剛石大規(guī)模工業(yè)化生產遇到了困難?！盀榱吮M早實現(xiàn)人造金剛石工業(yè)化生產，三磨所聯(lián)合相關機構決定轉變思路，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?！编嵵萑ニδ芙饎偸坎块L吳曉磊告訴記者，六面頂壓機正好對應立方體六個面，能夠從六個方向進行加壓，對相關生產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，并成功生產出高品質人造金剛石，創(chuàng)了具有自主知識產權的六面頂壓機合成金剛石技術的先河。此后數(shù)十年內，人造金剛石產業(yè)飛速發(fā)展，進入生產生活各個領域。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，我國金剛石產業(yè)中同時存在兩面頂壓機與六面頂壓機兩種技術路線，二者在市場上展開了類似于如今“賽馬制”的技術路線競爭。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。”易良成告訴記者，直到上世紀90年代，全球金剛石產業(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國內生產的金剛石都是低端產品，在世界市場份額很小。”
效率低、成本高困擾著當時國內的金剛石產業(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，同時六面頂壓機又未能與既有的兩面頂壓機配套技術有效兼容。
例如，此前適用于國外兩面頂壓機的粉末觸媒技術并不適合于國產六面頂壓機。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?，為了提升合成效率，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，并確保生產過程中不摻雜物，面臨著多道難題。歷經(jīng)2年攻關，2001年，中南鉆石研制出六面頂壓機粉末觸媒技術，并成功合成高品質金剛石。這一成果使得六面頂壓機生產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量。同時，間接加熱技術得到廣泛普及，該技術在將單位能耗降低到原有產品1/4的同時，極大提升了人造金剛石單晶質量。隨著一系列技術創(chuàng)新，六面頂壓機的“神力”被徹底釋放出來，在產品質量大幅提升的同時，成本顯著下降，產品競爭力明顯增強，我國人造金剛石產業(yè)開始走向世界。
“六面頂壓機及相關技術得到突破以后，我國金剛石生產成本直線下降，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)應用中得到了進一步普及，多個行業(yè)領域受惠于此?！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。”
中國金剛石產業(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域?！霸?jīng)有國外公司來考察，回去后直接把金剛石業(yè)務砍掉了。國內技術已經(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)領域中的滲透率已經(jīng)接近天花板，近年來，國內金剛石企業(yè)紛紛在尋找新的產業(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的毛坯鉆石生產成本已經(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門檻了。”易良成告訴記者，如今在培育鉆石領域，各廠家競爭異常激烈?！艾F(xiàn)在不管大廠、小廠，都開始進軍培育鉆石?！痹S多并不具備相關技術儲備和上下游產業(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。易良成直言，“培育鉆石領域現(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業(yè)自身的健康發(fā)展產生不利影響，更有可能使我國龐大的金剛石產業(yè)錯過真正的轉型升級窗口期。
相較于目前野蠻生長的培育鉆石市場，金剛石在光學窗口、半導體器件等領域的功能應用被認為是未來更具價值的產業(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構，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域大顯身手。
金剛石功能應用前景雖好，但當前仍然存在技術瓶頸，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。這大大超過目前常用的工業(yè)金剛石尺寸，相關技術仍然有待突破?！崩畛擅鞲嬖V記者，在生產大尺寸金剛石方面，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?！暗壳霸诨瘜W氣相沉積法方面，我國的技術尚處于‘跟跑’階段，尤其是在設備精密度、可控性等方面仍有一定差距。”李成明說。
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技術投入到該領域，而忽視了對于功能金剛石的研發(fā)生產。李成明直言：“部分企業(yè)僅僅滿足于用化學氣相沉積技術來生產培育鉆石‘賺快錢’，忽視了該技術真正的發(fā)展前景?！苯饎偸δ軕檬菄H金剛石產業(yè)發(fā)展的大趨勢，各國都在加緊投入。例如日本已經(jīng)制定了相關計劃，目標要在2030年實現(xiàn)2英寸單晶金剛石器件規(guī)模化生產。李成明認為，圍繞功能金剛石研究，我國已取得一定進展，在部分細分領域能夠緊跟國際領先水平，但產業(yè)化能力仍然較弱。
為了加快功能金剛石研發(fā)應用，我國已在相關高等院校、科研院所以及行業(yè)領軍企業(yè)布局，深入產、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《產業(yè)結構調整指導目錄（2023年本，征求意見稿）》中，功能性人造金剛石材料生產裝備技術開發(fā)被列入鼓勵發(fā)展目錄，為相關產業(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，形成技術研發(fā)、人才培養(yǎng)、市場應用的有序銜接和快速高效的轉化機制。同時，應進一步加大對超硬材料功能化應用研發(fā)的支持，發(fā)揮超硬材料在聲、光、電、熱等應用領域的獨特優(yōu)勢，做大產業(yè)、做長鏈條、做優(yōu)品牌，為金剛石產業(yè)高質量發(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，人才是金剛石產業(yè)高質量發(fā)展的關鍵要素，要加強人才隊伍建設，夯實行業(yè)發(fā)展基礎，完善創(chuàng)新體系，實現(xiàn)重點技術突破。同時，要對超硬材料產業(yè)發(fā)展趨勢進行研究，保障產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的連續(xù)性。
