帝斯曼工程材料

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智能手机发展趋势:下一代智能手机外壳

20 五月 2019
  • 谢建志 帝斯曼工程材料大中华区资深技术开发经理

苹果在2007年推出首款iPhone手机,同时也开创了一个全新的市场。此后,智能手机市场迅速增长,而今该市场正趋于成熟,智能手机也大量普及。与此同时,原始设备制造商的格局也发生了巨大的变化。一些知名品牌如Nokia、Motorola和RIM已经消失,而诸如Vivo和OPPO等品牌则由于其在中国的强大市场地位跻身世界手机制造商前五。尽管许多国家还不太了解这两个品牌,他们却正在与华为竞争,争夺仅次于Samsung和Apple的第三大市场份额。然而,这些产品的性能、功能与设计都是相似的。

随着智能手机的大量普及,原始设备制造商们越来越关注新的可穿戴设备和智能家居设备。预计智能手机技术将发生重大变化,使原始设备制造商们能够在激烈的竞争中展现不同。整个2018年,智能手机行业取得了不断进步,新的硬件技术(如柔性显示屏)和软件技术(如人工智能)取得了突破,使智能手机成为人类更亲密的伴侣。

金属外壳的优缺点

多年来,Apple一直青睐铝制机身的智能手机设计,这是一种高端设备的概念,该概念来源于日本索尼公司及其在80年代末推出的随身听。随着iPhone的流行,逐渐出现了铝、不锈钢、钛或镁等金属外壳。

这些材料不仅具有卓越的机械性能,还具有良好的审美视觉和体验感。在中高端机型中,金属外壳已经取代了塑料外壳。虽然金属的固有导热性有助于功能越来越强大的处理器散热,但是其导电性会导致射频衰减,从而减弱无线电信号的传输和接收能力。克服金属外壳电磁干扰屏蔽问题的一种方法是将外壳接地,使其成为天线的延伸。现在的智能手机有多个天线:蜂窝(GSM、EDGE、3G、4G、LTE)、GPS、WiFi和蓝牙。为了保证良好的信号接收而不考虑手持设备的吸收,智能手机有两个蜂窝天线。主天线位于手机顶部,次级天线位于手机底部。手机可根据两种天线的接收效果,在这两个蜂窝天线之间切换。:

玻璃外壳:下一代智能手机外壳

全玻璃智能手机外壳可能是工业设计师的理想—至少在美学上如此。然而,它可能不具备通过产品测试所需的机械完整性,例如跌落和翻滚测试,而这些测试是确保手机日常使用过程可靠性所必需的。因此,随着智能手机不断变薄,我们可以预见只要不采用完全的柔性显示屏,全玻璃设计的高端机型将继续采用金属框架。这些金属框架将继续支持智能手机的设计,并作为天线放大器,抵消与智能手机外壳相连部件如印刷电路板、EMI屏蔽器和金属涂层等产生的射频衰减。

制作手机框架的金属材料的选择需考虑机械完整性、重量、耐用性、能实现的抛光工艺和效果。铝具有密度低、可回收、原料和制造成本都比较低等优点,是一种有吸引力的材料。然而,铝合金在长期使用的过程中会出现腐蚀情况。相比于铝合金,不锈钢具有更广泛的抛光选择,包括从哑光到亮光,从抛光到拉丝金属,甚至镜面抛光。其表面可以采用真空金属化(vacuum metallization,VM)、物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)或电化学沉积(Electrodeposition,ED)进行处理。PVD也可视为镀镍技术的替代品,因为有些消费者对镍过敏,并且含镍废物的处理也有严格的环境限制。

因不锈钢密度较大,重量的增加也是一个问题,然而,其较高的机械性能允许壁厚减小,从而使增加的设备重量可以忽略不计。如果重量是一个问题,则可以考虑使用钛合金。目前最常用的是SUS304不锈钢合金。对金属-聚合物键合纳米模具技术(Nano Mold Technology,NMT)的新需求提供了直接的金属-聚合物键合,这是在修饰工艺如阳极氧化或PVD之前的一个重要的二级工艺。NMT使用一种聚合物产生强烈的键合作用形成一种特殊纹理的金属表面。键合强度可能受金属表面、加工条件或化合物性质的影响。不同基底需要采用不同的处理方式以获得合适的表面纹理,但是表面纹理的关键特征是包含微米和纳米特征的多尺度粗糙度,以实现最佳的聚合物渗透和联锁。下面是对NMT过程的概述以及在基底表面获得合适纹理表面的例子。较强的键合作用十分重要,它能够避免出现空气缝隙和防止在应力或恶劣条件下出现分层。对NMT技术而言,选择不锈钢而不选择铝给聚合物带来了新的挑战。

