超硬材料行业深度分析：工业金刚石持续高景气，培育钻石未来新风口

分析师：顾敏豪 登记编码：S0730512100001 gumh00@ccnew.com021-50586308 工业金刚石持续高景气，培育钻石未来新 风口 ——超硬材料行业深度分析 证券研究报告-行业深度分析强于大市(首次) 新材料相对沪深300指数表现 20% 投资要点： 发布日期：2023年03月23日 0% % 2022.3 % 2022.6 2022.92022.122023.3 % 1超硬材料通常是硬度特别高的材料，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 0 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、 -10 -20 -30% 新材料指数沪深300 资料来源：Wind，中原证券 相关报告 联系人：马嶔琦 电话：021-50586973 地址：上海浦东新区世纪大道1788号16楼 邮编：200122 国防军工、医疗检测和治疗等高科技领域。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。 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。工业金刚石单晶作为磨削抛光类超硬材料制品原材料，在勘探采掘、建筑石材领域保持重要地位。机械、光伏、化工、航空航天对材料及加工工具提出了更高的要求，拉动金刚石微粉相关市场需求持续增长。 CVD金刚石可作为高新技术材料在半导体、光学、量子技术等工业领域有广阔的应用空间。CVD法合成金刚石具有尺寸大、低杂质浓度、高结晶质量等优点，在大尺寸、高纯度金刚石制备与掺杂研究方面优势更明显，电学、光学、热学、声学等方面性能优异，是一种具有巨大开发潜力的功能性材料。近年来各国陆续布局半导体产业，产业化进程快速崛起。金刚石禁带宽度达5eV，是当前单质半导体材料中带隙最宽的材料，同时具有高击穿电场、大饱和载流子速度、高载流子迁移率和底介电常数等优异电学性质，被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料，有望成为第四代半导体材料。 培育钻石巧夺天工，低渗透高增长汇聚投资价值。培育钻石是人造金刚石中的宝石级大单晶，是依靠超硬材料工业技术不断发展而诞生的品种。随着合成工艺不断改进，宝石级大单晶技术获得突破，已经可以合成出30克拉的无色钻石，人工钻石也从工业品市场逐渐走向消费品市场。2021年全球培育钻石产量为900万克拉，天然钻石产量为1.16亿克拉，培育钻石产量渗透率仅为7%；从产值上看，2021年全球钻石消费为840亿美元，培育钻石珠宝消费为44亿美元，产值渗透率为8%。从渗透率来看，培育钻石未来具有比较大的增长空间。 投资建议：我国超硬材料企业已经形成了比较集中的产业集群和相对完善的特色高技术产业链，工业金刚石应用范围广，未来市场空间大。建议关注超硬材料和培育钻石产业链上游人造金刚石及其微粉制造环节，下游金刚石线和金刚石刀具等应用环节的相关标的： 中兵红箭（000519.SZ）、力量钻石（301071.SZ）、四方达 （300179.SZ）、惠丰钻石（839725.BJ）、美畅股份（300861.SZ）。 风险提示：超硬材料行业竞争加剧；培育钻石项目研发生产不如预期；行业政策变化；六面顶压机供应不足；产能投产不如预期。 内容目录 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6 1.1.超硬材料概述6 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8 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10 1.2.2.制造业转型升级提升金刚石微粉需求，新兴产业拓宽应用领域11 1.3.CVD工业金刚石功能性应用领域潜力大，有望成为半导体材料新秀14 2.培育钻石巧夺天工，低渗透高增长汇聚投资价值18 2.1.人工合成真钻石，从工业品走向消费品18 2.2.培育钻石获权威机构认可，比天然钻石成本低更环保颜色可控20 2.3.产业链呈微笑曲线，供给端和销售端享高毛利率24 2.4.培育钻石渗透率低，增长潜力大26 3.投资建议28 3.1.中兵红箭28 3.2.力量钻石30 3.3.四方达33 3.4.惠丰钻石35 3.5.