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。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5 eV，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

研究报告全文：新材料分析师顾敏豪登记编码S0730512100001工业金刚石持续高景气培育钻石未来新gumh00ccnewcom021-50586308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指数表现发布日期2023年03月23日投资要点2010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020223202262022920221220233一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-20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-30新材料指数沪深300要为工业金刚石其中超过90为人造金刚石资料来源Wind中原证券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相关报告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联系人马嶔琦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电话021-50586973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地址上海浦东新区世纪大道1788号16楼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邮编200122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116亿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本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第1页共39页新材料中兵红箭000519SZ力量钻石301071SZ四方达300179SZ惠丰钻石839725BJ美畅股份300861SZ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本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第2页共39页新材料内容目录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611超硬材料概述612HPHT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8121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10122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1113CVD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142培育钻石巧夺天工低渗透高增长汇聚投资价值1821人工合成真钻石从工业品走向消费品1822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2023产业链呈微笑曲线供给端和销售端享高毛利率2424培育钻石渗透率低增长潜力大263投资建议2831中兵红箭2832力量钻石3033四方达3334惠丰钻石3535美畅股份36图表目录图1高温高压装置-六面顶压机6图2HTHP法制备金刚石主要流程6图3MPCVD装置7图4CVD法制备金刚石主要流程7图52012-2021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72022年中国陶瓷砖产量预计825亿平方米11图82025年中国石材市场规模预计达到15670亿元11图92011-2022年中国矿产资源产量11图102015-2022年中国汽车年产量整体呈上升趋势12图112015-2022年中国汽车年保有量逐年增加12图122017-2023年中国消费电子市场规模13图132020-2026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152020-2026年全球碳化硅功率器件市场规模14图162022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182018-2023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