发布时间：2024-04-11 文章来源： 作者： 办公室
1 引言
新材料产业是战略性、基础性产业，也是高技术竞争的关键领域。在新材料中，超硬材料被称为“工业牙齿”“材料之王”，广泛应用于军工、航空航天、电子、机械等诸多领域，是未来产业迭代升级的基础支撑。超硬材料产业是河南省优势产业、潜力产业，前景广阔、大有可为。研究河南超硬材料产业，打造河南超硬材料产业新高地，对全面推动提升河南产业的国际竞争力和影响力具有重要的现实意义。
超硬材料主要是指金刚石和立方氮化硼，尤其金刚石是目前已知世界上最硬的物质，是超硬材料的典型代表。1954年美国通用公司合成出世界上第一颗人造金刚石，开创了工业人造金刚石规模化生产的先河，掀起了全球超硬材料的研发热潮。经过近七十年的发展，全球人造金刚石产量一路上扬，应用领域不断拓宽。人造金刚石的合成技术也快速发展，从高温高压法、化学气相沉积法到微波等离子体化学气相沉积法，不断迭代升级，人造金刚石的尺寸、品质不断突破，推动其从磨料、走向工具材料、功能材料，从工业品拓展至消费品。
1.1 传统市场需求旺盛，产业规模持续增长
全球工业化深入推进，高新技术产业蓬勃发展，超硬材料市场需求持续旺盛。数据显示，21世纪以来超硬材料产量一直呈快速增长的态势。其中，我国的人造金刚石产量，在 2021年达到223亿克拉（占全球产量的95%以上），较2000 年的12亿克拉增长了近20倍；我国的立方氮化硼产量，在2020年产量突破6亿克拉（占全球产量的70%以上），较2000年的0.2亿克拉增长了近30倍。目前，建筑石材、陶瓷、勘探采掘、汽车、机械、光伏、航空航天等诸多行业急需以超硬材料推动提质升级，下游应用市场规模不断增长。据预测，到2025年仅工业金刚石需求的年均复合增长率即可达到13.9%，行业仍处于高速发展阶段。
1.2 消费市场持续拓展，培育钻石的市场发展
潜力巨大超硬材料行业技术的持续进步，推动其不断由工业品向消费品扩展，其中培育钻石（即达到一定品级的人造金刚石）向消费品迈进的步伐最大、速度最快。2012年，培育钻石开始在时尚消费市场出现；2015年以后，由于培育钻石技术上的突破，价格大幅下降，其进入消费领域的竞争力快速提升；2018年，全球最大天然钻石商戴尔比斯正式进入培育钻石领域，掀起全球培育钻石的消费浪潮；2020年，全球权威的钻石鉴定机构GIA正式推出培育钻石分级证书；2021年，国家珠宝玉石质量监督检验中心正式实施《合成钻石鉴定与品质评价》企业标准。培育钻石进入消费领域的条件基本完备，全球的天然钻石生产商及时尚珠宝品牌都积极布局培育钻石业务，2021年全球消费规模已达44亿美元，占全球钻石消费的8%。由于价格优势和人们的绿色消费理念，消费者对培育钻石的消费热度将进一步提升，市场增长空间巨大。据预测，到2025年全球培育钻石市场规模将增加到368亿美元，而我国将增加到295亿美元，是现在超硬材料市场规模的两倍。
1.3 战略赛道布局加快，功能性应用强力迸发
金刚石“声、光、电、热”功能性应用是超硬材料产业未来技术发展的重要方向，倍受世界关注。金刚石在宽禁带半导体、辐射探测、量子计算、生物医药、窗口器件、声波材料、薄膜电极和热量传导等领域的应用得到了广泛研究。例如，金刚石半导体方面，法国、英国、日本在金刚石场效应晶体管研究上不断取得突破；美国斯坦福大学成功研制出了MEMS芯片，日本成功开发出了金刚石MEMS传感器；热学领域，美国、日本和英国等发达国家已开始将金刚石增强金属应用在军用便携计算机、高性能服务器等领域。整体上，日本、欧洲、美国在金刚石功能性应用研究领域处于国际领先地位，理论研究和技术实验不断取得突破，未来应用领域充满机遇、前景广阔。
2 河南超硬材料产业的优势
