2025年全球超硬材料行業(yè)技術(shù)發(fā)展與分析——擁抱產(chǎn)能，迎接創(chuàng)新

行業(yè)主要上市公司：中兵紅箭(000519)、黃河旋風(600172)、力量鉆石(301071)、惠豐鉆石(839725)、國機精工(002046)、四方達(300179)、沃爾德(688028)等

本文核心觀點：2025年全球超硬材料行業(yè)呈現(xiàn)"技術(shù)雙軌競爭、應(yīng)用多元拓展"的發(fā)展格局，納米孿晶金剛石和新型超硬化合物研發(fā)成為技術(shù)制高點，行業(yè)正加速向半導(dǎo)體、量子計算等新興領(lǐng)域轉(zhuǎn)型。

從HPHT突破到納米孿晶材料的性能躍升

超硬材料的技術(shù)發(fā)展可追溯至20時間50年代，始于高溫高壓合成金剛石技術(shù)的成功實現(xiàn)。1953年瑞典ASEA與1954年美國GE相繼合成出可控的人造金剛石，開啟了超硬材料工業(yè)化的先河。隨后，1957年立方氮化硼問世，成為繼金剛石后又一重要的超硬材料，因其出色的耐熱性和對鐵系材料的化學(xué)惰性，在切削和磨削領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。進入1980年代后，化學(xué)氣相沉積技術(shù)的發(fā)展推動了金剛石薄膜的低壓合成，為電子器件、熱管理與精密加工領(lǐng)域提供了更廣泛的材料選擇。同時，聚晶、納米晶等微結(jié)構(gòu)控制手段使金剛石和立方氮化硼材料性能得到進一步的提升。而近十年來，納米孿晶結(jié)構(gòu)技術(shù)成為突破硬度極限的關(guān)鍵手段，其中納米孿晶金剛石與立方氮化硼的硬度可超過傳統(tǒng)合成金剛石，展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。此外，碳-氮、硼-碳-氮等輕元素超硬化合物與異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)也成為新一輪熱點，在計算材料學(xué)與機器學(xué)習(xí)設(shè)計的輔助下，超硬材料的發(fā)展正邁向結(jié)構(gòu)可控化、功能多樣化與工藝智能化的新階段。

立方碳化硼是一種僅次于金剛石的超硬材料，最早于1957年由美國通用電器公司合成，立方碳化硼不僅硬度高，而且耐高溫、抗氧化，廣泛運用于鋼鐵加工。而合成金剛石則是最早實現(xiàn)工業(yè)化的超硬材料，通常采用HPHT法和CVD法進行制備，它具有極高的硬度，良好的熱導(dǎo)率和化學(xué)穩(wěn)定性，廣泛運用于切削、磨削、電子器件和光學(xué)窗口等領(lǐng)域。

在近年來，研究者通過引入納米孿晶結(jié)構(gòu)顯著提升了超硬材料的性能，納米孿晶金剛石通過精細控制晶界結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超越常規(guī)金剛石的硬度，部分實現(xiàn)測得其維氏硬度高達180-200GPa，是目前已知最硬的人造材料之一。而納米孿晶cBN也通過界面強化機制將其硬度提升至100GPa以上，兼具高硬度與良好的韌性和熱穩(wěn)定性。這兩類納米結(jié)構(gòu)材料代表了超硬材料技術(shù)從單一硬度追求向“硬度+韌性”協(xié)同優(yōu)化的新階段，正成為高端制造、航空航天和極端加工領(lǐng)域的重要研究方向。

在2020-2025年的研究時段內(nèi)，共收集到有效文獻1758篇。其中，關(guān)于金剛石的文獻為1078篇，關(guān)于立方氮化硼的文獻為687篇。數(shù)據(jù)顯示，金剛石領(lǐng)域的研究熱度顯著高于立方氮化硼，文獻數(shù)量約為后者的兩倍，反映了其在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界更廣泛的關(guān)注度。

HPHT/CVD雙軌發(fā)展與新型超硬化合物突破

超硬材料行業(yè)的核心技術(shù)主要集中與材料合成工藝、結(jié)構(gòu)優(yōu)化手段及多功能復(fù)合化這三個方面。首先，在合成技術(shù)方面，HPHT與CVD是兩大主流技術(shù)路線，分別適用于工業(yè)級和高純度金剛石的制備。前者強調(diào)產(chǎn)量與成本控制，后者則在電子、光學(xué)和高端刀具領(lǐng)域有著獨特優(yōu)勢。其次，結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)成為性能提升的關(guān)鍵，包括聚晶、納米晶和納米孿晶結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，特別是納米孿晶金剛石和cBN通過界面強化顯著提升材料的強度與韌性，突破了傳統(tǒng)材料性能瓶頸。此外，異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)和新型超硬相的研究也在快速推進，材料計算與智能設(shè)計技術(shù)在新材料預(yù)測和工藝優(yōu)化中的運用也在逐漸增強。整體來看，行業(yè)核心技術(shù)正向“高強高韌多能低本”的方向協(xié)同演進，支撐超硬材料在航空航天、精密加工、電子器件等領(lǐng)域的深度拓展。

從發(fā)展趨勢上來說，技術(shù)上的主要方向主要在CVD技術(shù)朝著更大尺寸、更高質(zhì)量和更低成本的方向發(fā)展，特別是在單晶金剛石的制備上。同時，新型非常規(guī)合成方法(如液相法、微波等離子體法)也開始涌現(xiàn)。

除了傳統(tǒng)的切削工具和磨料，金剛石在半導(dǎo)體、量子計算、高功率光學(xué)和水處理等新興領(lǐng)域的應(yīng)用研究正在快速增長，成為新的研究前沿。而PCBN(聚晶立方氮化硼)和金剛石涂層硬質(zhì)合金等復(fù)合材料的研究依然是熱點，旨在結(jié)合不同材料的優(yōu)點，滿足更苛刻的工況需求。

中國產(chǎn)業(yè)化與歐美技術(shù)領(lǐng)先

在裝備與生產(chǎn)規(guī)模方面，雖然歐美等國家仍在高壓設(shè)備、HPHT/CVD工藝穩(wěn)定性和大尺寸生產(chǎn)方面仍有領(lǐng)先，但中國正在快速縮小差距。而在nt-cBN與nt-金剛石的領(lǐng)域，國外成果相對更為顯著，但中國也在2025年由燕山大學(xué)的院士團隊得到了新的突破。而在智能篩選與預(yù)測方面，中國僅在數(shù)據(jù)質(zhì)量與原型驗證等問題上略有不足。但在供應(yīng)鏈與原材料方面，中國具有強大的全球競爭力，但由于供應(yīng)鏈集中的緣故，可能面臨一定的低端產(chǎn)品出口受限的風險。

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