22HPHT培育钻石中的典型包裹体20图23CVD培育钻石中的典型包裹体20图24钻石4C标准比对表22图28HTHP和CVD彩色培育钻石24本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第3页共39页新材料图29培育钻石产业链毛利率呈微笑曲线24图272021-2022年印度进口培育钻石金额26图282021-2022年印度出口培育钻石金额26图292013-2022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312020-2026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3322H1公司产品应用领域占比情况29图3422H1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402022年公司主要产品占比情况31图412022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472022年公司主要产品占比情况33图482022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5322H1公司主要产品占比情况35图542018-2022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1HTHP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5CVD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本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第4页共39页新材料表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本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第5页共39页新材料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11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CVDHTHP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100mmHTHP法金刚石的晶体尺寸提升空间有限图1高温高压装置-六面顶压机图2HTHP法制备金刚石主要流程石墨粉冷压脱氧组装合触媒粉混合成柱处理成块添加剂品级粒度检验提纯合成分级筛分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CH4H2CH4N2CH4Ar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Sic-BNSiCNiCoPtIr和Pd等上进行过饱和沉积从本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第6页共39页新材料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3MPCVD装置图4CVD法制备金刚石主要流程微波能量激发碳源单晶金气体刚石含碳活性基团金刚石基底和氢等离子体沉积生长含多晶金刚氢气石或非晶缺刻蚀或激光处理陷金刚石不合格资料来源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我国很快成为金刚石单晶生产第一大国近年来合成压机大型化粉末触媒技术及高温高压合成工艺进一步奠定了我国在高温高压法下合成金刚石单晶的领先优势CVD法自20世纪80年代开始研究并工业化应用美国日本新加坡等国家在化学气相沉积法CVD技术研究和产业应用方面取得较多成果HTHP法和CVD法在合成原理和合成方法上不尽相同从成本上来看HTHP法更低从品质上看CVD法金刚石纯度更高因此下游产业链主要应用领域也有不同侧重我们认为两种方法在未来一段时间会保持共同发展相互促进的态势表1HTHP法和CVD法在技术路线产品和应用等方面的特点对比类型项目高温高压法HTHP化学气相沉积法CVD主要原料石墨粉金属触媒粉含碳气体CH4氢气生产设备六面顶压机CVD沉积设备合成技术合成环境高温高压环境高温低压环境生长速度较快较慢生产成本较低较高主要产品金刚石单晶培育钻石金刚石膜培育钻石产品纯度较低杂质多为金属助熔剂残余较高可能含有微量无定形碳杂质合成产品产品磁性无金属包体因此无磁性可能残余金属触媒部分有磁性产品特点呈颗粒状多为1-5ct大小金刚石呈片状适宜5ct以上金刚石合成金刚石单晶主要作为加工工具核主要作为光电声等功能性材料应用情况应用领域心耗材培育钻石用于钻石饰品少量用于工具和钻石饰品本