I vantaggi e le prospettive dei diamanti sintetici

La tecnologia di hacking di laboratorio comprime all'estremo il tempo di coltivazione del diamante

Il diamante è una forma solida dell'elemento carbonio.Ha la durezza e la conducibilità termica più elevate di qualsiasi materiale naturale ed è estremamente stabile chimicamente, proprietà che ne consentono l'utilizzo in un'ampia gamma di processi industriali come utensili da taglio e lucidatura.Secondo il processo di formazione, i diamanti possono essere differenziati in diamanti naturali e diamanti sintetici.I diamanti naturali sono un prezioso minerale non metallico a causa della loro alta concentrazione e della difficoltà di estrarli, poiché si trovano principalmente nell'Africa centrale e meridionale, in Australia, Russia e Canada.

Diamanti sintetici sono prodotti in laboratorio per simulare la formazione naturale dei diamanti naturali.Negli anni 1840, Stati Uniti, Svezia e Unione Sovietica condussero una ricerca sistematica sui diamanti sintetici, culminata nel primo uso commerciale di diamanti sintetici nel 1954. I diamanti sintetici hanno le stesse proprietà fisiche e chimiche dei diamanti naturali e sono composti da carbonio puro sotto forma di cristalli cubici.A differenza dei diamanti naturali, che impiegano milioni di anni per formarsi naturalmente sotto la superficie terrestre, diamanti artificiali può essere coltivato in poche settimane.

Differenze tra i processi di crescita del diamante naturale e sintetico

I diamanti naturali vengono coltivati ​​in una gamma di condizioni di temperatura e pressione.Le temperature sono più alte di quelle utilizzate per coltivare diamanti sintetici.Ad alte temperature, i diamanti crescono come cristalli ottaedrici, ma a temperature di laboratorio più basse crescono come cristalli contenenti facce cristalline sia ottaedriche che cubiche.

Il lungo tempo di crescita dei diamanti naturali significa che le impurità di azoto nella maggior parte dei diamanti devono aggregarsi per un periodo di tempo per presentarsi in coppie o gruppi, risultando nella maggioranza, o oltre il 95%, dei diamanti di tipo Ia.

I diamanti sintetici hanno un periodo di crescita molto breve, da poche settimane a un mese o più, in condizioni diverse da quelle in cui si formano i diamanti naturali nelle profondità della terra.A causa del brevissimo periodo di crescita, la forma dei cristalli di diamante sintetico è molto diversa da quella dei diamanti naturali.

Il taglio con filo diamantato in zaffiro, materiali magnetici e semiconduttori offre notevoli possibilità di penetrazione

La domanda di mercato per il taglio a filo diamantato in zaffiro, materiali magnetici e semiconduttori continua ad aprirsi.Negli ultimi anni, il rapido sviluppo delle industrie dei LED e dell'elettronica di consumo ha portato a una crescente domanda di zaffiro, che a sua volta ha portato a un continuo aumento della domanda di seghe a filo diamantato per il taglio dello zaffiro.Secondo Digitimes, la domanda globale di seghe a filo diamantato per il taglio dello zaffiro è stata di 1,1 milioni di chilometri nel 2017 e si prevede che crescerà fino a 1,5 milioni di chilometri entro il 2020. Nel campo del taglio di materiale magnetico, il metodo di taglio è in una fase di transizione dal taglio della malta al taglio con filo diamantato.I materiali magnetici sono duri, fragili e resistenti agli sbalzi di temperatura, rendendo difficile la lavorazione meccanica.Attualmente, una piccola quantità di filo diamantato è stata utilizzata per il taglio di materiali magnetici domestici e l'industria è nella fase di transizione dal taglio della malta al taglio del filo diamantato.La Cina è un importante produttore di materiali magnetici e i materiali magnetici sono fondamentali per lo sviluppo dell'industria e della tecnologia dell'informazione e sono ampiamente utilizzati in molti campi come militare, aerospaziale, elettronico, automobilistico e manifatturiero di precisione, ecc. Insieme all'espansione di applicazioni di materiali magnetici e cambiamenti nei metodi di taglio, si prevede che la domanda di filo diamantato continuerà a crescere.

