1 引言
新材料產業是戰略性、基礎性產業，也是高技術競爭的關鍵領域。在新材料中，超硬材料被稱為“工業牙齒”“材料之王”，廣泛應用于軍工、航空航天、電子、機械等諸多領域，是未來產業迭代升級的基礎支撐。超硬材料產業是河南省優勢產業、潛力產業，前景廣闊、大有可為。研究河南超硬材料產業，打造河南超硬材料產業新高地，對全面推動提升河南產業的國際競爭力和影響力具有重要的現實意義。
超硬材料主要是指金剛石和立方氮化硼，尤其金剛石是目前已知世界上*硬的物質，是超硬材料的典型代表。1954年美國通用公司合成出世界上*顆人造金剛石，開創了工業人造金剛石規模化生產的先河，掀起了全球超硬材料的研發熱潮。經過近七十年的發展，全球人造金剛石產量一路上揚，應用領域不斷拓寬。人造金剛石的合成技術也快速發展，從高溫高壓法、化學氣相沉積法到微波等離子體化學氣相沉積法，不斷迭代升級，人造金剛石的尺寸、品質不斷突破，推動其從磨料、走向工具材料、功能材料，從工業品拓展至消費品。
1.1 傳統市場需求旺盛，產業規模持續增長
全球工業化深入推進，高新技術產業蓬勃發展，超硬材料市場需求持續旺盛。數據顯示，21世紀以來超硬材料產量一直呈快速增長的態勢。其中，我國的人造金剛石產量，在 2021年達到223億克拉（占全球產量的95%以上），較2000 年的12億克拉增長了近20倍；我國的立方氮化硼產量，在2020年產量突破6億克拉（占全球產量的70%以上），較2000年的0.2億克拉增長了近30倍。目前，建筑石材、陶瓷、勘探采掘、汽車、機械、光伏、航空航天等諸多行業急需以超硬材料推動提質升級，下游應用市場規模不斷增長。據預測，到2025年僅工業金剛石需求的年均復合增長率即可達到13.9%，行業仍處于高速發展階段。
1.2 消費市場持續拓展，培育鉆石的市場發展
潛力巨大超硬材料行業技術的持續進步，推動其不斷由工業品向消費品擴展，其中培育鉆石（即達到一定品級的人造金剛石）向消費品邁進的步伐*大、速度*快。2012年，培育鉆石開始在時尚消費市場出現；2015年以后，由于培育鉆石技術上的突破，價格大幅下降，其進入消費領域的競爭力快速提升；2018年，全球*大天然鉆石商戴爾比斯正式進入培育鉆石領域，掀起全球培育鉆石的消費浪潮；2020年，全球權威的鉆石鑒定機構GIA正式推出培育鉆石分級證書；2021年，國家珠寶玉石質量監督檢驗中心正式實施《合成鉆石鑒定與品質評價》企業標準。培育鉆石進入消費領域的條件基本完備，全球的天然鉆石生產商及時尚珠寶品牌都積極布局培育鉆石業務，2021年全球消費規模已達44億美元，占全球鉆石消費的8%。由于價格優勢和人們的綠色消費理念，消費者對培育鉆石的消費熱度將進一步提升，市場增長空間巨大。據預測，到2025年全球培育鉆石市場規模將增加到368億美元，而我國將增加到295億美元，是現在超硬材料市場規模的兩倍。
1.3 戰略賽道布局加快，功能性應用強力迸發
金剛石“聲、光、電、熱”功能性應用是超硬材料產業未來技術發展的重要方向，倍受世界關注。金剛石在寬禁帶半導體、輻射探測、量子計算、生物醫藥、窗口器件、聲波材料、薄膜電極和熱量傳導等領域的應用得到了廣泛研究。例如，金剛石半導體方面，法國、英國、日本在金剛石場效應晶體管研究上不斷取得突破；美國斯坦福大學成功研制出了MEMS芯片，日本成功開發出了金剛石MEMS傳感器；熱學領域，美國、日本和英國等發達國家已開始將金剛石增強金屬應用在軍用便攜計算機、高性能服務器等領域。整體上，日本、歐洲、美國在金剛石功能性應用研究領域處于國際*地位，理論研究和技術實驗不斷取得突破，未來應用領域充滿機遇、前景廣闊。
2 河南超硬材料產業的優勢