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第7页共39页新材料主要性能超硬耐磨抗腐蚀等力学性能光电磁声热等性能技术成熟国内应用广泛且在全球国外技术相对成熟国内尚处研究应用程度具备明显优势阶段应用成果较少资料来源力量钻石招股书中原证券12HPHT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根据超硬材料网数据显示我国目前行业存量压机1-12万台其中用于工业金刚石7000-9000台根据磨料磨具网数据显示2020年我国工业金刚石总产量200亿克拉其中工业金刚石单晶微粉145亿克拉其中金刚石单晶及微粉产量达145亿克拉宝石级单晶244万克拉金刚石复合片587万片工业金刚石下游需求平稳产能供应充足工业金刚石早期由日本欧美等国家垄断产品价格居高不下可达100美元克拉2001年国内突破了金刚石关键粉末触媒技术工业金刚石产量大幅提升同时价格快速下降2015年前后跌至01元克拉受产品价格大幅下跌影响2015-2016年工业金刚石产量有所下降之后一段时间内工业金刚石价格稳定在02元克拉左右2018至2019年工业用金刚石单晶和微粉出售均价受国内制造业投资产出增速下降影响出现下滑2020年和2021年受消费需求和光伏领域需求增长影响工业用金刚石单晶和微粉销售均价有所回升21年金刚石单晶平均销售单价为026元克拉金刚石微粉价格036元克拉2021年我国金刚石单晶和金刚石微粉市场规模约为421亿元和175亿元图52012-2021中国工业级金刚石单晶产量16818016215315114916014314214514013614012412010080604020020112012201320142015201620172018201920202021金刚石单晶产量亿克拉资料来源中国磨料磨具工业年鉴共研网中原证券工业金刚石下游应用领域广泛建筑石材切割用金刚石为主2020年金刚石产品结构中用于制作建筑石材切割工具制造的金刚石约占总量50规模约30亿元机械及电子行业磨具刀具用金刚石约占25-30规模约17亿元勘探采掘工具用金刚石约占15-20规模约10亿元机械及电子行业磨具用金刚石增幅较快有望成为工业金刚石需求新的增长极勘探采掘工具用金刚石受下游油气开采周期影响具有周期性趋势综合考虑下游各细分子行本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第8页共39页新材料业发展增速预计至2025年工业金刚石需求约为101亿元复合年均增速约为139图6工业金刚石及其下游应用资料来源力量钻石招股书惠丰钻石招股书中原证券工业金刚石包括金刚石单晶和金刚石微粉作为工业耗材主要用于生产锯切磨钻抛光等加工工具应用领域十分广泛金刚石单晶分为锯切级单晶磨削级单晶和大单晶主要用于磨削工具锯切工具钻头修整器等的制作金刚石微粉主要分为研磨用微粉和线锯用微粉的制作主要用于研磨膏研磨液金刚石线锯砂轮复合片钻头等的制作表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产品类别产品名称产品特性应用场景主要用于制作砂轮磨轮磨块粒度范围集中在6070目以细滚轮滚筒等磨削工具多用于硬磨削级单晶晶体完整热稳定性高低磁性质合金石材陶瓷和玻璃等非金属硬脆材料的磨削以及抛光等主要用于制作锯片绳锯和刀具等粒度范围集中在6070目以粗锯切工具多用于大理石花岗岩金刚石单晶磨削级单晶2025以细晶形规则边缘锋利混凝土建筑材料以及半导体硅片机械强度高光学玻璃陶瓷等非金属硬脆材料的锯断和切割等主要用于制作金刚石钻头刀具粒度范围集中在2025目以粗晶修整器等工具多用于有色金属大单晶体完整内部杂质较少光学平面镜芯片晶圆等的超精密加工及磨床砂轮修整等主要用于制作研磨膏和研磨液等粉体粗端粒径主要为7m以下多用于精密元器件精细陶瓷液研磨用微粉粒度分布极为集中晶型规则微晶玻璃宝石及半导体等产品的研粉颗粒强度高杂质含量极低磨和抛光粉体粗端粒径主要为7-14m晶主要用于制作金刚石线锯等多用金刚石微粉线锯用微粉型较好多棱角锋利度好粒度于蓝宝石单晶硅多晶硅精密分布集中陶瓷磁性材料等硬脆材料的切割粉体粗端粒径主要为14m以上主要用于PDC复合片PCD刀复合片用微粉耐高温晶型规整度高强度高具用复合片拉丝模等终端主要表面杂质含量ppm级热稳定性应用于开采及勘探等本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第9页共39页新材料好耐磨性能高粉体粗端粒径主要为14m以上主要用于制作砂轮磨片复合片其他工具用微晶形规则粒度分布集中颗粒形等其他工具多用于陶瓷石材和粉状呈浑圆状具有良好的分散性玻璃等材料的磨削耐磨性资料来源力量钻石招股书惠丰钻石招股书中原证券121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目前工业金刚石单晶作为磨削抛光类超硬材料制品原材料主要应用于建筑陶瓷加工和石材切割领域在建筑陶瓷行业需要进行磨削抛光及切割加工处理的陶瓷产品占80以上超硬材料制品作为加工处理过程中必需的消耗品具有巨大的市