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苹果获激光抛光专利,iPhone或采用陶瓷机身?

粉末注射成型-CNPIM
2017-02-16
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近日,苹果发布的一项被激光抛光专利引发行业热议,未来iPhone或采用陶瓷机身的消息被炒得沸沸扬扬。由于高亮黑配色iPhone 7机身表面很容易被刮花,受到消费者的吐槽,因此陶瓷材料可能是一种有吸引力的备选材质。随着未来手机设计的3D化,3D陶瓷成为消费电子行业的又一新宠。

专利演示图

未来iPhone会采用3D陶瓷外壳吗?这种表面硬度更高,韧性较好,质感更佳,人体触感优异,自带审美光环的3D陶瓷到底是什么样的呢? 3D陶瓷目前的技术水平如何?市场规模应用处在什么阶段?新材料在线小编帮您解开谜底。

一、什么是3D陶瓷手机后壳

所谓陶瓷手机后壳就是用陶瓷材料制作的手机后壳,而3D是相对于2D和2.5D来说的,手机后壳必定都有一定的厚度,上下表面为一个平面且彼此平行的叫做2D,上下表面为一个平面,但是平面边缘处打磨出一个弧度,弧度从一个面过度到另一面的叫2.5D,而3D玻璃上下面不再是一个平面,通常是在边缘处有一个大的弧度,整体呈U型。

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二、手机上为什么要用3D陶瓷后壳

为什么要用陶瓷材料做手机后壳?

首先是陶瓷材质具有独特的优点,强度、硬度高表现为抗弯、耐刮花,而这些正是目前手机上所使用材料尤其是铝的痛点;

其次是陶瓷材料经过表面处理后表现出的独特质感,手感细腻、温润如玉,表现出极高的品质感与美感。

为什么要制作成3D的形式?

首先是因为3D在视觉上相对于2D、2.5D更佳的美感和丰富度;其次是配合3D屏幕,使整个机身更加协调;另外,相对于方形的棱边,圆弧状也有更好的手握感。

因此,在铝合金2D、2.5D手机后壳大行其道进而产生审美疲劳的时候,3D陶瓷手机后壳对手机设计师及消费者产生了强烈的吸引力。

装备3D陶瓷后壳的手机

三、现在为什么还没规模应用

既然3D陶瓷手机后壳如此有魅力,为什么现在市面上还未见规模使用,就连已经发布的小米5尊绝版也在实际中很少见到呢?这正反映出3D陶瓷手机后壳固然好,但是还存在不少问题正待解决,从个人理解来看,可以从3D陶瓷手机后壳技术本身及产品对技术的选择两个角度来分析。

1、3D陶瓷手机后壳技术本身

3D陶瓷基本加工工艺

3D陶瓷手机后壳基本上需要经过以上6个步骤才能加工制备出来,暂且不管具体的工艺参数,单从陶瓷材质的制备及性能特点上来分析:

a、原料——成型——排胶——烧结

(1)原料:陶瓷原料是在陶瓷粉料中加入热塑性树脂、热固性树脂,增塑剂和减摩剂,使陶瓷粉料成为粘性弹体,然后将加热混炼后的料浆从喷口射入金属模内,冷却固化即成。常用的热塑性树脂有聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯,加入量为10-30%。这一技术很大程度地提高了形状复杂产品成形的精度和可靠性。

(2)注射成型

陶瓷的注塑成形原理和塑料的注塑成形基本相同。只是塑料内混合大量的陶瓷粉末。为了改进注塑成形条件,必须选择与使用原料匹配的有机材料,并要选定添加量。为了获得致密又均匀的注塑成形体,陶瓷粉末的浓度要高些。但过高将使成形性能变差。为改进混炼坯料的流动性,应降低分散剂高分子系的粘度。作为前处理很重要的是提高陶瓷粉末的分散性,为了提高高分子的流动性,需添加适当的增塑剂和润滑剂。陶瓷原料的粒度一般为1μm,加入粘结剂(或称为添加剂),经充分混合、搅拌。 在搅拌过程中,陶瓷粉末被粘结剂润湿和包复,全部成为均匀的复合物才可进行注射成形。且需要冷却、干燥、粉碎后,才获得适合注射成形机漏斗进料的颗粒。