我國超硬材料研究和生產起步于20世紀50年代，從無到有、從小到大，至20世紀90年代產量一舉超過美國，徹底改變了行業的世界格局。目前，我國已經形成門類齊全、具有相當規模的完整超硬材料產業體系，產量約占全球的2/3，是全球*大的生產基地，具有重要的國際影響力。河南是我國超硬材料產業的發源地和行業中心，也是我國*大的 生產基地，人造金剛石和立方氮化硼產量分別占全國的80%、95%。自1963年中國*顆人造金剛石在河南誕生以來，經過60年的發展，河南超硬材料產業創新要素完備，產業鏈完整，形成了“世界超硬材料看中國，中國超硬材料看河南”的格局。
2.1 產業發展根基深厚
20世紀50年代，我國工業體系調整戰略布局，國家將磨料磨具產業設在鄭州。1953年第二砂輪廠遷入鄭州，建成了當時全球*大的磨料磨具生產基地；1956年全國*的研磨專業在鄭州正式設立，培養了550名首批行業骨干；1958年鄭州磨料磨具磨削研究所（行業通稱三磨所）成立，是全國*的超硬材料綜合性研發機構，*行業的技術創新和“黃埔軍校”式人才培養，行業發展之初便形成了較為完備的產學研用協同發展的創新體系。三磨所于1963年研制出我國*顆人造金剛石，之后又于1966年研制出了我國*顆立方氮化硼、1975年研制出我國*顆人造金剛石聚晶、1978年研制出我國*顆立方氮化硼聚晶，科技的不斷創新和產品的不斷豐富，為河南發展超硬材料產業奠定了深厚的基礎。
2.2 產業鏈布局完整
要形成完整的超硬材料產業鏈就需要有力的技術支撐。三磨所作為超硬材料產業的技術源，不僅開發了大量技術和產品，而且不斷向企業轉化，推動河南超硬材料企業的蓬勃發展，形成了*全國的“技術研發—原料及輔料生產—生產設備制造—超硬材料合成—超硬材料制品”產業鏈。目前，河南超硬材料企業群在全國的聚集度*高、規模*大，上市公司也*多，主要分布在鄭州、許昌、南陽、商丘等地，并持續向全省拓展。以中南鉆石、黃河旋風、鄭州華晶、四方達、富耐克、力量鉆石等為代表的骨干企業覆蓋了從上游原材料、專用設備，到中游的金剛石、立方氮化硼、復合材料，再到下游各應用領域的全產業鏈，成為全國*大的超硬材料生產基地，行業*地位不斷鞏固增強。
2.3 產業支撐要素富集
河南擁有超硬材料行業*強的技術資源，如三磨所、鄭州機械研究所、鄭州大學、河南工業大學等科研院所和高校，*超硬材料重點實驗室、工程技術研究中心等多個創新平臺；河南擁有專業人才培養基地，河南工業大學設有全國*的超硬材料及制品專業和磨料磨具制造方向，每年為河南及全國各地培養大批專業人員和技術骨干；河南擁有超硬材料行業*為完善的公共服務體系，全國磨料磨具質量監督檢驗中心、全國磨料磨具標準化技術委員會、全國超硬材料行業協會均設在鄭州；河南擁有全國*的*超硬材料產業基地，并設有企業孵化中心、培訓中心、測試平臺等，直接推動科研成果向企業轉化。河南超硬材料產業技術和產 品開發、人才培養、公共服務等資源要素不斷集聚，促進產業生態日益完善，增強了河南超硬材料產業的競爭力。
3 河南發展超硬材料產業面臨的挑戰
超硬材料的競爭是國與國的競爭，河南超硬材料作為我國的風向標，面對產業迭代升級的戰略機遇，其所面臨的挑戰也*。
3.1 產品多而不優，技術含量低
我國超硬材料產業前沿基礎技術研究缺乏，源頭創新技術供給不足，是導致河南乃至全國超硬材料產品多而不優的主要原因。一是低端產品多，高端產品少。從全球市場看，超硬材料的高端產品依然掌握在美國、日本的企業手中，我國及河南超硬材料企業生產的產品以中低端為主。例如，在大型化產品方面，我國生產的金剛石半導體材料*大直徑半英寸左右，而國外已經達到兩英寸。由于高端產品少，一些關鍵領域仍然依賴進口。例如，在納米級加工產品方面，我國電子信息行業、半導體行業的超硬材料納米級加工產品（劃片刀、拋光墊、CMP拋光液等）依然被國外壟斷，我國產品一直處于跟跑狀態。二是中間品多，制成品少。河南超硬材料產業雖然生產規模大，但是產品主要是基礎原材料或中間品，制成品產量不大。在幾百個企業中，只有三磨所、黃河旋風、中南鉆石、鄭州華晶、富耐克等幾家規模較大或技術研發型企業生產超硬材料制成品。由于低端產品多，高端產品少，我國超硬材料產品長期處于價值鏈低端。