场需求我国是世界最大的陶瓷生产国和消费国根据中国建筑卫生陶瓷年鉴和CeramicWorldReview我国2020年建筑陶瓷砖产量为847亿平方米占全球产量的527我国2020年的建筑陶瓷砖消费量为785亿平方米占全球消费量的490根据中国建筑卫生陶瓷协会统计2021年我国建筑陶瓷产量为8174亿平方米目前我国建筑陶瓷市场呈现大市场小企业的竞争格局行业集中度低能够生产高档建筑陶瓷的企业数量较少市场格局相对稳定龙头优势显著随着国内消费能力提高消费者会更加青睐高品质建筑陶瓷产品海外市场方面根据CeramicWorldReview2021年全球瓷砖产量达到18339亿m2较2020年增长722021年全球前十大建筑陶瓷砖生产国的陶瓷砖生产总量占全球总产量的844其中中国为全球最大的陶瓷砖生产国印度和巴西分别居第二第三位中国印度巴西也是世界主要的瓷砖消费国2021年度合计占全球总消费量的6182021年巴西瓷砖消费量伴随巴西建筑业扩张而上升980根据ManufacturingandEconomicStudies的预测到2025年全球陶瓷砖产量可能会新增45亿平方米增速为51届时陶瓷砖产量将会突破200亿平方米随着高品质陶瓷产品需求上升建筑陶瓷行业集中度的提升以及陶瓷砖海外市场的扩大对陶瓷磨削抛光超硬材料制品具有巨大需求促进国内金刚石单晶类产品进入新一轮成长超硬材料制品贯穿于整个产业链从最初的石材开采到加工都需要使用大量绳锯锯片磨轮排锯等超硬材料制品近年来我国超硬材料制品技术获得了迅猛发展应用于石材矿山开采及加工用的超硬材料制品性能接近世界先进水平中国石材加工工具市场份额不断扩大2016-2019年我国规格石材行业市场规模从9921亿元增长至12716亿元年复合增长率达7042020年行业增速有所下降在石材行业逐渐市场化的环境下以及消费升级带来的供给侧结构性改革的大背景下公共建筑装修装饰工程市场家装业务向中高端转化迈进我们认为2023年行业增速会逐步恢复预计到2025年我国规格石材行业市场规模增长至15670亿元海外市场方面根据StoneWorld网站发布的数据2020年全球天然石材市场规模为33375亿美元预计到2030年将达到50465亿美元年均复合增长率为40随着全球范围内住宅投资的增加建筑产业的扩张和建设支出的增加全球石材市场在不断增长巴西印度等国对于石材的高消费高产出与高储备推动了我国超硬材料制品的出口增长带动了金刚石单晶的需求本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第10页共39页新材料图72022年中国陶瓷砖产量预计825亿平方米图82025年中国石材市场规模预计达到15670亿元1201015200001009011567082285781782513944150001271612983801183999211085760100004050002000201720182019202020212022E2016201720182019202020212025E建筑陶瓷产量亿平方米中国规格石材市场规模亿元资料来源中国建筑卫生陶瓷协会中原证券资料来源华经产业研究院中原证券矿产开采数量和深度增加带动金刚石单晶在勘探采掘领域需求提升随着世界经济的发展与地缘局势的变化全球对矿产资源的需求日益提升伴随着我国现代化进程的不断加快对矿产资源的进口与消耗量也稳步增长中国是过去十年全球石油需求的主要推动者2022年我国进口原油508亿吨进口天然气109亿吨提高我国矿产勘探采掘水平提升我国矿产资源产量有助于打造自主可控矿产资源供应链确保矿产资源稳定长期供应过去十年我国矿产开采量保持稳定2022年我国原煤产量450亿吨同比增长9原油产量205亿吨同比增长29天然气产量2220亿立方米同比增长78十种常用有色金属产量67743万吨同比增长43目前我国浅部地层的矿产资源已基本开采殆尽需采掘更多的原矿量以保持产量稳步增长深部找矿和采掘已成为我国采矿事业发展方向金刚石单晶相比于其他硬质合金金刚石单晶更能适应深孔要求且在坚硬岩层中具有优良的钻进效果随着勘探深度的增加金刚石单晶钻进的经济性优势更加明显我们认为金刚石单晶未来在深部采矿中具有良好的应用前景矿产采掘力度的加大也将进一步增加金刚石单晶及其工具制品的需求图92011-2022年中国矿产资源产量5045403530252015100500201120122013201420152016201720182019202020212022原煤十亿吨原油亿吨天然气千亿立方米十种有色金属亿吨资料来源国家统计局中原证券122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本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第11页共39页新材料我国机械制造产业转型升级拉动金刚石微粉相关市场需求持续增长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由于金刚石微粉具有优异的性能和极佳的化学稳定性催生出一批新型金刚石工具如金刚石线锯高精密金刚石砂轮金刚石超薄划片