我国超硬材料研究和生产起步于20世纪50年代，从无到有、从小到大，至20世纪90年代产量一举超过美国，彻底改变了行业的世界格局。目前，我国已经形成门类齐全、具有相当规模的完整超硬材料产业体系，产量约占全球的2/3，是全球最大的生产基地，具有重要的国际影响力。河南是我国超硬材料产业的发源地和行业中心，也是我国最大的 生产基地，人造金刚石和立方氮化硼产量分别占全国的80%、95%。自1963年中国第一颗人造金刚石在河南诞生以来，经过60年的发展，河南超硬材料产业创新要素完备，产业链完整，形成了“世界超硬材料看中国，中国超硬材料看河南”的格局。
2.1 产业发展根基深厚
20世纪50年代，我国工业体系调整战略布局，国家将磨料磨具产业设在郑州。1953年第二砂轮厂迁入郑州，建成了当时全球最大的磨料磨具生产基地；1956年全国唯一的研磨专业在郑州正式设立，培养了550名首批行业骨干；1958年郑州磨料磨具磨削研究所（行业通称三磨所）成立，是全国唯一的超硬材料综合性研发机构，引领行业的技术创新和“黄埔军校”式人才培养，行业发展之初便形成了较为完备的产学研用协同发展的创新体系。三磨所于1963年研制出我国第一颗人造金刚石，之后又于1966年研制出了我国第一颗立方氮化硼、1975年研制出我国第一颗人造金刚石聚晶、1978年研制出我国第一颗立方氮化硼聚晶，科技的不断创新和产品的不断丰富，为河南发展超硬材料产业奠定了深厚的基础。
2.2 产业链布局完整
要形成完整的超硬材料产业链就需要有力的技术支撑。三磨所作为超硬材料产业的技术源，不仅开发了大量技术和产品，而且不断向企业转化，推动河南超硬材料企业的蓬勃发展，形成了领先全国的“技术研发—原料及辅料生产—生产设备制造—超硬材料合成—超硬材料制品”产业链。目前，河南超硬材料企业群在全国的聚集度最高、规模最大，上市公司也最多，主要分布在郑州、许昌、南阳、商丘等地，并持续向全省拓展。以中南钻石、黄河旋风、郑州华晶、四方达、富耐克、力量钻石等为代表的骨干企业覆盖了从上游原材料、专用设备，到中游的金刚石、立方氮化硼、复合材料，再到下游各应用领域的全产业链，成为全国最大的超硬材料生产基地，行业引领地位不断巩固增强。
2.3 产业支撑要素富集
河南拥有超硬材料行业最强的技术资源，如三磨所、郑州机械研究所、郑州大学、河南工业大学等科研院所和高校，国家级超硬材料重点实验室、工程技术研究中心等多个创新平台；河南拥有专业人才培养基地，河南工业大学设有全国唯一的超硬材料及制品专业和磨料磨具制造方向，每年为河南及全国各地培养大批专业人员和技术骨干；河南拥有超硬材料行业最为完善的公共服务体系，全国磨料磨具质量监督检验中心、全国磨料磨具标准化技术委员会、全国超硬材料行业协会均设在郑州；河南拥有全国唯一的国家级超硬材料产业基地，并设有企业孵化中心、培训中心、测试平台等，直接推动科研成果向企业转化。河南超硬材料产业技术和产 品开发、人才培养、公共服务等资源要素不断集聚，促进产业生态日益完善，增强了河南超硬材料产业的竞争力。
3 河南发展超硬材料产业面临的挑战
超硬材料的竞争是国与国的竞争，河南超硬材料作为我国的风向标，面对产业迭代升级的战略机遇，其所面临的挑战也前所未有。
3.1 产品多而不优，技术含量低
我国超硬材料产业前沿基础技术研究缺乏，源头创新技术供给不足，是导致河南乃至全国超硬材料产品多而不优的主要原因。一是低端产品多，高端产品少。从全球市场看，超硬材料的高端产品依然掌握在美国、日本的企业手中，我国及河南超硬材料企业生产的产品以中低端为主。例如，在大型化产品方面，我国生产的金刚石半导体材料最大直径半英寸左右，而国外已经达到两英寸。由于高端产品少，一些关键领域仍然依赖进口。例如，在纳米级加工产品方面，我国电子信息行业、半导体行业的超硬材料纳米级加工产品（划片刀、抛光垫、CMP抛光液等）依然被国外垄断，我国产品一直处于跟跑状态。二是中间品多，制成品少。河南超硬材料产业虽然生产规模大，但是产品主要是基础原材料或中间品，制成品产量不大。在几百个企业中，只有三磨所、黄河旋风、中南钻石、郑州华晶、富耐克等几家规模较大或技术研发型企业生产超硬材料制成品。由于低端产品多，高端产品少，我国超硬材料产品长期处于价值链低端。