3.2 應用端落后于發達國家
我國超硬材料產業規模僅為千億級別，與我國工業化程度和進度不相匹配，主要是應用端開發的深度與廣度遠遠不夠，尤其在電子信息、國防軍工、新能源和汽車加工業等新興高端領域應用明顯落后于國外先進水平。一方面，我國工業領域整體發展水平不高、應用端設備先進性不足，應用端對技術更新需求拉動力不強，超硬材料替代緩慢。例如，國外在軍工、航空航天等領域的超硬材料刀具對傳統刀具的替代率已經達到20%，而國內這一比例僅2%左右；國內高端軸承、齒輪等基礎部件因下游主軸剛性不足、轉速低等因素影響，仍長期使用傳統剛玉、碳化硅砂輪，新型超硬材料設備替代率多年未變。另一方面，我國超硬材料行業自身的關鍵裝備制造水平低，在產品開發能力、工藝技術等方面差距巨大，不能滿足我國新興產業的加工需求。我國汽車制造規模世界*，但加工用的高速、精密磨削砂輪等產品，還主要從國外進口，國產市場占有率僅為10％左右，且以低端的客戶群體為主。
3.3 高端產業低端化競爭
超硬材料屬于資金密集型和技術密集型產業，資金投入大、研發周期長、行業壁壘高。*超硬材料行業巨頭多實力雄厚，抗風險能力強，長期巨額的研發投入，奠定了行業*地位。美國DI公司前期為GE控股，2007年被瑞典老牌刀具制造商—— Sandvik Tooling收購，實力有增無減，英國的元素六公司、日本的住友電工均為世界500強和國際*的技術型公司。河南超硬材料產業現有規模以上企業約300家，產值規模400億元左右，平均單個企業僅1億多元。2022年，除中南鉆石、黃河旋風的銷售收入超過20億元及三磨所、力量鉆石、鄭州華晶、四方達、惠豐鉆石等銷售收入超過5億元外，其他90%的行業企業銷售收入都低于1億元。企業規模小，研發投入意愿低。很多企業雖然有技術支撐，但是無技術儲備和技術人才，行業周期上行時“大家一起好”，行業周期下行時“大家一起倒”，發展潛力弱，抗風險能力低，大都在產業鏈低端競爭、在低端產品上競爭。
4 河南打造*超硬材料產業的對策建議
打造具有全球競爭力的超硬材料產業，保持未來競爭中的*地位，既是河南制造業立省強省的 需要，也是實現“兩個確保”的必由之路，搶抓時代機遇，河南迫在眉睫。
4.1 重構超硬材料創新體系
河南超硬材料產業亟待建立政府牽頭、面向市場、企業主導的創新體系。一是搭建分級創新架構。要把超硬材料研發作為河南省科學院主攻方向，主動牽頭構建由科研機構、高校、企業共同組成、從基礎研究到產業化的全省一體化創新體系；牽頭組織、整合各創新平臺資源，使分散型資源發 揮出集約型效用。二是打造共性技術平臺。鼓勵和支持專業研究機構提供產業公共服務，支持三磨所建設國家重點實驗室，積極開展領域基礎研究、前沿技術研究、共性關鍵技術研究；支持鄭州大學河南省金剛石光電材料與器件重點實驗室開展金剛石光電功能化應用技術攻關，實現在醫學檢測等 相關領域的技術變革與*。三是支持企業研發攻關。支持龍頭企業建設創新聯合體、重點實驗室、企業技術中心等科研平臺，通過產學研聯合科研攻關、產業上下游合作提高科技成果產業化的效率，支持企業借助科研院所技術力量提高自身科研能力。
4.2 搶抓培育鉆石行業風口