和高精度套料钻头等其独特优势在制造业升级中进一步凸显汽车行业精密加工领域已经广泛人造金刚石工具高端金刚石工具可以满足汽车及其零配件制造过程中镗孔铣削开槽铰孔研磨车削和珩磨等工艺的极端技术要求同时存量汽车更换汽车零配件的维修需求也会带动金刚石微粉的市场需求从汽车消费端来看全球汽车产量从2011年的8005万辆增加至8850万辆我国汽车产量由2011年的1842万辆上升到2022年的2702万辆整体呈上升趋势随着我国在新能源汽车领域的优势逐步扩大以及2023年我国经济逐渐复苏汽车市场未来具有较大的增长空间从存量汽车维修来看截至2022年底全国汽车保有量达319亿量比2021年增加1752万辆同比增长679占机动车总量的7659为机动车保有量的主要构成主体根据前瞻产业研究院计算2021年中国平均车龄达65年根据发达国家的经验车龄超过5年汽车维护保养部件和频次都会上升我们预计未来中国汽车零部件市场有较大的增长空间图102015-2022年中国汽车年产量整体呈上升趋势图112015-2022年中国汽车年保有量逐年增加4000430231928122902278328130002568262627022623732450253232421719420002172100010020142015201620172018201920202021202220152016201720182019202020212022中国汽车年产量万辆汽车保有量亿资料来源国家统计局中原证券资料来源公安部中原证券碳达峰碳中和背景下光伏增速有望得到维持支撑光伏用金刚石微粉需求持续增长光伏发电和LED照明所用单晶硅多晶硅蓝宝石以及其他光电磁材料的加工均需使用金刚石工具2021年9月22日国务院发布关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见意见要求建立清洁低碳安全高效的能源体系到2030年风电太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上截至2022年太阳能发电装机容量393亿千瓦其中光伏发电装机容量为392亿千瓦占比9975目前我国风电太阳能发电总装机量为763亿千瓦未来7年市场规模需要扩大60才可达到目标要求清洁能源下游应用领域发展确定性高带动线锯用金刚石微粉需求扩增根据CPIA测算2023-2025全球光伏新增装机规模分别为248273300GW按照每片硅片约4W需耗用电镀金刚石线15m测算2025年全球硅片需求将达750亿片金刚线需求将达11250万千米按照每千米金刚石线耗用714克拉金刚石微粉计算我们预计光伏金刚线用金刚石微粉量将从2022年的469亿克拉增长到2025年的803亿克拉未来市场空间广阔本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第12页共39页新材料表3光伏金刚线用金刚石微粉需求测算202120222023E2024E2025E全球光伏新增装机量GW175228248273300硅片需求量亿片438569620683750金刚石线需求量万千米6563853193001023811250耗用微粉亿克拉469609664731803资料来源CPIA美畅股份招股书中原证券消费电子温和回暖金刚石微粉需求提升5G和物联网等技术的快速发展需要更加复杂的材料和精细的加工金刚石微粉及制品可为金属陶瓷和脆性材料等提供高质量的精密表面处理近年来消费电子业发展极为迅速随着VRAR智能手表5G手机折叠屏手机等新产品的不断涌现对于产品性能和品质的要求不断提高为金刚石微粉创造广阔的市场空间根据Statista的数据中国消费电子产品市场规模从2016年的16120亿美元增长到2021年的18113亿美元受疫情影响智能手机等电子产品出现库存积压伴随着未来疫情影响边际减弱需求有望进一步向好库存会得到进一步消耗逐步回归正常的安全备货水平同时随着折叠屏技术逐渐成熟未来5G折叠屏手机不断出货放量进而拉动相关领域金刚石微粉需求稳中有升图122017-2023年中国消费电子市场规模图132020-2026年全球折叠屏手机出货量及预测190001050002004150181131814217780179064000352018000150173475284030002270100170001658720001490161200910501600010003500015000-5202020212022E2023E2024E2025E2026E201720182019202020212022E2023E市场规模左轴亿元年增速右轴出货量左轴万部年增速右轴资料来源Statista中商产业研究院中原证券资料来源CounterpointIDC中原证券第三代半导体快速发展带动金刚石微粉需求不断增长碳化硅作为第三代半导体材料努氏硬度达到了30Gpa相较第二代半导体材料砷化镓努氏硬度7Gpa加工难度大因此在碳化硅晶体切割晶片研磨晶片抛光等几个生产环节均需使用金刚石微粉或相关产品进行加工国家十四五规划提出要推进碳化硅氮化镓等宽禁带半导体材料的发展长三角区域一体化发展规划提出要加快培育布局第三