手机玻璃发展历程和未来趋势.docx

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1、众所周知，1973年4月30日，马丁库帕(MartinCOOPer)研制成手持个人移动电话，可以认为是手机的始祖。从当时的IG模拟通信到现代的5G、6G数字通信，至今已有50年。手机玻璃作为手机的部件(配件)，既是功能材料又是装饰材料，手机玻璃与手机的发展紧密相连，手机的更新换代推动了手机玻璃发展。本文就手机玻璃发展历程作一回顾与展望。1手机玻璃发展历程(1)手机的更新换代推动了手机玻璃的发展手机玻璃发展与手机的演变紧密相连，手机玻璃的更新换代推动了手机玻璃的变革，而手机玻璃功能的提升和扩展又为手机的创新、创意提供新的平台。从1973年第一代手机，从IG网络到目前的6G,由移动互联网向移动物联

2、网，加速了许多行业的数字化转型，不仅用于生活娱乐，更多用于工业互联网、物联网、智联网，有力地促进了我国数字经济发展。手机发展历程中有几个具有里程碑意义：2007年第一部智能手机的问世，由功能手机进入智能手机时代；2019年5G手机问世，构建了高速、移动、安全的新一代信息基础设备；2018年折叠式手机问世，大屏幕高分辨率影像、折叠双屏形成新的生态系统。(2)手机玻璃的发展历程手机制造的初期并没有专用的玻璃，通常采用钠钙玻璃和硼硅酸盐玻璃。钠钙玻璃已大量生产，成本低廉且便于离子交换进行化学增强,故将钠钙玻璃用于钟表和仪器、仪表作表面保护，国内称为“表蒙玻璃”，以后用作手机的盖板玻璃。硼硅酸盐玻璃硬

3、度、强度及化学稳定性、热稳定性均优于钠钙玻璃，但不易熔化成形和加工，而硼硅酸盐光学玻璃K9国内已大量生产，均匀性、透明性均佳，国内有一段时间厂家将切割、研磨、抛光后的K9光学玻璃作为手机盖板玻璃。2007年，苹果公司乔布斯(SteveJobs)研制了第一部触摸屏手机iPhone时，就考虑到手机玻璃是采用亚克力(Acrlic)还是玻璃的问题，亚克力是丙烯酸和甲基丙烯酸化学品的通称，常用的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),透光率为92%,维氏硬度为1621kgf/mms弯曲强度90130MPa,断裂韧性可达L6MPam玻璃与其相比，玻璃的透光率92%以上，最高可达95%97%,比亚克力要高，而且在紫外

4、线照射下不会老化。玻璃的维氏硬度440480kgfmm1,比亚克力要高几十倍，但亚克力抗冲击强度是玻璃的16倍，既要考虑到玻璃的高硬度、耐磨和耐刻划性，又要提高玻璃的抗冲击强度和抗摔性，这是一个难题。乔布斯与康宁公司埃利森(AdamEllison)联系后，考虑采用上世纪60年代康宁公司ChenICor产品的化学增强技术，通过离子交换以提高玻璃强度与抗摔性。于是康宁公司位于肯塔基州哈罗斯伯格(HarrOdSbUrg)企业将熔融溢流下拉法生产的L3mm薄玻璃用离子交换进行化学增强。未增强玻璃硬度534kgf/mms通过离子交换，交换层深度44Um,形成压应力750MPa,玻璃硬度提高到649kgf

5、mm2,抗冲击强度比交换前提高4倍。康宁公司将此产品命名为Gorilla,中文译为“大猩猩，简称CG1。2012年又开发第二代Gorina,简称CG2,其强度比CGl提高20%,产生擦伤的负荷需4N力，而CGl仅需2N力，冲击断裂落球高度比CGl增加80%。与钠钙玻璃相比，CG玻璃更具有优势，在相同厚度条件下，钠钙玻璃离子交换的深度为15m,形成压应力500MPa,抗冲击强度仅有120MPa,仅为CGl的18.5%o2012年10月统计有10亿台手机采用CG2玻璃，占世界第一位。从2007年第一代GoriIIa开始到2020年ViCtUs,各代玻璃的抗摔性与耐磨性的比较如表1所示。表1各代CG