美畅股份36 图表目录 图1：高温高压装置-六面顶压机6 图2：HTHP法制备金刚石主要流程6 图3：MPCVD装置7 图4：CVD法制备金刚石主要流程7 图5：2012-2021中国工业级金刚石单晶产量8 图6：工业金刚石及其下游应用9 图7：2022年中国陶瓷砖产量预计82.5亿平方米11 图8：2025年中国石材市场规模预计达到15670亿元11 图9：2011-2022年中国矿产资源产量11 图10：2015-2022年中国汽车年产量整体呈上升趋势12 图11：2015-2022年中国汽车年保有量逐年增加12 图12：2017-2023年中国消费电子市场规模13 图13：2020-2026年全球折叠屏手机出货量及预测13 图14：相同条件下SiC器件在车用逆变器中损耗低14 图15：2020-2026年全球碳化硅功率器件市场规模14 图16：2022年MiniLED/传统面板产品出货量14 图17：各代半导体材料禁带宽度16 图18：2018-2023中国半导体材料市场规模统计预测16 图19：化合积电CVD金刚石热沉片17 图20：金刚石和SiC热沉基板热管理能力对比17 图21：锆石、天然钻石、莫桑石色泽与火彩对比19 图22：HPHT培育钻石中的典型包裹体20 图23：CVD培育钻石中的典型包裹体20 图24：钻石4C标准比对表22 图28：HTHP和CVD彩色培育钻石24 图29：培育钻石产业链毛利率呈微笑曲线24 图27：2021-2022年印度进口培育钻石金额26 图28：2021-2022年印度出口培育钻石金额26 图29：2013-2022年我国城镇居民人均可支配收入、全国人均消费性支出和社会消费品零售总额27 图30：钻石市场占珠宝市场比重27 图31：2020-2026年全球钻石原石和培育钻石预测27 图32：公司主要产品情况29 图33：22H1公司产品应用领域占比情况29 图34：22H1公司产品结构占比情况29 图35：公司近五年营业收入情况30 图36：公司近五年净利润情况30 图37：公司近五年毛利率和净利率30 图38：公司近五年下游应用领域毛利率情况30 图39：公司主要产品情况31 图40：2022年公司主要产品占比情况31 图41：2022年公司国内外收入占比情况31 图42：公司近五年营业收入情况32 图43：公司近五年净利润情况32 图44：公司近五年毛利率32 图45：公司近五年净利率32 图46：公司主要产品情况33 图47：2022年公司主要产品占比情况33 图48：2022年公司国内外收入占比情况33 图49：公司近五年营业收入情况34 图50：公司近五年净利润情况34 图51：公司近五年毛利率34 图52：公司近五年净利率34 图53：22H1公司主要产品占比情况35 图54：2018-2022年公司破碎整形料营业收入占比35 图55：公司近五年营业收入情况36 图56：公司近五年净利润情况36 图57：公司近五年毛利率36 图58：公司近五年净利率36 图63：公司主要产品情况及用途37 图60：公司近五年营业收入情况37 图61：公司近五年净利润情况37 图62：公司近五年毛利率38 图63：公司近五年净利率38 表1：HTHP法和CVD法在技术路线、产品和应用等方面的特点对比7 表2：金刚石单晶和金刚石微粉在产品特性和应用场景等方面的对比9 表3：光伏金刚线用金刚石微粉需求测算13 表4：金刚石材料性能15 表5：CVD金刚石与其他半导体材料性能对比15 表6：高功率微波窗口常用介质材料的性能参数17 表7：培育钻石、天然钻石、莫桑石与锆石性质对比18 表8：培育钻石与天然钻石红外吸收光谱差别19 表9：培育钻石行业重要事件梳理20 表10：培育钻石与天然钻石对环境影响23 表11：河南培育钻石产业集群25 表12：国际主要培育钻石品牌简介26 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40Gpa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sp3C-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100mm，HTHP法金刚石的晶体尺寸提升空间有限。 添加剂 混合 石墨粉 触媒粉 图1：高温高压装置-六面顶压机图2：HTHP法制备金刚石主要流程 品级 分级 粒度 筛分 提纯 合成 组装合成块 脱氧处理 冷压成柱 检验 资料来源：超硬材料网，中原证券资料来源：CNKI，中原证券 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。 图3：MPCVD装置图4：CVD法制备金刚石主要流程 碳源气体 含碳活性基团和氢等离子体 氢气 微波能量激发 刻蚀或激光处理 不 合格 含多晶金刚石或非晶缺陷金刚石 金刚石基底沉积生长 单晶金 刚石 资料来源：CNKI，中原证券资料来源：CNKI，中原证券 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