代半导体等未来产业根据Yole统计碳化硅功率器件市场规模约71亿美元预计2026年将增长至45亿美元2020-2026年复合增长率近36随着国内外新能源车和光伏发电等下游需求不断增长对功率器件和衬底材料的功率及频率适用性要求也不断提高碳化硅作为衬底可开发出更适应高温高压高频率和大功率等条件的半导体器件满足下游需求因此碳化硅衬底的市场规模有望快速增长带来广阔的国产替代空间和带动金刚石微粉需求本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第13页共39页新材料图14相同条件下SiC器件在车用逆变器中损耗低图152020-2026年全球碳化硅功率器件市场规模805045594060453025354029482043203833203071碳化硅器件损耗硅器件损耗400V10碳化硅器件损耗硅器件损耗800V001234520202024E2025E2026E相电流Ampsms市场规模亿美元资料来源Wolfspeed中原证券资料来源Yole中原证券LED与消费电子行业增长带动蓝宝石切割用金刚石微粉需求提升蓝宝石主要作为LED行业的蓝宝石衬底材料和消费电子行业光学蓝宝石材料根据Yole统计超过80蓝宝石用于LED衬底材料LED已经逐步取代普通白炽灯节能灯加上新型态的MicroMiniLED出现LED的渗透率会持续攀高根据Arizton预测2021-2024年全球MiniLED市场规模有望从15亿美元增至232亿美元复合年增长率约为1402021年中国MiniLED产值约为1878亿元预计2026年MiniLED背光模组市场空间将达到1250亿元MiniLED面板需求的增长将会带动对上游金刚石切割线的需求图162022年MiniLED传统面板产品出货量3500029010300002500019890200001524015613515000100005000310970990650电视平板电脑笔记本电脑显示器MiniLED面板万台传统面板万台资料来源TrendForceOmdiaCMMA中原证券13CVD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CVD金刚石开发潜力巨大人造金刚石不仅限于工业金刚石还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与HTHP法相比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具有巨大开发潜力的功能性材料本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第14页共39页新材料表4金刚石材料性能参数数值对比材料性质性质应用行业硬度约90GpacBN约40Gpa高硬度刀具杨氏模量1200GpaC约450Gpa高杨氏模量光学窗口热膨胀系数08x10-6K-1石墨20x10-6K-1低热膨胀系数声学光透过率深紫外到远红外硒化锌600nm-16m宽的波长范围内光学透明生物兼容性无害并与细胞组织等效纳米医学带隙547eVSiC为30eV超宽带隙理想的半导体材热导率24Wcm-1K-1Cu为398Wcm-1K-1高室温热导率料资料来源功能金刚石的发展现状及产业化前景中原证券2022年8月12日美国商务部宣布对压力增益燃烧技术EDA软件氧化镓和金刚石为代表的宽禁带半导体材料等四项技术加入商业管制清单限制出口受国际形势影响我国半导体行业发展备受制约半导体材料是制作半导体器件和集成电路的电子材料是半导体工业的基础其中半导体衬底材料长晶难度大技术壁垒高毛利率达50左右半导体产业链包括上游衬底外延等构成基础材料经过中游器件和集成电路设计光刻薄膜沉积刻蚀等复杂工艺流程最后在下游进行晶圆封装应用到电子新能源5G等诸多领域衬底是产业链最具价值技术含量最高的环节几乎决定着芯片制程的技术路线衬底的选择对未来半导体产业的发展起关键性作用目前第三代半导体有氮化镓GaN碳化硅SiCAlN氮化铝ZnO氧化锌等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表5CVD金刚石与其他半导体材料性能对比参数SiGaAs6HSiCGaN金刚石带隙eV110143310345545饱和载流子速度x107cms-1100100200220100电子15008500114012501250载流子迁移率cm2Vs空穴60040050850850击穿电场x105Vcm-1363010100介电常数11801250960109550比电阻cm1000108101210101013热传导率Wcm-1K-11504649013022232Johnson性能指标x10WS2391091190122602533Keyes性能指标x107WK-1S-167020034699014490Baliga性能指标以Si为110095013103572资料来源金刚石半导体器件的研究与展望中原证券本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第15页共39