手机玻璃面板化学钢化若干问题的探讨

齐学义

摘 要：手机面板作为手机的重要组成部分，其面板的材质不仅直接决定了手机的受保护程度，还影响着用户的手机体验度。我国大部分的手机都属于智能机，其面板材质都为玻璃，与国外相比，我国手机的发展起步较晚，虽然随着科技的不断更新已经取得了较大的进步，但是就手机玻璃面板的化学钢化问题依然存在很多需要探讨之处。在本文中，笔者就手机玻璃面板的化学钢化问题进行分析研究。

关键词：手机玻璃；面板；化学；钢化；问题

受各个因素的影响，我国手机的发展与国外相比起步较晚，但是随着社会的不断进步，我国手机在制造上和使用上都取得了巨大的成绩。据相关数据统计，我国手机的生产量截止2016年为21亿台，同比增长已趋近14%。另外，我国手机用户的使用人数截止2016年已超过13亿人，其中80%的人使用的手机都为智能手机。并且我国大部分的智能手机除威图、华为P7等高端手机的面板采用的是蓝宝石之外，其余的手机面板材质均为玻璃。

人们对手机的需求从刚开始只需要通讯功能，到现在不仅要求手机内存够大、拍照清晰等外，对手机的美观也越来越注重，手机的发展方向逐渐从厚重更替为轻薄，手机的玻璃面板也从原来的1.2mm减至0.2mm。虽然手机的玻璃面板厚度在减少，但是它的强度一直在提高，这归功于在手机玻璃面板的生产中使用了化学钢化来增加手机面板强度。在本文中，笔者将从手机玻璃面板的技术、成分、配方以及制作工艺等方面对手机玻璃面板的化学钢化问题进行分析研究。

1、手机玻璃面板的化学钢化技术指标分析

为了满足手机发展轻薄化的目的，必须对手机玻璃面板也同样进行轻薄化处理。据调查显示，手机玻璃面板的轻薄度决定于手机玻璃的密度、弹性模数量、断裂韧性、VICKER以及泊松比值。因此，相关手机技术团队在进行手机玻璃面板轻薄化研究时，首先应该降低手机玻璃的密度，使手机玻璃的密度保持在2.39g/cm3至2.45g/cm3之间。其次，因为手机的弹性模数量与手机玻璃键的强度成正比关系，为了保证手机玻璃键的强度符合相关要求，手机的弹性模数量应该维持在65GPA至90GPA范围内。另外，由于手机的断裂韧性与手机的脆性成反比关系，手机断裂韧性越高，手机的脆性就越低。因此，为了降低手机玻璃面板被损坏的频率，手机的断裂韧性值应该在0.65MPa●M0.5至0.75MPa●M0.5上下。最后，VICKER（维式）硬度应该在490KGF/MM2至540KGF/MM2之間，泊松比应该在0.21至0.23上下。

手机玻璃面板的化学钢化指标主要与CS值（表面压应力）和DOL值（应力层深度）有关，要想使手机玻璃面板的化学钢化强度满足相关要求，就必须使CS值大于300MPA，DOL值大于20微米，并且满足CS=CT（t-2DOL）/DOL公式，其中，CS表示表面压应力，CT表示中心张应力，t表示手机玻璃的厚度，DOL表示交换层的深度。从公式中可以得出，当内部张应力过高时，手机玻璃的内部容易产生玻璃裂纹，降低手机玻璃面板强度。当CS过高时，DOL值会相应下降，增大玻璃的切裁难度。因此，适当的CS值一般在750MPA至1100MPA之间，DOL值在20微米到50微米范围内。将CS值和DOL值保持在以上范围内可使手机玻璃化学钢化后的硬度提高到8787.9N/MM2至6867N/MM2。

