手機(jī)玻璃面板化學(xué)鋼化若干問題的探討

齊學(xué)義

摘 要：手機(jī)面板作為手機(jī)的重要組成部分，其面板的材質(zhì)不僅直接決定了手機(jī)的受保護(hù)程度，還影響著用戶的手機(jī)體驗(yàn)度。我國大部分的手機(jī)都屬于智能機(jī)，其面板材質(zhì)都為玻璃，與國外相比，我國手機(jī)的發(fā)展起步較晚，雖然隨著科技的不斷更新已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步，但是就手機(jī)玻璃面板的化學(xué)鋼化問題依然存在很多需要探討之處。在本文中，筆者就手機(jī)玻璃面板的化學(xué)鋼化問題進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：手機(jī)玻璃；面板；化學(xué)；鋼化；問題

受各個(gè)因素的影響，我國手機(jī)的發(fā)展與國外相比起步較晚，但是隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，我國手機(jī)在制造上和使用上都取得了巨大的成績。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國手機(jī)的生產(chǎn)量截止2016年為21億臺(tái)，同比增長已趨近14%。另外，我國手機(jī)用戶的使用人數(shù)截止2016年已超過13億人，其中80%的人使用的手機(jī)都為智能手機(jī)。并且我國大部分的智能手機(jī)除威圖、華為P7等高端手機(jī)的面板采用的是藍(lán)寶石之外，其余的手機(jī)面板材質(zhì)均為玻璃。

人們對(duì)手機(jī)的需求從剛開始只需要通訊功能，到現(xiàn)在不僅要求手機(jī)內(nèi)存夠大、拍照清晰等外，對(duì)手機(jī)的美觀也越來越注重，手機(jī)的發(fā)展方向逐漸從厚重更替為輕薄，手機(jī)的玻璃面板也從原來的1.2mm減至0.2mm。雖然手機(jī)的玻璃面板厚度在減少，但是它的強(qiáng)度一直在提高，這歸功于在手機(jī)玻璃面板的生產(chǎn)中使用了化學(xué)鋼化來增加手機(jī)面板強(qiáng)度。在本文中，筆者將從手機(jī)玻璃面板的技術(shù)、成分、配方以及制作工藝等方面對(duì)手機(jī)玻璃面板的化學(xué)鋼化問題進(jìn)行分析研究。

1、手機(jī)玻璃面板的化學(xué)鋼化技術(shù)指標(biāo)分析

為了滿足手機(jī)發(fā)展輕薄化的目的，必須對(duì)手機(jī)玻璃面板也同樣進(jìn)行輕薄化處理。據(jù)調(diào)查顯示，手機(jī)玻璃面板的輕薄度決定于手機(jī)玻璃的密度、彈性模數(shù)量、斷裂韌性、VICKER以及泊松比值。因此，相關(guān)手機(jī)技術(shù)團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行手機(jī)玻璃面板輕薄化研究時(shí)，首先應(yīng)該降低手機(jī)玻璃的密度，使手機(jī)玻璃的密度保持在2.39g/cm3至2.45g/cm3之間。其次，因?yàn)槭謾C(jī)的彈性模數(shù)量與手機(jī)玻璃鍵的強(qiáng)度成正比關(guān)系，為了保證手機(jī)玻璃鍵的強(qiáng)度符合相關(guān)要求，手機(jī)的彈性模數(shù)量應(yīng)該維持在65GPA至90GPA范圍內(nèi)。另外，由于手機(jī)的斷裂韌性與手機(jī)的脆性成反比關(guān)系，手機(jī)斷裂韌性越高，手機(jī)的脆性就越低。因此，為了降低手機(jī)玻璃面板被損壞的頻率，手機(jī)的斷裂韌性值應(yīng)該在0.65MPa●M0.5至0.75MPa●M0.5上下。最后，VICKER（維式）硬度應(yīng)該在490KGF/MM2至540KGF/MM2之間，泊松比應(yīng)該在0.21至0.23上下。

手機(jī)玻璃面板的化學(xué)鋼化指標(biāo)主要與CS值（表面壓應(yīng)力）和DOL值（應(yīng)力層深度）有關(guān)，要想使手機(jī)玻璃面板的化學(xué)鋼化強(qiáng)度滿足相關(guān)要求，就必須使CS值大于300MPA，DOL值大于20微米，并且滿足CS=CT（t-2DOL）/DOL公式，其中，CS表示表面壓應(yīng)力，CT表示中心張應(yīng)力，t表示手機(jī)玻璃的厚度，DOL表示交換層的深度。從公式中可以得出，當(dāng)內(nèi)部張應(yīng)力過高時(shí)，手機(jī)玻璃的內(nèi)部容易產(chǎn)生玻璃裂紋，降低手機(jī)玻璃面板強(qiáng)度。當(dāng)CS過高時(shí)，DOL值會(huì)相應(yīng)下降，增大玻璃的切裁難度。因此，適當(dāng)?shù)腃S值一般在750MPA至1100MPA之間，DOL值在20微米到50微米范圍內(nèi)。將CS值和DOL值保持在以上范圍內(nèi)可使手機(jī)玻璃化學(xué)鋼化后的硬度提高到8787.9N/MM2至6867N/MM2。

