塑料、金屬、玻璃、陶瓷中誰才是手機材質的王者?

2020-12-13 鑫臺銘智能裝備

1、塑料材質

使用情況:

主要在智慧型手機早期(2014年以前)使用較多,特別是三星手機,三星當時幾乎就是塑料機的代名詞,如Galaxy S至S5、Note至Note 3都是採用了塑料後蓋。14年以後塑料材質後蓋淡出高端機市場,2019年塑料材質又逐漸被應用在高端機上,如2019年底華為推出的Mate30素皮系列、以及2020年初OPPO推出的FindX2 Pro。

塑料、金屬、玻璃、陶瓷中誰才是手機材

優勢:

1.製備技術(注塑成型工藝)十分成熟,易製造出形狀複雜的後蓋,留給手機外觀的設計空間就十分豐富(這對無機非金屬材料是很難實現的),其外原料成本低,塑料後蓋的使用極大降低手機生產成本。

2.塑料表面可採用噴塗工藝,且顏料與塑料後蓋的結合力強(這是是金屬材料所不能達到的),這給手機的顏色設計帶來很多可能性;

3.塑料可以製作成具有皮革質感的材質(即纖維織物加上PVC),能夠極大的提升塑料後蓋的質感,給人一種尊貴感,解決了單純塑料後蓋低廉質感的問題(15年LG G4,三星Note4);

4.塑料的密度較小,如用在手機後蓋的聚碳酸酯大概在~1.2 g/cm3附近(這是金屬和無機非金屬材料難以比擬的,如鋁合金密度在2.5 g/cm3以上,氧化釔增韌氧化鋯密度大概在3.0 g/cm3以上,大猩猩玻璃5代為2.43 g/cm3),滿足當下用戶對於手機輕盈度的需求;

5.機械強度以及韌性好,抗摔性能優異;

6.塑料還具有一個最大的技術優勢,即其不會干擾(屏蔽)電磁波,因此各種基於無線技術(NFC、紅外遙控、無線充電、通信等)的手機功能不會受塑料後蓋影響。

缺點:

1.塑料後蓋最大的不足便是較差的硬度和剛度,即抗刮抗劃痕能力和抗變形能力,難以達到保護手機的效果,如早期手機使用有機玻璃作為屏幕,抗刮能力特別差;

2.塑料的導熱係數較差,如PVC的導熱係數為0.18 W/m*K(與同樣不會干擾信號的無機材料相比差了一個量級),而目前隨著5G手機的普及,這種高頻段信號的手機功耗會增大,散熱問題是一個必須要考慮的問題,雖然目前採用了石墨散熱以及均熱版散熱的技術去解決這一問題,但塑料的差導熱係數會在一定程度上限制其發展;

3.塑料材質長期使用會老化,嚴重影響其表面質感與視覺效果。

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2、金 屬

使用情況:

智慧型手機時代,蘋果公司是最早(2012)將金屬(陽極氧化氧化鋁)用作iPhone 5手機(一直延續到iPhone 7)蓋板的,隨後颳起了一股熱潮,在12年到16年四年間大量手機公司如華為、OPPO、vivo等都選擇了此方案,近年來此方案已被摒棄;但是儘管如今手機朝著全面屏的趨勢發展,仍然會選擇金屬作為結構邊框,如早期的iPhone 4的不鏽鋼邊框,以及小米概念手機Mix Alpha的鈦合金邊框屏。

優勢:

1.金屬的優異的機械性能是選擇金屬作為手機結構材質的重要原因,其高韌性是玻璃和陶瓷遠不能及,其硬度和剛度又是塑料所達不到的,可以說金屬是剛與柔的結合產物,因此金屬在手機結構框架中不可或缺;

2.鋁合金這種金屬除了機械性能優異,其密度也很輕,在保證手機抗外力的前提下能夠做到足夠的輕薄,如第一代金屬後蓋手機iPhone 5薄僅7.6毫米,僅重112g,比iPhone 4S薄18﹪,輕20﹪,且經過陽極氧化處理的鋁合金表面形成緻密的氧化鋁薄膜,機械性能還能得到提升;

