2022年工业金刚石行业产业链及竞争格局分析.docx
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1、2022年工业金刚石行业产业链及竞争格局分析1. 工业金刚石:工业制备基础产品,我国垄断上游制造1.1. 工业金刚石产业链:上游中国垄断,中游种类多,下游应用广上游:世界看中国,中国看河南。我国垄断全球工业金刚石单晶+微粉制造,市场存量压机 7000-9000 台:我国自 2001 年突破工业金刚石关键粉末触媒技术后,工业金刚石行业得到了快速发展,在以河南省为核心的多家工业金刚石企业,技术先进、产能充足、产业链配套齐全,已 形成研发、生产一体化的超硬材料产业集群,根据超硬材料网数据显示,我国目前行 业存量压机 1-1.2 万台,其中用于工业金刚石 7000-9000 台;根据磨料磨具网数据显
2、示,2020 年我国工业金刚石总产量 200 亿克拉(工业金刚石单晶+金刚石微粉+金刚 石复合片),其中工业金刚石单晶+微粉 145 亿克拉,垄断全球 95%工业金刚石原料 市场份额。技术突破致价格下跌,近些年受下游需求旺盛+培育钻石产能挤压显著上涨。工 业金刚石早期由欧美等国家垄断,产品价格居高不下,可达 100 美元/克拉;中南钻 石于 2001 年通过自主研发突破了关键粉末触媒技术,开启了人造金刚石快速发展道 路,产品因产量大幅提升价格快速下降,2015 年前后跌至 0.1 元/克拉,多家工业金 刚石企业迎来“至暗时刻”;2020 年起,受光伏、消费电子、新能源汽车制造等高端制 造领域快
3、速增长需求,以及培育钻石对工业金刚石带来的产能挤压,工业金刚石供不 应求产品价格上涨,后续有望维持高位甚至进一步上升。中游:金刚石工具制造企业,大行业,小公司中游环节主要为各类金刚石工具制造企业,通过将工业金刚石经过破碎、与硬质 合金结合、聚晶等多种工艺,打造多种金刚石工具,如金刚线、金刚砂轮、金刚砂带、 金刚石复合片等,广泛用于下游多种切割、磨削、钻探、抛光等场景。该产业链环节 分类杂、产品形态多,使用范围广,故行业集中度较低,行业里多为小规模公司。下游:多种高端制造核心零部件,CVD 法有望进一步拓展终端应用场景。目前金刚石终端应用仍以传统建筑石材切割为主,占据销售额的 50%,规模 22
4、 亿;机械、电子板块增幅快(包含光伏切割、消费电子切割,现阶段占比 28%,规模 13 亿),未来有望成为工业金刚石需求重要增长领域;资源开采/地质钻探主要使用 工业金刚石与硬质合金构成的复合片(市场份额 17%,规模 8 亿),随油服/矿山开 采市场增长;未来 CVD 法生产的工业金刚石,可用于半导体领域的集成电路芯片、 散热片等,以及军工的导弹整流罩、红外光学窗口等。1.2. 自然界最硬物质,高端金刚石工具进口替代空间大金刚石:自然界最硬物质,人工制造打开应用空间。金刚石俗称“金刚钻”, 是钻石的原身,它是由碳元素组成的矿物,是碳元素的同素异形体,在地球深部高压、高温条件下形成一种由碳元素
5、组成的单质晶体。金刚石具有很高的硬度和耐磨 性,是目前自然界中最硬的物质。工业金刚石原料:分为金刚石单晶及金刚石微粉两种形态工业金刚石产品类型为金刚石单晶和金刚石微粉。金刚石单晶产品根据颗粒形貌 和应用领域不同可进一步细分为磨削级单晶、锯切级单晶和大单晶,金刚石微粉产品 根据颗粒形貌和应用领域不同可进一步细分为研磨用微粉、线锯用微粉和其他工具用 微粉。金刚石工具按照使用方式一般可划分为锯切工具、磨削工具和钻进工具。金刚石 工具广泛应用于石材、玻璃、陶瓷、硅片、硬质金属、合金、宝石、玛瑙、玉器等各 类材料的切、削、磨、钻,其终端应用已涵盖建材石材、装备制造、汽车制造、家用 电器、电子电器、清洁能