手機(jī)的尺寸穩(wěn)定與手機(jī)玻璃的熱穩(wěn)定和耐熱息息相關(guān)，比如：相關(guān)手機(jī)技術(shù)團(tuán)隊(duì)在制作五代高分辨率的觸摸屏?xí)r，采用的屏幕為氧化物薄膜晶體管，這種屏幕一般分辨率越高，手機(jī)觸摸屏的制作溫度也就越高。因此，在制作過程中，要求手機(jī)玻璃具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，即手機(jī)玻璃的軟化點(diǎn)保持在850攝氏度至920攝氏度范圍內(nèi)，手機(jī)玻璃的線膨脹系數(shù)在85*10-7℃至95*10-7℃之間，手機(jī)玻璃面板可見光透過率需在91%以上。

2、手機(jī)玻璃面板的化學(xué)鋼化主要成分分析

據(jù)調(diào)查顯示，手機(jī)玻璃面板在進(jìn)行化學(xué)鋼化時(shí)，主要以低溫型的離子交換為主，在交換過程中，以硝酸鉀熔鹽中的鉀正離子交換手機(jī)玻璃中的鈉正離子，其中鉀正離子的半徑大于鈉正離子的半徑，交換完成之后，手機(jī)玻璃的表面體積會(huì)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，形成壓應(yīng)力。具體變化如P = （ΔV0/3V0） [E/1 -υ]公式所示，其中，P表示硝酸鉀離子交換之后產(chǎn)生的手機(jī)玻璃表面應(yīng)力，ΔV0表示硝酸鉀離子交換之后手機(jī)玻璃體積的變化，V0表示硝酸鉀離子交換之前的手機(jī)玻璃體積，E表示手機(jī)玻璃的彈性模數(shù)量，υ表示泊松比值。

為了使硝酸鉀中的鉀離子與鈉離子交換更加容易，必須選擇適合鉀離子和鈉離子交換的玻璃成分。傳統(tǒng)的玻璃成分為鈉鈣硅酸鹽，這種成分主要以鈣離子在網(wǎng)絡(luò)外的形式呈現(xiàn)，會(huì)使鈉離子不易擴(kuò)散，阻礙硝酸鉀中鉀離子與鈉離子的交換。因此，為了改變這種情況，需要在含有鈉鈣硅酸鹽成分的玻璃中加入三氧化二鋁，增大玻璃分子的體積，擴(kuò)大玻璃結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)空間，促進(jìn)鉀離子和鈉離子的交換。除此之外，為了使手機(jī)玻璃面板在進(jìn)行化學(xué)鋼化時(shí)更加穩(wěn)定，還需要在鉀離子和鈉離子交換過程中加入MgO，并保證其含量維持在6.5%至13.5%之間。需要注意的是不要在其中加入CAO，如果不能避免CAO完全不存在，需控制其含量低于1%。

3、手機(jī)玻璃面板的化學(xué)鋼化制作工藝分析

據(jù)調(diào)查顯示，離子交換用于化學(xué)鋼化自20世紀(jì)起，主要以兩階段離子交換法以及三階段離子交換法為主，發(fā)展至今，已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮坞x子交換法。即在435攝氏度至450攝氏度之間，將手機(jī)面板玻璃放置硝酸鉀熔鹽中交換6至8小時(shí)。這種交換方法，交換的時(shí)間太長，不僅會(huì)增加手機(jī)玻璃面板進(jìn)行化學(xué)鋼化的成本，還會(huì)影響化學(xué)鋼化質(zhì)量。因此，為了改善這種狀態(tài)，相關(guān)技術(shù)人員在傳統(tǒng)的兩階段離子交換法和三階段離子交換法上進(jìn)行了技術(shù)改良。

傳統(tǒng)的兩階段離子交換法和三階段離子交換法主要是為了提高CS值、DOL值以及斷裂強(qiáng)度值，目前的兩階段離子交換法和三階段離子交換法不僅保留了原有的優(yōu)點(diǎn)，還增強(qiáng)了手機(jī)玻璃的切裁性、手機(jī)玻璃的硬度以及彎曲強(qiáng)度。比如：含有鈉鈣成分的手機(jī)玻璃進(jìn)行化學(xué)鋼化后不僅很難達(dá)到高鋁高鎂玻璃的CS值，并且手機(jī)玻璃還不易切裁。為了解決這個(gè)問題，國外對(duì)兩階段離子交換法進(jìn)行了改革，首先將含有鈉鈣成分的玻璃放在混合了80mol%的硝酸鉀和20mol%硝酸鈉混合液中，進(jìn)行鉀離子和鈉離子的交換，交換時(shí)間為2小時(shí)，然后又將其放置在100%硝酸鉀熔鹽中進(jìn)行鉀離子和鈉離子的交換，交換時(shí)間為1小時(shí)。通過以上兩步可以提高手機(jī)玻璃的CS值至720MPA，DOL值至15微米。

結(jié)束語：

綜上所述，手機(jī)玻璃化學(xué)鋼化，雖然操作工藝十分簡單，但是因?yàn)槠涫且粋€(gè)較為系統(tǒng)的工程。在進(jìn)行化學(xué)鋼化時(shí)，需要注意將手機(jī)玻璃的成分與硝酸鉀熔鹽中鉀離子和鈉離子的交換工藝相結(jié)合。并且根據(jù)相關(guān)制作要求，科學(xué)選擇離子交換方法，并使表面壓應(yīng)力值（CS）、應(yīng)力層的深度值（DOL）、應(yīng)力的分布值以及斷裂韌性值等等達(dá)到合理范圍。

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