3.2 应用端落后于发达国家
我国超硬材料产业规模仅为千亿级别，与我国工业化程度和进度不相匹配，主要是应用端开发的深度与广度远远不够，尤其在电子信息、国防军工、新能源和汽车加工业等新兴高端领域应用明显落后于国外先进水平。一方面，我国工业领域整体发展水平不高、应用端设备先进性不足，应用端对技术更新需求拉动力不强，超硬材料替代缓慢。例如，国外在军工、航空航天等领域的超硬材料刀具对传统刀具的替代率已经达到20%，而国内这一比例仅2%左右；国内高端轴承、齿轮等基础部件因下游主轴刚性不足、转速低等因素影响，仍长期使用传统刚玉、碳化硅砂轮，新型超硬材料设备替代率多年未变。另一方面，我国超硬材料行业自身的关键装备制造水平低，在产品开发能力、工艺技术等方面差距巨大，不能满足我国新兴产业的加工需求。我国汽车制造规模世界第一，但加工用的高速、精密磨削砂轮等产品，还主要从国外进口，国产市场占有率仅为10％左右，且以低端的客户群体为主。
3.3 高端产业低端化竞争
超硬材料属于资金密集型和技术密集型产业，资金投入大、研发周期长、行业壁垒高。世界级超硬材料行业巨头多实力雄厚，抗风险能力强，长期巨额的研发投入，奠定了行业领先地位。美国DI公司前期为GE控股，2007年被瑞典老牌刀具制造商—— Sandvik Tooling收购，实力有增无减，英国的元素六公司、日本的住友电工均为世界500强和国际领先的技术型公司。河南超硬材料产业现有规模以上企业约300家，产值规模400亿元左右，平均单个企业仅1亿多元。2022年，除中南钻石、黄河旋风的销售收入超过20亿元及三磨所、力量钻石、郑州华晶、四方达、惠丰钻石等销售收入超过5亿元外，其他90%的行业企业销售收入都低于1亿元。企业规模小，研发投入意愿低。很多企业虽然有技术支撑，但是无技术储备和技术人才，行业周期上行时“大家一起好”，行业周期下行时“大家一起倒”，发展潜力弱，抗风险能力低，大都在产业链低端竞争、在低端产品上竞争。
4 河南打造世界级超硬材料产业的对策建议
打造具有全球竞争力的超硬材料产业，保持未来竞争中的领先地位，既是河南制造业立省强省的 需要，也是实现“两个确保”的必由之路，抢抓时代机遇，河南迫在眉睫。
4.1 重构超硬材料创新体系
河南超硬材料产业亟待建立政府牵头、面向市场、企业主导的创新体系。一是搭建分级创新架构。要把超硬材料研发作为河南省科学院主攻方向，主动牵头构建由科研机构、高校、企业共同组成、从基础研究到产业化的全省一体化创新体系；牵头组织、整合各创新平台资源，使分散型资源发 挥出集约型效用。二是打造共性技术平台。鼓励和支持专业研究机构提供产业公共服务，支持三磨所建设国家重点实验室，积极开展领域基础研究、前沿技术研究、共性关键技术研究；支持郑州大学河南省金刚石光电材料与器件重点实验室开展金刚石光电功能化应用技术攻关，实现在医学检测等 相关领域的技术变革与引领。三是支持企业研发攻关。支持龙头企业建设创新联合体、重点实验室、企业技术中心等科研平台，通过产学研联合科研攻关、产业上下游合作提高科技成果产业化的效率，支持企业借助科研院所技术力量提高自身科研能力。
4.2 抢抓培育钻石行业风口