3.金屬的加工工藝目前已經發展的十分成熟,且金屬本身的可機加性十分優異,使得生產成本極大降低且賦予金屬外形無限的可能性;其次豐富的表面處理手段(如陽極氧化、電鍍、微弧氧化、噴塗)可加工出高檔、美觀的金屬後蓋。

缺點

1.金屬材料最大的劣勢便是其會對電磁信號產生幹擾甚至屏蔽,這一點給無線技術帶來了極大的挑戰,以蘋果為代表的金屬後蓋手機採取三段式的背部設計來解決信號傳輸問題,然而這種設計使手機背部整體性大打折扣;

2.金屬本身不容易著色的原因導致的,加上日常使用的磨損,加速掉色現象,如第一代的金屬手機iPhone5就出現了嚴重的掉色問題。

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3、玻璃以及陶瓷

使用情況:

最早使用玻璃作為後蓋板的正是當時把蘋果手機推上神壇的iPhone 4,以及次年的iPhone 4s,當時採用康寧公司大猩猩2代產品,但是當時並未帶動整個手機產業轉向玻璃蓋板化,反而由於玻璃抗摔性能較差(脆性)使得玻璃蓋板在2012到2015年出現了斷層。而從2015年開始,玻璃蓋板又重新出現在視野之中(三星Galaxy S6 Edge以及小米Note),當年還出現了陶瓷的後蓋,如一加X、小米5、華為P7陶瓷版等,無機材料的發展與4G通訊、無線功能以及對手機一體化追求等因素緊密相關,而在2017年至今玻璃後蓋成為最主流的選擇。

優勢:

1.無機非金屬材料不會對電磁信號產生幹擾,這便給了手機在集成各種無線技術的可能性,特別是5G通訊;

2.玻璃與陶瓷的硬度和剛度很大,如大猩猩玻璃(鋁矽酸鹽玻璃)的莫氏硬度6.5以上,氧化釔增韌氧化鋯陶瓷的莫氏硬度達到8.5,接近藍寶石的硬度,因此在保證抗刮方面上性能優異;

3.玻璃還具有透明的特性,因此能夠賦予手機在顏色上無限的可能性,如各種漸變色,流光色等,這是其他材料所不能做到的,且透明還給了手機交互更多的可能性。

缺點:

1.脆性問題無疑是無機材料最大的問題,難以抵禦摔落以及高強度的碰撞,這也是目前手機貼鋼化膜以及帶手機殼的原因;

2.無機材料的密度較大,特別是陶瓷,如常用的氧化鋯陶瓷後蓋密度在3.0以上,這與目前手機對於輕薄的追求相悖;

3.製造工藝相對複雜,脆性導致後期加工較難,特別是陶瓷以及目前的3D玻璃,陶瓷製備的難度使得其難以大規模量產,且其成本是玻璃的兩倍,這也是陶瓷只是短暫的出現的原因,同樣3D玻璃的製備工藝也較為複雜,包括CNC加工、熱彎、化學強化、鍍膜等,良品率不高。

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手機結構材料展望

發展趨勢

對於手機行業,目前的發展趨勢是集成大量基於無線技術的功能,如通訊、WiFi、藍牙、無線充電、NFC、紅外遙感、隔空操作,因此未來選擇結構材料首先應考慮的是其對於電磁信號是否存在幹擾,而不僅僅考慮其保護效果(機械性能)。

