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一、精細陶瓷在智能手機上的應用

目前，工程結構陶瓷在電子市場中占據(jù)的優(yōu)勢逐漸增強。隨著小米等陶瓷外觀電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，引起了手機廠商和消費者對氧化鋯陶瓷外觀件的認知和追捧，推動了精細陶瓷向智能手機行業(yè)地逐步滲透，其應用主要包括手機背板、指紋識別模組蓋板、手機按鍵等小型結構件。

1.陶瓷手機背板

手機背板材料主要為塑料、金屬、玻璃和陶瓷。金屬背板具有抗摔、可塑性強、散熱性好等優(yōu)點，已成為主流手機的標配。隨著5G網(wǎng)絡、無線充電等時代的到來，智能手機對信號傳輸上要求越來越高，金屬背板對信號屏蔽作用較大，成為制約其發(fā)展的關鍵因素，因此手機背板材質必將由金屬背板轉變?yōu)椴Ａ?、陶瓷等非電磁屏蔽材質背板。

圖2. 氧化鋯陶瓷手機背板

陶瓷背板的抗彎強度、硬度、耐磨性、散熱性等性能優(yōu)于玻璃背板，成為手機廠商實現(xiàn)手機材質差異化的重要選擇。目前，用于制作手機背板的陶瓷材料為氧化鋯、氧化鋁、碳化硅等，其中氧化鋯是手機背板中應用最為廣泛的陶瓷材料。

精密陶瓷中的氧化鋯陶瓷手機后蓋具有高強度、高韌性、尺寸精度高等特點，目前，其最大主屏尺寸可達到6英寸，厚度薄至0.15～0.80mm，可形成平板、2D、3D等復雜形狀。小米手機已推出４款不同色彩和肌理的陶瓷手機后蓋，與普通的塑料和金屬手機后蓋相比，陶瓷的運用使手機外觀擁有陶瓷特有的淡雅色彩、光滑觸感和細膩豐富的紋路質感，起到豐富手機的視覺、觸覺的材質感和防滑的作用。

表1. 常用手機背板材料的性能對比 

2.指紋識別模組陶瓷蓋板

指紋識別在智能手機中的應用一經(jīng)推廣就使其在便攜式電子產(chǎn)品領域中迅速發(fā)展。目前，指紋識別逐漸成為智能手機的標配，據(jù)統(tǒng)計，2018年全球發(fā)布的智能手機共40款，使用了指紋識別技術的多達31款，占比75％。指紋識別模組主要由金屬環(huán)、蓋板、傳感器、驅動芯片、印刷電路板等部分組成。其中，指紋識別蓋板是區(qū)別指紋識別好壞的重要指標，它既具有對傳感器與驅動芯片的保護作用，又是決定指紋解鎖速度的關鍵因素之一。

圖3. 指紋識別模組基本結構

根據(jù)指紋識別蓋板材料的不同，可分為藍寶石、涂覆式、玻璃和陶瓷4種。根據(jù)模組位置，指紋識別蓋板又可分為按壓式指紋識別方案和涂覆式指紋識別方案。

涂覆式優(yōu)點是：成本低，但其涂層硬度較低，易磨損，使用壽命短，質感較差，整體美觀性不強，主要應用于低端手機。

鋼化玻璃優(yōu)點是：成本低，制備工藝簡單等，但其硬度較低，易磨損，介電常數(shù)和抗彎強度較差，目前最薄厚度僅為0.175mm，難以應用在中高端指紋識別領域。

藍寶石優(yōu)點是：硬度高，耐磨蝕，但其成本高，穿透性、斷裂韌性較差，整體抗摔能力不強。

氧化鋯陶瓷具有綜合性能較好，其硬度高僅次于藍寶石，韌性好，在同等厚度情況下，提高了蓋板整體抗沖擊抗摔能力。同時，其介電常數(shù)高，穿透能力強，識別靈敏、速度，是最合適的表面貼片材料之一。OPPO-R9的指紋識別模組采用了氧化鋯陶瓷貼片，在保持高抗磨的同時增加了整體質感，讓手機的解鎖速度提升至極速的0.2s。