6、玻璃抗摔性与耐磨性或耐刮擦性的比较年份CC玻璃抗摔性耐磨性或耐刮擦性27第T弋可耐市133蒯球自然降落90m高度的冲击擦伤负荷2N力2012第二代比第一代落球高度增加80%擦伤负荷4N力2013第三代W175p属球撞击玻璃中心位宜无破损比第二代可见刻痕减少40%2014第四代跌落高度提高到Im无破损比第一代耐磨性提高到2倍2016第五代跌落高度提高到1.2m耐刮擦性比其它铝琲酸盐玻璃提高2倍2017第六代跌落高度从12n赛高到L6m耐刮擦性比其它铝硅酸it玻璃提高2侪2020Vieg第七代跌落高度从1.6m提高到2m耐刮擦性比第6代提卷2倍2020年研制的第七代GOrilIaGlassViCt

7、US首次实现跌落高度和抗刮擦能力同时提升，一般铝硅酸盐玻璃通常不足0.8m高度跌落就损坏，而ViCtUS跌落高度可提高到2m,同时其抗刮擦性能比一般铝硅酸盐玻璃要高4倍，其对设备的保护得到普遍的认可，已用于80亿台设备和2400机型，是目前最坚固的大猩猩玻璃。康宁研发另一著名玻璃产品为LotUSXT,中文译为“莲花”，是一种硼硅酸盐玻璃，具有很高的弹性模量，E为80.7GPa,维氏硬度626kgfmm2,工作温度(13Pas)1370、软化点Tf(10Pa-S)1045,退火点799以及低的热膨胀系数0o3oc34.510，/,耐高温和高的尺寸稳定性，用于LTPS高效能显示器的基片，做到精确加

8、工，精确定位，精确显示，使显示屏达到更亮更清晰。LotusXT还能拉成33m以下薄玻璃，用作可折叠显示屏。WiIIoW中文译为“柳木”，也可制成超薄可挠性玻璃，具有高温稳定性和尺寸稳定性，能在500C应用，随意弯曲。康宁与三星合作研制成超薄玻璃UltraThinGIass(UTG)厚30m,具有很高的柔韧性和耐用性，还可以通过化学增强，进一步增加强度和韧性，最初用于三星折叠屏手机GalaXyZFlip,可折叠2万次而不断裂，还与聚酰亚胺(Pl)组成叠层材料，充分发挥超薄玻璃的刚性和聚酰亚胺的塑性，形成新的韧性材料，折叠时达到严整，减少皱褶。上世纪50年代康宁公司就已发明了微晶玻璃，抗冲击强度很

9、高，热稳定性与化学稳定性好，电性能均佳，苹果公司将改进的新品种纳米微晶玻璃用于iPhone12的盖板，称为超晶瓷，以后iPhone13,iPhone14均用此为盖板，具有很高的抗摔性和耐刮擦性。2012年左右，德国Schott用小浮法生产了盖板玻璃。XensationCOVer是一种铝硅酸盐玻璃，弹性模量E为73kNmm2,未离子交换前的努普硬度(KnoopHk0.1/20)为595kgfmm2,交换后为700kgf/mm2；未离子交换前维氏硬度(ViCkerHVo.2/20)为630kgfmm2,交换后为680kgf/mnv；离子交换后形成压应力800MPa,压应力深度100m,四点弯曲强度

10、600MPa,是较优良的盖板玻璃。2015年Schott利用狭缝下拉法制造了铝硼硅酸盐玻璃AF32ec。和硼硅酸盐玻璃D263。D263的性能：弹性模量72.0kN/mnv,努普硬度470kgfmn,7点557,线膨胀系数721(P/c,介电常数6.7(1MHz)oAF32的弹性模量74.8kN/mnv,努普硬度580kgfmm三,兀点717,线膨胀系数321(PC,介电常数5.1(1MHz)oD263介电常数比较高，可代替蓝宝石作指纹识别，不必用密码清屏，实用、简单、安全便捷，适用在线支付，权限控制识别。As87ec。超薄玻璃可制成30m薄片，最薄25m,可弯曲半径3mm。2011年，日本旭

11、硝子(AGS)研制出盖板玻璃Dragonton第一代，中文译为“龙迹”或“龙尾”，强度为钠钙玻璃的6倍，以后又推出DragontraiIX,比以前龙迹系列产品强度提高30%,是普通玻璃的8倍，手机屏从1.3m高度落下不碎。2014年，旭硝子发布的SPooL超薄玻璃厚度仅有0.10.05mm,用小浮法生产，成功卷绕成100m的卷轴。日本电气硝子(NFC)于2012年采用小浮法工艺生产Dinorex碱硅酸盐盖板玻璃，中文译为“霸王龙”1代，2012年用溢流下拉法推出DinoreX2代。2014年则发布了DinOrex3代，比2代在同样条件下离子交换速度提高了2倍。该公司研制的超薄玻璃G-Leaf厚