培育鉆石向商業領域的擴展和延伸，打破了金剛石作為工業品受其他工業發展水平制約的業務模式，革命性地擴大了超硬材料的市場空間和規模，河南要搶抓歷史窗口，乘勢而上，繼續*培育鉆石行業的發展。一是加快促進培育鉆石消費文化的形成。我國消費者對鉆石的認知度和消費熱度遠低于玉石、珍珠等其他類珠寶，需要加大對鉆石消費的宣傳和推廣。借鑒養殖珍珠產業的發展模式，推廣宣傳培育鉆石不僅具有天然鉆石的品質，而且因為價格優勢，還可以制作鉆戒、項鏈、耳環、胸花等飾品，是更為大眾的*消費品。借助世界金剛石產業大會、重大節日等主題活動打造消費場景，讓消費者沉浸式體驗培育鉆石的國際化、個性化、時尚性魅力，組織開展培育鉆石領域河南品牌、河南元素“矩陣式”宣傳，逐步掀起培育鉆石的消費熱潮。二是大力支持鄭州快速打造“鉆石城”。廣東、上海等地正在快速布局培育鉆石產業，鄭州“鉆石城”的建設十分緊迫。支持引 進培育鉆石、珠寶類頭部企業、銷售渠道能力強的企業，快速提升河南在行業內的影響力和擴展力；支持鄭州打造全球培育鉆石交易中心，發展鉆石鑲嵌、鑒定、檢測、交易、展示等配套服務，與上海鉆石交易所等行業*者進行高層級戰略合作，逐步提高河南在交易環節的話語權；支持引進重 點企業、*珠寶專業團隊、專業院所，加快培育河南鉆石切磨拋、珠寶設計、品牌經營等人才和企業，培育帶有河南元素的國產新銳品牌，打響河南品牌的影響力。三是整合提高河南培育鉆石生產優勢。目前，中南鉆石、鄭州華晶、黃河旋風等大型培育鉆石生產企業都是河南企業，一方面要大 力支持培育鉆石生產的頭部企業開展高溫高壓法及微波等離子體化學氣相沉積法大尺寸、高品級鉆石毛坯的生長技術研究，重點發展寶石級金剛石，提高鉆石毛坯的生產質量、提高良品率，提高行業進入門檻，保持河南培育鉆石生產基地的優勢；另一方面，組織河南省內超硬材料生產企業組建產業聯盟、行業協會等交流、合作的平臺，加強省內企業資源的整合和凝聚，防止省內不同地市、不同企業之間各自獨立、相互競爭。
4.3 重組河南企業旗艦勁旅
河南超硬材料產業亟須加大龍頭企業的培育，快速壯大實力，提升能級，提高國際競爭力，直面抗衡世界行業巨頭。一是提高領軍企業量級。對標超硬材料產業國際*大公司，支持現有骨干企業兼并重組，支持民營企業與國有企業進行混改，橫向兼并，縱向整合，組建能夠與國外大公司競爭的 龍頭企業。二是引導企業提檔升級。支持、推動骨干企業實施數字化升級改造，用好工業互聯網平臺，用活行業大數據，以數字化為手段提高技術研發和關鍵工藝升級的效率，實現龍頭企業由“大”到 “強”的跨越。三是提升行業主導能力。鼓勵大型龍頭企業開展關鍵應用技術攻關，著力提升高品級 的主導產品，重點打造地理標識的標志性產品，向產業鏈高端邁進，提高在產業鏈分工上的主導權。四是強化企業品牌戰略。引導骨干企業加快打造企業品牌、構建銷售渠道，逐步滲透和切入下游市場，提高品牌知名度和終端客戶掌控力，形成以河南企業為主導的營銷網和客戶群，構建企業核心競爭力。
4.4 搶占功能性材料賽道
金剛石在聲、光、電、磁、熱等方面均具備優異的性能，被譽為21世紀*有潛力的材料之一，成為國際材料學研究的熱點。一是搶占金剛石半導體材料前沿賽道。金剛石被認為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件*有希望的材料，有望成為第四代半導體。依托省實驗室，主 動對接、深度嵌入國家戰略科技力量體系，重點攻關第四代半導體材料關鍵技術，盡快突破產業化核心技術，取得金剛石半導體材料先發優勢，力爭成為國家半導體產業主力軍。二是大力發展自主可控的功能性金剛石材料。重點加強大尺寸金剛石半導體材料、量子計算材料、*熱沉材料、高頻濾波器等前沿技術研發，推進創新成果產業化規模化，提高新賽道上的自主可控力，借助超硬材料產業優勢地位，占領碳基新材料未來發展制高點。三是大力拓展多領域應用。積極探索金剛石功能性應用領域的開發，實現部分功能性元器件的規模化應用。加強金剛石振動膜、摻硼金剛石電極、高功率激光器窗口、醫藥專用納米金剛石等材料的開發應用，推動其在聲表面波器件、生物成像工具、水凈化負極材料、藥物載體材料、蛋白質組學質譜測定、熒光探針材料以及量子探針等領域的應用。
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