页新材料图17各代半导体材料禁带宽度资料来源芯语中原证券目前制备大尺寸金刚石及晶圆的技术主要有同质外延生长马赛克晶圆制备和异质外延生长等技术其中同质外延生长的独立单晶薄片具有缺陷密度低的特点最大尺寸可达1英寸采用平铺克隆晶片的马赛克拼接技术生长的金刚石晶圆可达2英寸采用金刚石异质外延技术的晶圆可达4英寸如采用低成本异质外延CVD法通过生长金刚石多晶薄膜晶圆已达8英寸可作为导热衬底用于新一代功率电子器件半导体行业高度景气后周期的半导体材料需求获得提升在新能源汽车云计算5G物联网等新型产业带动下半导体需求持续旺盛同时受中美贸易战影响国内客户更加重视芯片产业链独立安全自主对国产半导体材料需求不断增长中国大陆半导体材料市场从2009年的2255亿元增长至2021年82016亿元年均复合增长率达113预计2023年市场规模达102434亿元从地域来看2020年中国大陆市场规模超过韩国达91440亿元位居全球第二占全球市场规模的1728受2020年下半年半导体缺货影响晶圆厂于2020年底开始大幅扩产晶圆厂的建设周期约耗时2年2023年新增产能将迎来释放有望拉动半导体材料需求在后周期增长图182018-2023中国半导体材料市场规模统计预测120025102434100091448201620800670995857459743156001040020050020182019202020212022E2023E市场规模左轴亿元年增速右轴资料来源中商产业研究院中原证券本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第16页共39页新材料CVD金刚石因散热性强成本低尺寸大可作为大功率散热片多晶金刚石作为大功率芯片电子器件散热片方面具备高性能优势未来随产量提升和成本下降有望在半导体散热片领域得到大规模应用目前元素六公司已实现4英寸电子级多晶金刚石的商业化量产国内化合积电公司于2022年实现125mm金刚石热沉片生产目前国际最大制备尺寸可达8英寸随着MPCVD技术的改善升级有望与现存的8英寸半导体晶圆制造产线兼容最终实现多晶金刚石热沉材料在半导体材料产业的规模化应用推广图19化合积电CVD金刚石热沉片图20金刚石和SiC热沉基板热管理能力对比资料来源化合积电中原证券资料来源化合积电中原证券金刚石由于在极端恶劣环境下仍具有高红外透过率和低光学自发射率可作为光学窗口提高武器性能对于发展机载弹载舰载等红外搜索与跟踪系统所用的光学窗口整流罩高功率微波武器高能激光武器等新型武器核反应堆ECRH用介质窗太赫兹波段用行波管等有重要的意义例如金刚石热导率高引起的温度梯度和折射率梯度变化很小光束不会畸变可作为高能CO2激光器耐高功率耐高频输出介质窗口金刚石X射线窗口具有更高透过率高强度硬度高损伤阈值以及安全无毒无伤害等优点可代替铍成为新一代X射线窗口材料CVD金刚石在军事领域具有极高的应用价值表6高功率微波窗口常用介质材料的性能参数Al2O3AlNBeOBN金刚石介电常数9510885664434456介电损耗正切tan10-41041012281导热系数Wm-1K-133510026020931675502427235热膨胀系数10-6K-18455189130180抗弯强度Mpa300400350400130180低250莫氏硬度99210资料来源金刚石光学窗口相关元件的研究进展中原证券2021年全球CVD金刚石市场销售额达到了4亿美元预计2028年将达到68亿美元年复合增长率CAGR为772022-2028根据共研网统计中国CVD金刚石市场规模从2014年的035亿元增长至2021年的151亿元目前我国CVD金刚石市场规模较小考虑到半导体材料随下游半导体市场快速增长以及在新能源互联网云计算数据中心消本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第17页共39页新材料费电子等诸多领域信息化发展对半导体的庞大需求随着第四代半导体材料逐渐应用CVD金刚石市场规模将迅速扩大2培育钻石巧夺天工低渗透高增长汇聚投资价值21人工合成真钻石从工业品走向消费品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科学技术发展对加工表面光滑度和加工精度要求越来越高超硬材料需求量也随只增加天然金刚石适合做切削道具的比例低价格昂贵人们开始通过实验室模拟天然钻石生长环境合成钻石培育钻石最早在1954年由美国通用电气公司科学家赫伯特斯特朗运用化学气相沉积法合成而成中国在1963年合成了第一颗人造细粒钻石早期人造钻石在硬度热导率等属性上达到了天然钻石的标准但在色泽纯度体积上仍有差距主要以磨料磨具刀具等形式应用于工业领域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一般而言工业级钻石被称为金刚石宝石级钻石被称为培育钻石培育钻石与天然钻石无异是实验室培育的真钻石培育钻石与天然钻石具有相同的晶体结构化学成分光学和物理特性二者均为纯碳构成的晶体在透明度折射率色散颜色等方面没有明显差异专业人士需要通过激光光源以及激光光源等高科技设备才可鉴别培育钻石