Dal punto di vista della tecnologia di taglio dei wafer semiconduttori, attualmente viene utilizzata principalmente la tecnologia di taglio dei fanghi abrasivi liberi.I wafer semiconduttori richiedono un'elevata qualità e consistenza del prodotto e la preparazione dei wafer è molto più difficile di quella dei wafer fotovoltaici.Attualmente, il taglio di wafer a semiconduttore utilizza principalmente la tecnologia di taglio della malta più matura e stabile e adotta principalmente attrezzature di fabbricazione straniera, mentre la nuova generazione di tecnologia di taglio a filo diamantato è in fase di verifica e promozione nel campo della produzione di wafer a semiconduttore.In futuro, man mano che il taglio con filo diamantato raggiunge gradualmente scoperte nel processo di taglio di wafer semiconduttori e il livello tecnico dei produttori di apparecchiature domestiche migliora, si prevede che le apparecchiature di taglio con filo diamantato domestico avvieranno il processo di sostituzione del processo e sostituzione delle importazioni e la scala del mercato di la tecnologia di taglio con filo diamantato dovrebbe aumentare in modo significativo.Inoltre, i diamanti sintetici possono anche essere utilizzati direttamente come materie prime per dispositivi a semiconduttore.Secondo 'Progressi nella preparazione e nelle proprietà dei semiconduttori dei cristalli singoli di diamante di tipo IIb', il diamante ha eccellenti proprietà dei semiconduttori e grazie alle sue eccellenti prestazioni in termini di larghezza di banda proibita, elevata intensità del campo di rottura, elevata mobilità del vettore, bassa costante dielettrica e una buona conduttività termica, il diamante può essere trasformato in dispositivi elettronici ad alte prestazioni che funzionano in ambienti difficili come alte temperature, alta corrosione e alta usura.Sebbene i dispositivi a semiconduttore diamantati siano ancora in fase di ricerca e non sia stata rilasciata alcuna capacità di produzione effettiva, le eccellenti proprietà fisiche del diamante creeranno applicazioni in scenari specifici poiché i requisiti prestazionali delle materie prime per i dispositivi di potenza a semiconduttore continuano a crescere.

Alta temperatura, alta pressione (HTHP) e deposizione chimica in fase di vapore (CVD)

I metodi di sintesi per i diamanti sintetici includono principalmente High Temperature High Pressure (HTHP) e Chemical Vapor Deposition (CVD), con tempi di coltivazione che vanno da mezzo mese a un mese.Il metodo HTHP si basa sul principio di simulare l'ambiente di crescita dei diamanti naturali posizionando la polvere di grafite sul fondo di una pressa e impostando la pressa a condizioni di temperatura e pressione ultra elevate costanti (tipicamente 5,4 GPa e 1400°C).Il metallo solvente viene fuso per dare una fonte di carbonio ad alta purezza, che viene trasportato sul fondo per la precipitazione per dare un diamante artificiale.Sono necessarie circa due settimane per far crescere grandi diamanti grezzi di oltre 10 carati utilizzando il metodo ad alta temperatura e pressione.

La sintesi di deposizione chimica in fase di vapore (CVD) si basa sulla creazione di un ambiente ad alta temperatura e bassa pressione (circa 1000°C, inferiore a 27kPa) in cui gli atomi di carbonio del gas vengono depositati in forma cristallina su un substrato per interagire e far crescere i cristalli di diamante, principalmente sotto forma di film diamantati in scaglie.

La maggior parte dei cristalli CVD sono di colore marrone o grigio, ma possono essere prodotti anche cristalli gialli, rosa-arancio o blu se nella camera a vuoto vengono introdotte tracce di azoto o boro.È più facile produrre cristalli incolori con questo metodo, ma richiedono più tempo per crescere.Si ritiene che la maggior parte dei diamanti incolori cresciuti con CVD oggi sul mercato siano cristalli marroni che sono stati decolorati mediante forgiatura a caldo ad alte temperature e pressioni.Il tipo più comune di diamante sintetico CVD è il tipo IIa.

Rispetto al materiale coltivato HPHT, i diamanti sintetici CVD presentano proprietà gemmologiche diverse.Se osservati tra i filtri di polarizzazione incrociata, tendono a mostrare uno schema di 'stress' a bande colorate con elevata chiarezza e solo poche inclusioni di carbonio scuro.

Nella sintesi di deposizione chimica da vapore (CVD), i gas ricchi di carbonio vengono depositati sulla superficie dei cristalli di diamante piatti, dando luogo a diamanti sintetici.

I diamanti sintetici vengono coltivati ​​in strati sottili, il cui spessore finale dipende dal tempo concesso per la crescita.Ciò si traduce in cristalli piatti simili a lastre con un rivestimento di cristallo di grafite nero all'esterno.