采用阳极氧化法对铝表面进行处理是很常见的做法,以保护铝的柔软表面免受划痕和腐蚀,并可根据设计需求进行着色处理。由于阳极氧化发生在NMT之后,因此必须使用不受阳极氧化过程影响的聚合物,如聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、PBT/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)共混物或聚砜(PSU)。尽管阳极氧化适用于铝,但对于其他具有较高机械强度的金属,如不锈钢和钛,该技术不适用。这些替代合金是为下一代智能手机提供结构完整性的主要材料,但用于NMT处理的聚合物需要能够承受如PVD等处理过程中的更高温度。PVD过程需要在150-180 ℃条件下持续3小时,常用于NMT处理的聚合物不适合这个过程。由于聚苯硫醚(PPS)抗紫外线和着色性较差,不适合用于生产高美学要求的外部零件。因此,原始设备生产商必须从耐高温塑料里选择,如聚醚醚酮(PEEK)或与PEEK具有相当性能的新型、专用、具有高玻璃化转变温度Tg和热变形温度的PPAs材料。

NMT过程步骤如下:

  1. 清洗基体后,金属基体表面产生微米和纳米级孔。对铝而言,采用湿的多步骤化学刻蚀工艺。
  2. 一旦金属经过适当刻蚀和清洗后,会加载一种塑料化合物,由于聚合物表面纹理作用,这导致了强烈的金属-聚合物键合。
  3. 成型后,对零件的金属层采用修饰工艺如PVD.

新型NMT高温材料

基于高性能的ForTii Ace聚合物,DSM已经研发出一种是用于NMT的新型高温材料。在所有的聚邻苯二甲酰胺材料中(PPAs),ForTii Ace的Tg最高。它的独特之处在于C4分子的化学性质,使得其结晶行为优于其他的PPAs材料。并且,它的由芳香族含量驱动的高Tg使其耐温性与耐化学腐蚀性与PEEK一致,而在高温处理温度下,其刚度优于PEEK。在所有的PPAs材料中,由于其聚合物/分子强度高,ForTii Ace具有最高的机械强度。

该材料能够在钛和不锈钢材料允许的范围内达到超高的NMT键合力。这是由于其高聚合物强度和优良的加工性能。在NMT过程中,为了使微米/纳米孔中充分填充,流动控制和结晶是关键过程。一旦金属表面得到了充分填充,结晶过程保证了优良的键合强度、化合物的高强度和刚度。对于钛和不锈钢的键合,DSM已经研发两个专用的NMT等级,即ForTii NMX33和ForTii Ace NMX5。对于尺寸稳定性、耐热性、耐浅色紫外线,或电介质起着重要作用的应用,ForTii Ace聚合物是一种理想的材料。这两个等级在市场上都可以买得到,使得设计师能够实现下一代全玻璃外壳或其他创造性的金属和塑料的键合材料外壳,以达到最高的美学要求和材料性能。NMT是一种将金属与塑料结合在一起的精美技术,用于多种应用和工业领域,如工业生产、航空航天和汽车行业。

我们完整的NMT产品组合包括PBT和PPS化合物。这种广泛的产品组合可以使生产商仅通过一个联系点就可为多种设计和工业获得材料和应用支持。ForTii NMX33和ForTii NMX55在与不锈钢和钛材料键合强度方面表现出最高的性能。二者的熔化温度分别为320 ℃和340 ℃,这些材料具有最好的耐高温性能,使它们能够与PVD处理过程中的极端高温完全兼容

实现智能手机创新的下一个飞跃

随着智能手机应用的逐渐成熟,对其设计和功能创新的驱动也在迅速增加。无论是小型初创企业还是跨国公司,都在投入巨资打造新的设计理念,以便在利润丰厚的数十亿美元市场中脱颖而出。

智能手机发展的明显趋势就是从铝合金外壳转向玻璃或陶瓷机身,而机身框架则由机械强度更高的材料制成,如不锈钢或钛。这些设计将依赖基于高性能工程材料(如DSM产品手册中的材料)的塑料-金属键合技术,这可以在2017年推出的下一代概念中看到。虽然标准NMT技术广泛用于PBT、PBT/PET和PPS聚合物,但DSM新研发的ForTii Ace产品的性能提高到了目前只有PEEK才能达到的水平。这些新材料在化学、机械和热阻方面都可以PEEK材料相媲美,且它们还具有较好的尺寸稳定性和与机械强度更高的金属具有良好的键合能力。ForTii Ace材料能够使设计师超越现有材料的性能开展设计,进而实现智能手机创新的下一个飞跃。