12、度只有90mm0.03mm,最薄的只有25m100m,可与树脂层积板构成Lamin隐形材料。我国对玻璃盖板的研制起步并不晚。2007年，成都光明光电公司即已申报了铝硅酸盐玻璃化学钢化的专利，2013年建成高铝玻璃浮法生产线，后因故停产。2019年，根据国内手机玻璃生产商对提高抗摔性能的要求，进行了透明微晶玻璃手机盖板的研制，2020年已小规模生产。2011年8月，我国台湾华映集团在福州成立科立视材料科技有限公司，于2013年建立了第一条溢流下拉法生产线，制造GOriIIa4.5代盖板玻璃，用于触摸屏，后来又生产抗菌盖板玻璃。2018年开展透明微晶玻璃研发。2014年，四川旭虹光电科技公司生产了

13、锂铝硅酸盐盖板玻璃，产品名称Panda1681（大熊猫1681）,第一代以后又生产了Panda1681-2第二代，性能比第一代有明显提高。南玻集团所属的河北视窗玻璃在2021年生产0.251.1mm超薄屏幕玻璃，宜昌南玻集团光电玻璃公司在2020年批量生产0.18mm铝酸盐玻璃，是国内最早生产0.33mm以下铝酸盐超薄玻璃企业。2015年，咸宁南玻光电玻璃公司生产了KK3第一代高铝玻璃，2019年发展为KK6第二代高铝玻璃，在透光度、抗摔性和耐刮擦性方面均有提高。蚌埠玻璃工业设计院也是我国早期研发盖板玻璃单位之一，2017年建成一条A23含量高于14%的盖板玻璃浮法生产线。重庆鑫景则与北京工业

14、大学合作在2018年建成和投产了A2318%高铝玻璃生产线。2021年又研制成透明微晶玻璃，应用于华为P50PrO手机，称为昆仑玻璃，可在2m高度向下跌落，获得首个瑞士SGS五星抗摔权威论证，此外防刮擦性能也有显著提高。最近湖南旗滨企业建成一条透明微晶玻璃生产线，用特种压延法生产0.7mm以下超薄微晶玻璃，有望应用于手机盖板。2手机玻璃发展方向从手机发展历程中可以看出，从功能手机到智能手机、智慧手机，手机玻璃既是功能材料也是装饰材料，由前盖板、触摸屏、显示器到后盖板，玻璃均是合适的材料。特别是5G手机和折叠屏手机中，玻璃成为前盖板和后盖板“双玻结构”的理想材料。今后手机玻璃发展方向为：(1)进

15、一步提升手机玻璃的硬度、强度、抗摔性、耐刮擦性等特性，图1为不同玻璃离子交换前后Vickers硬度Hv比较，图1中斜线为离子交换前的硬度，交叉线为离子交换后的硬度。美国美国 德国 日本CSlCS5XensationDnigontrailCover图1各国手机玻(胆工OOZ)AH翻圈出璃离子交换前后的硬度从图1可以看出，经过离子交换后，手机玻璃的硬度有所增加，但提升幅度不大，各国手机的硬度虽有所差异，但并不明显，今后需要通过研究比较采用两步法还是多步法进行离子交换更合适，优化离子交换熔盐配方和交换工艺制度，特别是选择新型添加剂以提高交换后玻璃表面质量。断裂韧性是指材料抗裂纹扩展的能力，以KC来表示断裂韧性,断裂韧性值愈大，则愈不容易产生脆性断裂。各代手机玻璃的断裂韧性如图2所示。的断裂韧性从图2中可以看出，CG1的断裂韧性值最大，强度也应该最高，但从表1中则看出CG1的抗摔性不是最高的，似于两者产生了矛盾。抗摔性是一个使用者可以直接观察到的结果，与多种因素有关,断裂韧性不是唯一因素，测定抗摔性更符合实际情况，更容易为使用者所接受。抗摔性目测方法是将手机从一定的高度跌落在地，观察其破裂情况。实际测定时，必须指出一些具体条件，除高度还应指明屏幕向上还是向下，地面是否平整光滑，是地板还是水泥、岩石等粗糙地面，而且还要说明次数。如三星GalaxyS20用6代Gor