手机的尺寸稳定与手机玻璃的热稳定和耐热息息相关，比如：相关手机技术团队在制作五代高分辨率的触摸屏时，采用的屏幕为氧化物薄膜晶体管，这种屏幕一般分辨率越高，手机触摸屏的制作温度也就越高。因此，在制作过程中，要求手机玻璃具有较强的热稳定性，即手机玻璃的软化点保持在850摄氏度至920摄氏度范围内，手机玻璃的线膨胀系数在85*10-7℃至95*10-7℃之间，手机玻璃面板可见光透过率需在91%以上。

2、手机玻璃面板的化学钢化主要成分分析

据调查显示，手机玻璃面板在进行化学钢化时，主要以低温型的离子交换为主，在交换过程中，以硝酸钾熔盐中的钾正离子交换手机玻璃中的钠正离子，其中钾正离子的半径大于钠正离子的半径，交换完成之后，手机玻璃的表面体积会出现膨胀现象，形成压应力。具体变化如P = （ΔV0/3V0） [E/1 -υ]公式所示，其中，P表示硝酸钾离子交换之后产生的手机玻璃表面应力，ΔV0表示硝酸钾离子交换之后手机玻璃体积的变化，V0表示硝酸钾离子交换之前的手机玻璃体积，E表示手机玻璃的弹性模数量，υ表示泊松比值。

为了使硝酸钾中的钾离子与钠离子交换更加容易，必须选择适合钾离子和钠离子交换的玻璃成分。传统的玻璃成分为钠钙硅酸盐，这种成分主要以钙离子在网络外的形式呈现，会使钠离子不易扩散，阻碍硝酸钾中钾离子与钠离子的交换。因此，为了改变这种情况，需要在含有钠钙硅酸盐成分的玻璃中加入三氧化二铝，增大玻璃分子的体积，扩大玻璃结构的网络空间，促进钾离子和钠离子的交换。除此之外，为了使手机玻璃面板在进行化学钢化时更加稳定，还需要在钾离子和钠离子交换过程中加入MgO，并保证其含量维持在6.5%至13.5%之间。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、手机玻璃面板的化学钢化制作工艺分析

据调查显示，离子交换用于化学钢化自20世纪起，主要以两阶段离子交换法以及三阶段离子交换法为主，发展至今，已经转变为一次离子交换法。即在435摄氏度至450摄氏度之间，将手机面板玻璃放置硝酸钾熔盐中交换6至8小时。这种交换方法，交换的时间太长，不仅会增加手机玻璃面板进行化学钢化的成本，还会影响化学钢化质量。因此，为了改善这种状态，相关技术人员在传统的两阶段离子交换法和三阶段离子交换法上进行了技术改良。

传统的两阶段离子交换法和三阶段离子交换法主要是为了提高CS值、DOL值以及断裂强度值，目前的两阶段离子交换法和三阶段离子交换法不仅保留了原有的优点，还增强了手机玻璃的切裁性、手机玻璃的硬度以及弯曲强度。比如：含有钠钙成分的手机玻璃进行化学钢化后不仅很难达到高铝高镁玻璃的CS值，并且手机玻璃还不易切裁。为了解决这个问题，国外对两阶段离子交换法进行了改革，首先将含有钠钙成分的玻璃放在混合了80mol%的硝酸钾和20mol%硝酸钠混合液中，进行钾离子和钠离子的交换，交换时间为2小时，然后又将其放置在100%硝酸钾熔盐中进行钾离子和钠离子的交换，交换时间为1小时。通过以上两步可以提高手机玻璃的CS值至720MPA，DOL值至15微米。

结束语：

综上所述，手机玻璃化学钢化，虽然操作工艺十分简单，但是因为其是一个较为系统的工程。在进行化学钢化时，需要注意将手机玻璃的成分与硝酸钾熔盐中钾离子和钠离子的交换工艺相结合。并且根据相关制作要求，科学选择离子交换方法，并使表面压应力值（CS）、应力层的深度值（DOL）、应力的分布值以及断裂韧性值等等达到合理范围。

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