圖4. 氧化鋯陶瓷貼片應用于智能手機指紋識別

表2. 按壓式指紋識別材料性能對比 

二、手機用精細陶瓷部件制備工藝

精細陶瓷性能優(yōu)越，作為陶瓷精密零部件應用于智能手機中有著巨大的市場空間，但實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用的關鍵因素在于陶瓷精密零部件制備工藝技術的成熟完善。手機精細陶瓷零部件的制備工藝主要包括陶瓷粉體制備、成形、后加工等工序。

圖5. 手機精細陶瓷零部件的制備工藝

1.精細陶瓷粉體制備工藝

納米陶瓷粉體制備技術是制備手機精密陶瓷部件的關鍵，粉體質量的好壞直接影響手機精細陶瓷部件成品的內在質量和性能。純度高、分散性能好、粒度超細和粒度分布窄是評價陶瓷粉體質量性能的重要依據(jù)。如何利用簡單的制備工藝制備性能優(yōu)良的陶瓷粉體，一直是業(yè)內人士研究的熱點。

目前納米陶瓷粉體常用的制備方法有化學沉淀法、水熱法、溶膠－凝膠法等。隨著納米技術的迅速發(fā)展，人們研究成功了多種超細粉體的制備方法，包括固相法、化學氣相法、噴霧干燥法、電化學合成法等，每種方法都有其優(yōu)點和一定的局限性。如何在保證粉體質量的前提下，簡化制備工藝、降低制備成本和擴大產(chǎn)能以滿足日益增長的手機用超細陶瓷粉體原料供應需求和打破國外高端粉體制備技術壟斷，一直是業(yè)內人士亟待解決的技術難題。

2.手機精細陶瓷部件成形工藝

目前，智能手機陶瓷精密零部件成形技術主要有注射成形、干壓成形和流延成形等方法。其中，注射成形主要用于生產(chǎn)外形復雜的小型結構件；干壓成形主要用來制備形狀簡單的陶瓷制品；流延成形可制備高質量、超薄型的陶瓷薄片，是手機陶瓷指紋識別蓋板的主要成形方法。

（1）注射成形

    陶瓷注射成形是粉末注射成形技術的一個分支，它是指一種將塑件的注塑成形工藝與陶瓷制備工藝相結合的，通過壓力將融熔狀態(tài)的膠體注入具有一定形狀的模腔中而形成的陶瓷零部件成形方法，其主要用于生產(chǎn)外形復雜，尺寸精確的手機鎖屏、音量鍵、中框等小型精密陶瓷件，也可用于生產(chǎn)手機背板，該方法自動化程度高，無需進行機加工或少加工，且產(chǎn)品尺寸精度高，是目前國際上發(fā)展最快、應用最廣泛的陶瓷零部件精密制造技術。

圖6. 采用注射成形的陶瓷手機背板

      陶瓷注射成形工藝過程包括混料、注射成形、脫脂、燒結等工序。其中注射成形懸浮體的流變性、注射充模的參數(shù)選擇以及脫脂過程等都是影響手機陶瓷部件無缺陷注射成形的關鍵因素。

（2）干壓成形

      干壓成形又稱模壓成形，是一種陶瓷粉體在壓力作用下被壓制成具有一定形狀的致密坯體的成形方法，主要用于生產(chǎn)輕量、高剛性且形狀簡單的扁片狀手機陶瓷背板等。該方法優(yōu)點是：操作簡單，坯體尺寸準確，適合機械化生產(chǎn)，且粉體中水分和有機成分含量少，燒成收縮率小，但密度不夠均勻，粉體與模具壁間存在的摩擦力會對模具造成磨損從而增加生產(chǎn)成本。其中加壓壓力、加壓速度、保壓時間、粘結劑等工藝參數(shù)都會影響坯體的性能和最終產(chǎn)品的質量。