因為塑料不會干擾電磁信號,未來手機行業一定會有其一席之地,特別是對於5G(更複雜的高頻電磁波)時代,但需權衡塑料優缺點。

電磁幹擾這一特性與無線技術的發展相悖,因此背部金屬後蓋註定成為歷史,但是由於其優異的機械性能,手機的結構性部件如邊框仍然會採用金屬材質。

因為不會干擾電磁信號,同時比起塑料其高硬度足以勝任對於手機的抗劃保護,以上決定著其在5G時代玻璃材質絕對會成為手機蓋板的首選,同時其特有的透光性帶給了手機顏值非常多的可能性,如18年的機身漸變色,目前的發展趨勢是朝著前後蓋板同時採用3D玻璃,像一加發布的7Pro,3D玻璃能與目前的柔性OLED更好的貼合,給顯示帶來了更多的可能性,同時也給交互帶來了全新的體驗,像vivo Nex3以及mate 30的瀑布屏以及小米Mix Alpha 的環繞屏。

未來手機結構材料會逐漸去金屬化,但是仍然會選擇金屬作為部分結構性邊框,而塑料和玻璃特別是玻璃將會更多的被採用,但是需要權衡利弊。

塑料、金屬、玻璃、陶瓷中誰才是手機材

存在問題及解決方案

1.抗菌問題

目前一般用戶手機使用時間超過3小時,這種頻繁的接觸導致手機上存在大量的細菌,嚴重的危害人體健康,不過可以通過在玻璃中摻雜Ag、Cu、Zn等金屬離子或鍍一層抗菌膜(含有抗菌離子),這些離子帶正電能與帶負電的細菌細胞膜結合殺死細菌或抑制其繁殖,從而能有效的解決此問題,然而目前大部分手機廠商對此問題並未做交代,目前看到康寧公司對此有一定的布局,如最新的大猩猩玻璃是往裡面摻Ag離子。

2.抗指紋問題

手機背部基於玻璃的各種漸變色雖然絢麗多彩,但是也是指紋重災區,嚴重影響其美感,目前的解決方案是鍍一層疏水疏油層,但是效果並不明顯且這種效果隨時間逐漸惡化。還有一種便是使用AG玻璃,即抗眩光玻璃,採用化學蝕刻或者物理噴塗的方式實現玻璃達到表面漫反射的效果,也就我們常說的毛玻璃,像蘋果發布的iPhone11的背部採用的便是物理噴塗得到的AG玻璃。此法不經解決指紋問題,還解決了玻璃鏡面反射帶來的眩光問題。

3.脆性問題

即玻璃的機械性能的問題,這也是限制玻璃發展的瓶頸問題,如何找到一種超強度的玻璃以及如何提高其強度。

本徵強化:找到本質上機械性能優異的玻璃,如一些特種玻璃,其未強化的機械性能可超過化學強化後的大猩猩玻璃,如鋁酸鹽玻璃斷裂韌性可達1.1,明顯優於大猩猩玻璃(鋁矽酸鹽玻璃)的0.69。

後期強化:其次進行後期強化(化學和物理),玻璃理論強度可達100Gpa,但是表面微裂紋會導致玻璃受力時應力集中裂紋快速擴展,從而使得其實際強度指數級的下降,如何有效的減少表面微裂紋以及如何制止微裂紋擴展便可有效的提高玻璃的強度。至於減少微裂紋即尋找硬度較高的玻璃便可,其高硬度便可有效的避免裂紋產生,這個又上升到第一個問題,即玻璃本質的問題上。如何制止裂紋擴展便是後期可以操作的,即進行化學或者物理方法在玻璃表面形成壓應力層,在玻璃受力時會首先與這部分壓應力,而後才會作用到裂紋,目前的標準是產生大於700 MPa的壓應力以及小於20 MPa的內部張應力,進行強化的方法大致有三種如下:

①壓應力層:在玻璃基質表層熔融一層比其熱膨脹係數小的玻璃,加熱後冷卻便可形成壓力應力層;

②熱回火強化:在玻璃轉變區域溫度或之上快速冷卻,玻璃內部與表面冷卻速度不一樣,導致體積收縮不一致,表面層產生壓應力,內部產生張應力;

③離子交換法:這也是目前大猩猩玻璃以及Xensation和Dragontrail等鋁矽酸鹽玻璃常用方法,把玻璃置於硝酸鉀溶液中在低於玻璃化轉變溫度進行離子交換。

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