和天然钻石但二者在肉眼上难以通过外观品质分辨培育钻石是人工培育的真钻石目前市场上的伪钻石主要是锆石和莫桑石两种锆石的主要成分为硅酸锆莫桑石的主要成分为碳化硅在元素组成晶体结构火彩光泽上均与天然钻石有明显差异真钻石包括天然钻石和人工培育钻石两者的差异仅在于合成环境与形成方式天然钻石在地壳活动或卫星撞击等天然环境形成而培育钻石是在实验室中高温高压或高温低压特定环境形成表7培育钻石天然钻石莫桑石与锆石性质对比培育钻石天然钻石莫桑石锆石化学成分碳碳碳化硅硅酸锆折射率242242265218密度gcm3352352322556-6色散0044004401040060莫氏硬度10109258-85热导率WKcm262623-49209x10-3热膨胀系数K-108x10-608x10-640x10-650x10-6资料来源Caraxy官网维基百科中原证券本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第18页共39页新材料图21锆石天然钻石莫桑石色泽与火彩对比资料来源Diamond101中原证券培育钻石与天然钻石可通过特殊检测方法进行分别培育钻石与天然钻石的晶体结构完全相同主要化学成分也别无二致差异体现在由于生长条件不同而引入的缺陷种类浓度和分布差异近20年来的鉴定方法有红外光谱分析宝石学特征观察发光图像观察和光致发光光谱分析培育钻石与天然钻石红外吸收光谱不同钻石中的常见杂质为氮元素和硼元素由于培育钻石生长周期短杂质元素来不及聚集同时通过使用除氮剂等方法培育钻石含氮量极低CVD培育钻石通常采用甲烷为氮源也会引入部分杂质氢元素培育钻石和天然钻石在杂质元素种类和分布的细微差异会产生不同的红外吸收光谱根据光谱可确定钻石的生长方法表8培育钻石与天然钻石红外吸收光谱差别红外吸收光谱类型天然钻石HPHT培育钻石CVD培育钻石Ia常见少见常见Ib少见黄色中常见极少见IIa少见白色中常见常见IIb含硼少见白色中常见极少见资料来源培育钻石与天然钻石检测方法的现状与未来中原证券培育钻石与天然钻石发光性质不同钻石品格中的某些缺陷在合适的光源激发下会发出可见光而缺陷种类与生长条件密切相关使得培育钻石与天然钻石的发光性质存在差异HPHT培育钻石在短波紫外灯下多呈中到强的黄绿色到蓝绿色荧光长波紫外灯下多数呈惰性或弱黄绿色荧光CVD培育钻石在短波紫外灯下呈中到强的黄到黄绿色荧光长波紫外灯下多呈惰性特别地HPHT培育钻石经短波紫外灯照射后多具有蓝绿色磷光培育钻石与天然钻石包裹体不同由于生长环境中的化学组分存在差异培育钻石与天然钻石在包裹体种类上大不相同天然钻石中常见矿物晶体白色云雾状包裹体而HPHT培育钻石的特征包裹体主要为生产过程中使用的铁钴镍等金属助熔剂的残余外观上为近球形或拉长的深色包裹体金属光泽含量足够高时甚至可以被磁铁吸引CVD培育钻石往往可见球状或聚集的针尖状黑色包裹体为无定形碳或微晶石墨本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第19页共39页新材料图22HPHT培育钻石中的典型包裹体图23CVD培育钻石中的典型包裹体资料来源知网中原证券资料来源知网中原证券22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培育钻石加速崛起逐步获市场认可2012年至2015年期间培育钻石已在部分国家时尚消费市场零星出现但产品品质不高价格竞争力不强2016年前后我国采用温差晶种法生产的无色小颗粒培育钻石开始尝试小批量生产2018年戴尔比斯等钻石珠宝巨头进入培育钻石赛道建立培育钻石子品牌培育钻石在行业组织建立技术规范制定合成和鉴定技术提升生产成本和零售价格降低产能规模和市场份额提高等方面取得快速发展和明显进步培育钻石得到大众认可2019年之后培育钻石接受度已经提高至较高水平制造成本大幅下降认可度加速提升2020年下游加工受疫情影响培育钻石的市场开拓过程受到干扰随着2023年疫情影响的逐步解除行业将进一步加速崛起培育钻石获国内外权威机构背书监管介入保障行业规范2018年7月美国联邦贸易委员会FTC修订了钻石的定义删去了天然的限定将实验室培育钻石纳入钻石大类不推荐使用合成钻石以免误导消费者培育钻石不是真正的钻石同时FTC也加大了对培育钻石行业的监管力度要求钻石公司必须说明钻石是开采还是人工合成禁止在人工合成的钻石上使用已有天然钻石的名称或声称人工合成钻石拥有与天然钻石相同的物理特性严格审核广告文案中含有类似环保的词汇避免过分夸大培育钻石2019年7月中国珠宝玉石首饰行业协会培育钻石分会在郑州成立标志着中国珠宝行业对培育钻石的认可国内外监管措施的加强有助于进一步规范培育钻石行业为行业构建一条清晰的产业链同时出清一批不规范的小企业避免小企业将培育钻石包装成天然钻石销售政府监管的加强能整体促进行业向好发展成为珠宝首饰行业有益补充表9培育钻石行业重要事件梳理时间事件内容201705施华洛世奇旗下培育钻石品牌Diama在北美地区正式开售201805戴比尔斯宣布推出培育钻石饰品品牌Lightbox本报告版权属于中原证券股份有限公司wwwccnewcom请阅读最后一页各项声明第20页共39页