6、源、勘探采掘等诸多领域。传统金刚石工具市场份额不断提升,高端金刚石工具仍需进口。国产金刚 石工具在技术工艺水平和中低端产品质量方面与国际企业基本持平,建筑石 材、光伏硅片加工领域发展迅速,国内产品取代进口并大量出口;但半导体精 密加工中聚晶立方氮化硼(PCBN)、聚晶金刚石(PCD)加工仍以进口为主, 而航空航天等行业的应用刚刚起步。总体上,中国超硬材料在精加工方面与国 外先进水平相比仍有较大发展空间。1.3. 高温高压法制备磨削/切割工具,CVD 法适用半导体+军工全球人造金刚石行业主要有高温高压法(HTHP)和化学气相沉积法(CVD) 两大类生产方法,目前国内人造金刚石产品生产主要采用高温
7、高压法(HTHP), 两种技术形成优势互补、协同发展的良性局面。高温高压法:垄断我国现阶段工业金刚石产能高温高压法合成人造金刚石的过程如下:由石墨粉、金属触媒粉和添加剂按照 原材料配方所规定的比例混合后再经过造粒、静压、真空还原、检验、称重等工序 制作成石墨芯柱,然后将石墨芯柱与复合块、辅件等密封传压介质组装在一起形成 可用于合成金刚石单晶的合成块,之后放入六面顶压机内进行加温加压并长时间保 持恒定,待晶体生长结束后停热卸压并去除密封传压介质取得合成柱,之后进行提 纯处理和分选检测获得金刚石单晶。CVD 法:量产+成本下降难突破,未来应用范围大CVD 法(化学气相沉淀)钻石是以一块天然钻裸石为
8、母石,利用高纯度甲烷、 加上氢、氮等气体辅助,在微波炉中以高压方式,让甲烷中与钻石一样的碳分子不 断累积到钻石原石上,经过一层层增生,可形成大至 10 克拉之透明钻石;该法能够 制备纯度较高、尺寸较大的金刚石颗粒和金刚石膜,具有更高的利用价值,同时随 着技术的进步,可以工业化生产的尺寸也显著扩大,应用价值持续提升,应用领域 也进一步拓展,未来有望广泛应用于电子器件、激光器、导弹、航天等领域。MPCVD 法是当前世界上研究和制备金刚石薄膜的主流方法。MPCVD 法可以 制备面积大、均匀性好、纯度高、结晶形态好的高质量金刚石薄膜,适合在各种曲 面(异形表面)上涂复金刚石薄膜,能制备各种不同需要的金
9、刚石薄膜制品。并且 可以原位实施基体与金刚石薄膜之间的中间层的多种不同处理工艺,适用性强。设 备具有使用操作简便,能长期稳定运行,生产的重复性好,能耗低,运行成本低的 优点。两种技术互补,协同发展:两种生产方法采用不同的合成原理和合成技术,生 产出的产品类型和产品特点也各不相同,主要产业应用也侧重在不同的终端领域。 我国目前主要采用高温高压法(HTHP),在未来相当长的时间内,HTHP 和 CVD 将保 持共同发展的态势,这是人造金刚石行业的基本特色。2. 需求:光伏高端制造需求向好,半导体/军工未来空间大2.1. 现阶段(高温高压法):建筑、油服市场稳健,光伏、消费电子 快速发展现阶段工业金
10、刚石行业规模约 45 亿,其中产品 50%(约 22 亿)下游应用于建筑 石材切割,28%(约 13 亿)用于高端制造、光伏、消费电子衬底切割,17%(约 8 亿)用于资源开采、地质勘探等; 传统建筑石材用金刚石切割工具需求稳定:通过切割、磨削等方式来加工石材 等产品,属于工业金刚石传统应用加工领域,成本低廉,切割效果良好,是目前主 流的建材切割工具;在国家政策支持下,以及城市化进程加速和住宅更新换代的巨 大需求,中国建筑行业逆势增长将进一步激活,市场规模整体呈上升趋势,预计到 2035 年,中国的城镇化率达 75%,工业金刚石工具随建筑工业发展平稳增长。高端制造“汽车+N”市场大涨,“进口替