圖7. 采用干壓成形的陶瓷手機背板

（3）流延成形

流延成形是一種將陶瓷粉體與溶劑、分散劑、粘結劑、增塑劑等有機添加劑混合形成均勻的陶瓷漿料置于流延機上制成要求厚度的薄膜的成形方法。流延成形技術主要包括漿料制備、成形、干燥、排膠、燒結等工序，因其具有設備工藝簡單，效率高，可連續(xù)生產(chǎn)，坯體性能單一，可制備高質量大型薄板的陶瓷部件等優(yōu)點，現(xiàn)今被應用于手機指紋識別蓋板中，進而擴大了其應用范圍領域，該工藝的漿料中有機成分含量高，燒成收縮率大造成指紋蓋板易產(chǎn)生開裂、卷曲、厚度不均勻等缺陷。因此探索工藝存在的問題，改進和完善工藝，提高陶瓷基片性能一直是研究的熱點。溶劑、有機添加劑以及流延工藝是影響基片性能的主要因素。

三、手機精細陶瓷部件的后加工工藝

外觀質量的好壞直接影響著產(chǎn)品的品質。當陶瓷材料作為手機精密部件時，對其表面效果提出了很高的要求。同時，陶瓷材料固有的硬性和脆性使其加工難度增大。為了獲得合乎要求的外觀質量，包括光潔平滑的表面、高尺寸精度、防指紋污染、防油污等，這就需要較高柔性和精度的加工設備。目前后加工技術主要有：數(shù)控機床加工、研磨拋光、激光雕刻、物理氣相沉淀、抗指痕處理等。

1.數(shù)控機床加工

數(shù)控機床加工是指由數(shù)控加工語言進行編程控制數(shù)控機床對零部件加工的一種工藝方法，因而加工前須根據(jù)產(chǎn)品結構進行必要的建模和編程。陶瓷數(shù)控機床加工基于脆性斷裂去除機理，使陶瓷材料在加工過程中通過缺陷和裂紋的成形或延展、剝落及碎裂等方式去除，主要用于陶瓷機身的修整處理，使機身曲線更加柔和。因其具有生產(chǎn)效率高、加工精度高、加工質量穩(wěn)定的優(yōu)點，而成為了3C外觀產(chǎn)品制造商必備的精加工設備。

圖8. 數(shù)控機床加工手機陶瓷機身

2.超精密研磨拋光

超精密研磨拋光是超精密加工技術的重要部分，其中化學機械拋光技術是應用最為廣泛的；技術最為成熟的研磨拋光技術，基于機械化學原理，在微細磨粒的撞擊和研磨液的化學作用下產(chǎn)生研磨作用去除被加工件表面的微量材料，達到降低手機陶瓷零部件表面粗糙度，提高表面尺寸精度和增加表面光澤的目的。陶瓷材料硬脆性大，經(jīng)常使用比被加工工件硬度要高的金剛石磨料來研磨制造陶瓷結構件。輪速超過60m/s的高速磨削精加工陶瓷部件時，能形成較小的切屑厚度，降低磨削力，提高表面質量和加工效率。

3.拋光

拋光是主要的終加工手段，它通過降低表面粗糙度并去除研磨形成的損傷層，以獲得光滑、無損傷的手機陶瓷件表面。

4.激光雕刻

激光雕刻又稱鐳雕或激光打標，是指利用激光照射到被加工材料表面，發(fā)生物理或化學反應產(chǎn)生熱熔融化或汽化現(xiàn)象的表面處理工藝。目前已有許多類型的激光器用于微加工（打標、切割、劃片、鉆孔）手機陶瓷背板、手機按鍵等小型結構件，具有效率高、精度高、適用范圍廣等特點。

5.物理氣相沉淀濺射

物理氣相沉淀濺射主要用于制備手機logo圖案。通過電場和磁場的作用，使帶點粒子轟擊靶材致使靶材以粒子（原子或分子）的形式沉積于基件上形成薄膜的技術，具有膜與基體附著強度高、成膜致密均勻、膜層厚度可控等特點。

圖9. 小米手機背板