Come per la sintesi HPHT, la sintesi CVD continua a migliorare, consentendo ai produttori di offrire dimensioni maggiori e colore e purezza migliorati, e il GIA ha recentemente esaminato due grandi diamanti sintetici CVD del peso di 2,51 e 3,23 carati, i più grandi diamanti cresciuti con CVD esaminati fino ad oggi.

L'alta temperatura e l'alta pressione (HTHP) sono utilizzate principalmente nel settore industriale a causa dei costi di produzione inferiori, del tasso di coltivazione più rapido e della minore purezza.Viene utilizzato principalmente per materiali funzionali come luce, elettricità, suono e gioielli con diamanti.Attualmente, il metodo HTHP è utilizzato principalmente per la produzione di diamanti sintetici in Cina e il metodo CVD sta iniziando ad essere utilizzato in Cina, mentre paesi come Europa, America, Giappone e Singapore hanno imparato il metodo CVD più maturo.

Diamanti da laboratorio sono principalmente sotto forma di cristalli di diamante e diamanti coltivati, con cristalli di diamante utilizzati principalmente nella produzione industriale e diamanti coltivati ​​utilizzati principalmente in applicazioni di consumo alla moda.Originariamente creati per la produzione industriale, i diamanti artificiali sono ideali per macchine utensili e utensili da taglio in quanto hanno la stessa durezza dei diamanti naturali.I cristalli di diamante possono essere trasformati in strumenti di segatura e perforazione per applicazioni come l'ingegneria e l'estrazione di risorse, o in micropolvere di diamante da utilizzare come abrasivi nella lavorazione meccanica di precisione, nel fotovoltaico e in altre applicazioni.Rispetto al diamante naturale, il diamante artificiale è ampiamente accettato e utilizzato nel mercato grazie alla sua natura rinnovabile.A causa dell'immaturità della tecnologia, la contaminazione da azoto nei primi giorni del diamante artificiale era grave, sempre di colore dal giallo al marrone e le inclusioni erano comuni.Con il progredire della tecnologia e il continuo miglioramento della purezza, all'inizio degli anni 2000 sono stati finalmente introdotti i diamanti coltivati ​​di qualità gemma.Successivamente, il costo di produzione di diamanti coltivati ​​di qualità gemma è diminuito rapidamente e il tasso di penetrazione del mercato è rimasto elevato.Sebbene l'industria dei diamanti coltivati ​​sia ancora nelle sue prime fasi di sviluppo, il mercato si sta rapidamente sviluppando sia in termini di domanda dei consumatori che di capacità di offerta.

Questi diamanti hanno un aspetto così uniforme che è difficile distinguerli ad occhio nudo.

Per aiutare l'industria della gioielleria a risolvere questo problema, il GIA ha recentemente sviluppato uno strumento automatizzato in grado di rilevare diamanti molto piccoli e lancerà un nuovo servizio di test presso l'Appraisal Institute.Nell'ambito di un progetto di ricerca in corso sui diamanti sintetici, il GIA ha recentemente istituito un laboratorio di crescita CVD dove è in grado di produrre i propri diamanti sintetici da utilizzare nella ricerca.

La produzione globale di diamanti grezzi è diminuita da 150 milioni di carati a 120 milioni di carati tra il 2018 e il 2021. Il più grande produttore in termini di valore, 8 dei 10 maggiori paesi produttori ha registrato un calo della produzione, con solo il Sudafrica e lo Zimbabwe che hanno registrato aumenti.

L'offerta di diamanti grezzi ha superato la domanda, determinando un aumento anno dopo anno del prezzo dei diamanti finiti di grande caratura.Con il declino della produzione di diamanti, i prezzi dei diamanti hanno continuato a salire.De Beers, il più grande fornitore mondiale di estrazione di diamanti, ha aumentato il prezzo dei diamanti grezzi di circa l'8% alla sua prima fiera nel 2022, la quinta volta da dicembre 2021. L'indice dei prezzi dei diamanti finiti è aumentato del 5,67% nel primo mese di 2022, il più grande aumento di un mese in molti anni.I prezzi dei diamanti sono diminuiti a giugno a causa delle aspettative economiche globali relativamente deboli e di un aumento complessivo delle scorte di diamanti finiti, ma hanno comunque mostrato un aumento significativo anno su anno.Secondo Rapaport, l'indice dei prezzi RAPI a un carato è diminuito dell'1,8% a giugno ed è aumentato del 16,8% su base annua.