模具材料一般采用高洁度、耐磨性、耐腐蚀性均优良的合金钢。模具设计应当符合陶瓷高分子系统的流动特性。为了减少成形体的收缩,避免模具体内空气卷入成形体,因此模具要考虑控制放出口。此外,模具上应有冷却槽,可以冷却和加热,依靠温度调节器使模具温度保持恒定,对提高成形体的精度很有效。由于原料中要大量使用有机材料,为了不使毛坯产生热裂,不剩碳渣地进行脱脂也是一个重要课题。

(3)脱脂

本工序主要去除产品中混合的黏结剂.主要分三个阶段,1,室温到200℃的低温段,主要是相对分子质量较小的组分,石蜡,硬脂酸的熔化分解;2,200-400度的中温段,主要是相对分子质量较大的聚丙烯的氧化分解脱除;3,400-600度的高温段,为少量残留黏结剂的完全脱除.脱脂阶段基本不会对产品尺寸产生变化.

(4)烧结

由于陶瓷粉末中混合是黏结剂,故产品在烧结后的尺寸会收缩,收缩率约为20%,具体依产品而视.烧结过程也易产生内应力,影响产品性能.

陶瓷是经过高温烧结而成,且一旦成为陶瓷,其性能特点为硬脆,要想将极为硬脆的材料再塑造成我们想要的3D手机后壳的形状,除了采用CNC将整块陶瓷掏成我们想要的形状外别无它法,因此只能在原材料还是软状态时就成型为目标形状,成型后再来进行烧结硬化,正是这种工艺特点,必然造成以下问题:

尺寸问题:成型时材料尚未固化,成型后再排胶、烧结,必然导致尺寸发生收缩变化,尺寸精度无法有效控制,无法满足产品要求,即便能满足要求,良率也会因此而降低;

气泡问题:排胶过程实质是陶瓷原材料中各种有机物的挥发,必然导致气泡的存在。

b、加工——表处

崩裂问题:陶瓷材料为硬脆的材料,而不论加工还是表处中的打磨抛光,实质都是对局部位置材料的去除,除去加工刀具及研磨材料极易损耗外,硬脆的陶瓷结构在加工过程中也容易出现崩裂的现象,导致良率低、成本高;

表面质量问题:由于陶瓷烧结过程产生了气泡,在后续的加工及研磨工序中气泡有可能暴露出来,作为一级面的手机后壳是不允许这些气泡暴露的,结果就是表处良率低下;

2、产品对技术的选择

除了技术本身不存在问题外,产品在进行技术选择时非常关注以下的问题:

a、可靠性

陶瓷材料在制备成满足手机后壳的规格结构后,需要进行产品可靠性的测试,对于陶瓷材料来说,最严酷的测试莫过于机械可靠性测试中的滚筒跌落及定向跌落,目前一般要求组装成整机后,手机各结构件在经历滚筒1m*100次及1m*12次(6个面各两轮)这两项跌落测试中不发生断裂,而这两项测试正好戳中陶瓷材料脆的软肋,3D陶瓷手机后壳的机械可靠性堪忧;

b、良率及成本

无论是烧结工序的尺寸变形还是加工表处工序中的崩裂及气泡暴露,都严重影响产品的良率,良率低下直接后果就是成本急剧上升,外加加工及表处中耗材贵且消耗快,导致产品成本不堪重负;

C、技术成熟度

一个没有经过产品批量化生产验证的技术,到底还有多少问题目前虽然没有碰到、但是会不会在量产中暴露出来,如果冒险使用会不会导致产品无法及时交货?如果在这个点上产品觉得风险太大,必然不敢贸然使用,目前3D陶瓷手机后壳正面临这种情况;

d、可供应性

手机一般来说都是大规模发货的产品,如果产品良率太低或者产业供应能力跟不上,必然导致产品无法及时发货,即便产能足够,在目前良率不高的情况下,各手机厂商必然会对3D陶瓷手机后壳大规模使用保持谨慎态度。

四、未来会不会规模应用

任何东西都存在优点和缺点,如果优点具有足够的吸引力,必然会吸引大量持续的精力投入去克服其缺点,一旦技术进步,缺点得以克服,大规模使用自然水到渠成,期待3D陶瓷手机后壳这一天尽快到来。

来源:新材料在线

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