11、代+合金替代”共促放量:以工业金 刚石为原料制造的 PCD(聚晶金刚石)刀具/微钻等产品,广泛应用于下游多种精密 机械加工,汽车、消费电子、钢铁加工、航空航天等多种领域,需求因 1、高端制 造需求增加促机床数量增加+开工率提升,机床升级+老旧替换共促行业进入上行周 期,2、精细化生产对高性能刀具提出更多要求,超硬刀具取代硬质合金刀具成发展 趋势,3、我国“1+N”市场驱动超硬刀具行业强势扩张共促放量。光伏大赛道,硅片切割精细化要求不断提升:因度电成本不断下降、综合优势 明显,加之全球能源政策利好,光伏发电量和渗透率在过去十年间增长迅猛,新增 装机量 2010 年至 2020 年 10 年间增长
12、将近 20 倍;预计 2030 年中国光伏新增装机需 求达 416-537GW,CAGR 达 24%-26%;全球新增装机需求达 1246-1491GW,CAGR 达 25%-27%,光伏装机需求未来十年迎来十倍增长,拥有巨大的市场空间;金刚线 切割具有薄片化切割、减小切口损失、降低硅料损耗、提高加工效率、提高出片 率、降低污水及 COD 排放等优势,可以大幅降低硅片生产企业成本,提高硅片品 质,未来金刚线需求有望随硅片放量大幅增长。消费电子高景气,蓝宝石切割需求旺盛:随着 LED 厂商大幅扩产、智能手机用 摄像头保护玻璃、指纹识别保护镜片的规模扩大,全球消费电子市场扩大+蓝宝石在 智能设备领
13、域渗透率的增加,蓝宝石衬底需求高景气发展;金刚线作为其核心切割 耗材,需求同步大幅增加。 碳化硅衬底:新能源车+光伏需求崛起,国产替代有望突破,未来金刚石线切割 新市场。 综合考虑下游各细分子行业发展增速,预计至 2025 年工业金刚石需求端合计约 88-114 亿元,复合增速 18%-26%。2.2. 中长期(CVD 法):第四代半导体材料应用广,军用未来可期CVD 法制备人造金刚石因其耐高压、大射频、低成本、耐高温等诸多优势,被 普遍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优材料;CVD 法 人造金刚石根据原子排列方式不同又分为多晶金刚石及单晶金刚石,其中多晶金刚石 多用于
14、半导体领域热沉材料的制造(散热片),单晶金刚石因其原子规则排列、一致 性强等优势,有望在半导体衬底等多种领域大幅应用。单晶人造金刚石:第四代“终极半导体”晶圆制造:半导体材料是制作半导体器件 和集成电路的电子材料,目前第三代宽禁带材料主要为碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、 氮化铝(ALN)、氧化镓(Ga2O3)等,近 10 年世界各国陆续布局、产业化进程快速 崛起;展望未来,CVD 法人造金刚石可通过晶圆拼接方式制作大面积单晶晶圆,作 为半导体芯片衬底可完全解决散热问题及利用金刚石的多项超级优秀的物理化学性 能,制造第四代“终极半导体”。半导体产业链:衬底为技术壁垒最高环节,价值量占比 4
15、0%-50%。半导体产业 链由衬底、外延构成基础材料,通过芯片设计、制造、封测分装,最终应用于新能源、 电子等诸多领域。其中衬底的制造是产业链技术壁垒最高、价值量最大环节,衬底材 料选择将成为未来新一代半导体发展重要方向。 耐高压、大射频、低成本、耐高温,多重特性助推金刚石成下一代半导体材料: 金刚石禁带宽度 5.5 eV 超现有氮化镓、碳化硅等,载流子迁移率也是硅材料的 3 倍, 同时金刚石在室温下有极低的本征载流子浓度,且具备优异的耐高温属性。基于这些 优异的性能参数,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。现阶段大尺寸单晶金刚石晶圆制备技术主要有同
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