Diamanti artificiali offrono un vantaggio in termini di rapporto qualità-prezzo rispetto ai diamanti naturali, grazie alla continua espansione della capacità produttiva dei diamanti coltivati ​​e alla diminuzione dei costi di produzione.Alla fine del 2020, il prezzo dei diamanti coltivati ​​è solo 1/3 di quello dei diamanti naturali e, dopo ulteriori aumenti di prezzo per i diamanti finiti nel 2021, è probabile che il rapporto tra il prezzo dei diamanti coltivati ​​e quello dei diamanti naturali diminuisca ulteriormente.

Le barriere del settore sono elevate e si prevede che le società con vantaggi tecnici e finanziari godranno di maggiori dividendi

Le barriere del settore sono elevate e il tasso di espansione della capacità è limitato, pertanto le società con vantaggi tecnici e finanziari dovrebbero godere di dividendi di crescita elevati nella fase iniziale del settore.La domanda di diamanti artificiali è esplosa negli ultimi anni e anche il lato dell'offerta si sta espandendo attivamente, ma a causa delle elevate barriere complessive nel settore, ci sono più restrizioni all'espansione delle imprese di produzione e alla velocità di espansione della capacità .Riteniamo che le barriere del settore si concentrino principalmente su due fattori principali, vale a dire la tecnologia e il capitale.

(1) Ostacoli tecnici: inizialmente, i prodotti diamantati artificiali erano utilizzati principalmente nel settore della produzione meccanica, che è una semplice industria di trasformazione con requisiti limitati per la tecnologia di produzione.Man mano che l'industria si sviluppa e la tecnologia avanza, il tasso di penetrazione dei prodotti diamantati artificiali nell'industria di precisione e nel settore dei consumatori alla moda è in aumento, il che pone elevate esigenze alle riserve tecnologiche delle imprese.Attualmente, i produttori cinesi utilizzano fondamentalmente il metodo HTHP per produrre diamanti coltivati, con la granulometria sintetica principalmente nell'intervallo 1-3 carati, e i prodotti sintetici sono spesso granulosi e di scarsa purezza.Lo sviluppo di tali tecnologie è il risultato dell'accumulo a lungo termine da parte dei produttori ed è difficile per i piccoli produttori replicarle e copiarle.

(2) Barriere finanziarie: secondo gli annunci aziendali di Power Diamond e Guoji Jingong, il prezzo di una singola unità di attrezzatura da stampa superiore a sei lati è di circa 1-2 milioni.Secondo la China Machine Tool & Tool Industry Association (CMTIA), nello stesso ambiente di sintesi, la produzione media di cristalli singoli di diamante di alta qualità sintetizzati da una pressa superiore a sei lati di tipo φ650 è di circa 200 ct/ora, quella di un tipo φ700 il top press a sei facce è di circa 280-320ct/tempo, quello di un top press a sei facce di tipo φ800 (casting) è di circa 320-360ct/tempo.Maggiore è l'alesaggio del cilindro, maggiore è la produzione di diamante sintetico singolo, e quindi aumenta l'alesaggio delle presse superiori a sei lati tradizionali domestiche.Tuttavia, più grande è il foro, più difficile è produrre le presse.

Pertanto, il prezzo del tipo φ800 forgiato, del tipo φ800 fuso e dei modelli aggiornati è relativamente più alto, con il prezzo della macchina principale di circa 1,1-1,3 milioni di RMB ciascuno e il prezzo dell'intero set di presse superiori a sei lati di circa 1 RMB 0,5-1,7 milioni.Secondo il rapporto della risposta alla lettera di richiesta di aumento fisso di Power Diamond, la singola quantità di ordine annuale dell'azienda raggiungerà 700-1200 unità nei prossimi tre anni e la quantità di singolo ordine annuale raggiungerà 770-1,56 miliardi di RMB.Ciò dimostra che l'industria ha una forte natura di risorse pesanti e richiede un alto livello di capitale dai produttori.Essendo l'unica azienda quotata in borsa che produce macchine da stampa superiori a sei lati nel settore, l'attuale capacità delle macchine da stampa superiori a sei lati è di sole 200-300 unità all'anno e anche la capacità delle macchine da stampa superiori a sei lati è uno dei fattori che limitano il tasso di espansione della capacità nel settore.