培育钻石向商业领域的扩展和延伸，打破了金刚石作为工业品受其他工业发展水平制约的业务模式，革命性地扩大了超硬材料的市场空间和规模，河南要抢抓历史窗口，乘势而上，继续引领培育钻石行业的发展。一是加快促进培育钻石消费文化的形成。我国消费者对钻石的认知度和消费热度远低于玉石、珍珠等其他类珠宝，需要加大对钻石消费的宣传和推广。借鉴养殖珍珠产业的发展模式，推广宣传培育钻石不仅具有天然钻石的品质，而且因为价格优势，还可以制作钻戒、项链、耳环、胸花等饰品，是更为大众的高档消费品。借助世界金刚石产业大会、重大节日等主题活动打造消费场景，让消费者沉浸式体验培育钻石的国际化、个性化、时尚性魅力，组织开展培育钻石领域河南品牌、河南元素“矩阵式”宣传，逐步掀起培育钻石的消费热潮。二是大力支持郑州快速打造“钻石城”。广东、上海等地正在快速布局培育钻石产业，郑州“钻石城”的建设十分紧迫。支持引 进培育钻石、珠宝类头部企业、销售渠道能力强的企业，快速提升河南在行业内的影响力和扩展力；支持郑州打造全球培育钻石交易中心，发展钻石镶嵌、鉴定、检测、交易、展示等配套服务，与上海钻石交易所等行业引领者进行高层级战略合作，逐步提高河南在交易环节的话语权；支持引进重 点企业、顶级珠宝专业团队、专业院所，加快培育河南钻石切磨抛、珠宝设计、品牌经营等人才和企业，培育带有河南元素的国产新锐品牌，打响河南品牌的影响力。三是整合提高河南培育钻石生产优势。目前，中南钻石、郑州华晶、黄河旋风等大型培育钻石生产企业都是河南企业，一方面要大 力支持培育钻石生产的头部企业开展高温高压法及微波等离子体化学气相沉积法大尺寸、高品级钻石毛坯的生长技术研究，重点发展宝石级金刚石，提高钻石毛坯的生产质量、提高良品率，提高行业进入门槛，保持河南培育钻石生产基地的优势；另一方面，组织河南省内超硬材料生产企业组建产业联盟、行业协会等交流、合作的平台，加强省内企业资源的整合和凝聚，防止省内不同地市、不同企业之间各自独立、相互竞争。
4.3 重组河南企业旗舰劲旅
河南超硬材料产业亟须加大龙头企业的培育，快速壮大实力，提升能级，提高国际竞争力，直面抗衡世界行业巨头。一是提高领军企业量级。对标超硬材料产业国际一流大公司，支持现有骨干企业兼并重组，支持民营企业与国有企业进行混改，横向兼并，纵向整合，组建能够与国外大公司竞争的 龙头企业。二是引导企业提档升级。支持、推动骨干企业实施数字化升级改造，用好工业互联网平台，用活行业大数据，以数字化为手段提高技术研发和关键工艺升级的效率，实现龙头企业由“大”到 “强”的跨越。三是提升行业主导能力。鼓励大型龙头企业开展关键应用技术攻关，着力提升高品级 的主导产品，重点打造地理标识的标志性产品，向产业链高端迈进，提高在产业链分工上的主导权。四是强化企业品牌战略。引导骨干企业加快打造企业品牌、构建销售渠道，逐步渗透和切入下游市场，提高品牌知名度和终端客户掌控力，形成以河南企业为主导的营销网和客户群，构建企业核心竞争力。
4.4 抢占功能性材料赛道
金刚石在声、光、电、磁、热等方面均具备优异的性能，被誉为21世纪最有潜力的材料之一，成为国际材料学研究的热点。一是抢占金刚石半导体材料前沿赛道。金刚石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。依托省实验室，主 动对接、深度嵌入国家战略科技力量体系，重点攻关第四代半导体材料关键技术，尽快突破产业化核心技术，取得金刚石半导体材料先发优势，力争成为国家半导体产业主力军。二是大力发展自主可控的功能性金刚石材料。重点加强大尺寸金刚石半导体材料、量子计算材料、高级热沉材料、高频滤波器等前沿技术研发，推进创新成果产业化规模化，提高新赛道上的自主可控力，借助超硬材料产业优势地位，占领碳基新材料未来发展制高点。三是大力拓展多领域应用。积极探索金刚石功能性应用领域的开发，实现部分功能性元器件的规模化应用。加强金刚石振动膜、掺硼金刚石电极、高功率激光器窗口、医药专用纳米金刚石等材料的开发应用，推动其在声表面波器件、生物成像工具、水净化负极材料、药物载体材料、蛋白质组学质谱测定、荧光探针材料以及量子探针等领域的应用。
(责任编辑：胡海峰)
来源：调研报告公众号
