手机玻璃发展历程和未来趋势

王承遇 汤华娟

（1.大连工业大学纺织材料工程学院 大连 116034；2.沈阳昌昊玻璃制品有限公司 沈阳 110325）

众所周知，1973年4月30日，马丁·库帕（Martin Cooper）研制成手持个人移动电话［1］，可以认为是手机的始祖。从当时的1G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 手机玻璃的内涵与外延

手机玻璃指用于手机上的部件（配件），分为狭义的手机玻璃和广义的手机玻璃。狭义的手机玻璃仅指手机上的盖板玻璃，或称为外屏（外盖），是手机最外层的保护玻璃，起了保护手机内部结构的作用，有的制造商为防止外屏的刮擦与磨伤，还在盖板上再贴一层保护膜。广义的手机玻璃除了盖板玻璃外，还包括触摸屏（触摸模块），一般为电容式，通过触摸效应，实现人机交流［2］。在触摸屏下面即是显示屏，再下面为背光板与机身，其结构如图1所示。

图1 手机玻璃外屏结构

为了减化工艺，可将保护玻璃（盖板）和触摸屏合为一体，在保护玻璃上镀ITO膜等触摸部件，使盖板玻璃兼有触摸屏功能，少用一片玻璃从而节约制造工艺，减轻重量，增加透明度，降低成本，此工艺称为OGS（One Glass Solution），指用一片玻璃来解决［3］，也可称为二合一（2 in 1）技术，此技术方案如图2所示。

图2 前盖玻璃与触摸屏一体化

二合一工艺带来的缺点是切割困难，同时屏幕的弯曲强度减弱。

手机玻璃的显示屏有液晶LCD（Liquid Crystal Display） 、 有 机 发 光 二 极 管 显 示 屏OLED（Organic Light-Emitting Diode），薄膜晶体管-液晶显示屏TFT-LCD（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display）［4］以及有源矩阵有机发光二极管显示屏AMOLED（Active Matrix Organic Light Emitting Diode），这些显示屏均应用玻璃为基片。液晶显示屏技术成熟，图像显色度好，柔和而不伤眼。有机发光二极管显示屏与液晶显示屏相比，有机发光二极管为自发光，显示的黑色更纯粹，黑白分明。显示屏比较轻薄，能耗也较低。目前手机大都采用有机发光二极管为显示屏。薄膜晶体管-液晶显示屏将背透和反射相结合，液晶背部每个像素点都有一个半导体开关，可以通过点脉冲直接控制，色彩显示上TFT屏幕效果较佳，对比度好，响应速度快，也是LCD常用的一种显示屏。有源矩阵有机发光二极管显示屏也为自发光，比有机发光二极管显示屏反应速度快，对比度高，视觉广，显示效果好，画面不失真，也能显示纯黑色，而且屏幕可减薄到1 mm以下，达到轻薄化，柔性化，弯曲化，广泛用于折叠式手机显示屏，也是今后显示屏主流，但技术难度大，成本比较高。

至于NOVA高亮度显示屏是在IPS（平面转换In-Plane Switeching）液晶面板技术上，采用提高亮度和纯白色调，优化手机使用者的体验，如华为NOVA的10、11系列手机，单独作为一个牌号系列，实际可归类于液晶显示屏中。除了将盖板玻璃与触摸屏一体化以外，还有将触摸屏与LCD显示屏结合在一起，出现了“On-Cell”工艺，将触摸屏嵌入显示屏彩色滤光片基板和偏光片之间，即在液晶面板上配置触控传感器。另一工艺称为In-Cell，将触摸功能嵌入显示屏像素中去；与On-Cell工艺对比，In-Cell的屏幕更为轻薄，透过率更好，但技术要求更高，好品率低。iPhone 5 采用In-Cell工艺，将手机厚度降低到7.6 mm，而iPhone 4S厚度为9.3 mm，比原来厚度降低18%，重量也由iPhone 4S的140 g降到112 g，减轻20%，画面更有所改善，因为光线穿透的层数越少，画面就越清晰。同时屏幕越薄，手机中空出的容积愈大，可留下更大空间安装更大电池，提高手机续航时间。

原先手机后盖板大都采用铝合金或碳纤维增强的铝合金，后来流行的5G手机，其天线比4G要复杂很多，如采用金属后盖，则电磁波衰减很大；手机无线充电时，也是由于金属后盖对电磁波的屏蔽特性不适于无线充电，因此均需采用玻璃后盖。从而出现了前盖和后盖都是玻璃的“双玻结构”。

近年来微晶玻璃性能优越，苹果公司从iPhone 12开始，用超晶瓷（Ceramic Shield）取代玻璃作手机盖板和底盖，超晶瓷实质上是微晶玻璃的一个品种。华为也将纳米微晶玻璃用于P50 Pro手机上，称为昆仑玻璃，其抗摔性提高10倍。微晶玻璃有逐步代替玻璃用于前后盖板玻璃的趋势。

至于奢华手机如威图VERTU所用的蓝宝石盖板属于人工晶体，与玻璃在结构、性能和制备工艺上有明显区别，已不属于手机玻璃范围。

综上所述，广义的手机玻璃应包括前盖板（保护玻璃）触摸屏、显示屏、后盖板所用玻璃或微晶玻璃材料。

2 手机玻璃发展历程

2.1 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1G网络到目前的6G，由移动互联网向移动物联网，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：

（1）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；

（2）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；

（3）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。

50年前工程师库帕研发成手持个人移动电话，尺寸比较大，机身长13 cm，重达1.09 kg（24磅），充电10 h才能通话30 min，以后商品化，型号为Dyna TAC 8000X，采用模拟通讯网络，只能进行话音通信，属1G语音通信时代。

1979年，日本电报电话公司（NTT）在东京推出世界第一个商用自动化模拟技术蜂窝通讯系统，成为第一个1G商用网络。1982年，欧洲邮电管委会成立移动专家组后改为全球移动通信系统GSM。用数字技术取代1G模拟技术，通信质量和系统稳定性提升，安全可靠，且设备能耗降低。1987年，广州与摩托罗拉合作开通了广州、香港、澳门移动通信，还引进Motorola 3200手机，是国内第一部GSM手机，虽然其体积和重量远低于TAC 8000X，但重量仍有520 g，外形像砖头，俗称大哥大，是当时身份的象征。1G时代由于是模拟网络，速率很慢，只有2.4 kb/s，信号不稳，通信质量差，串号、盗号时有发生。

1990年，手机进入数字通信2G时代，语音加文本，具有接收数据的能力，可收发短信。欧洲采用GSM标准，美洲为CDMA标准。当时常见的手机诺基亚2110为GSM标准，内置天线，重量较摩托罗拉3200明显降低。以后国外企业分别研制了翻盖手机，双频道内置游戏的手机以及滑盖手机。1999年，摩托罗拉发布了智能手机天柘A6188，为首部触摸屏手机，无线上网，中文手写识别。2G时代的手机较1G时代抗干扰能力有所提高，能连接互联网，但传播速度仍较低，网络不稳定。

2000年开始是将语音与国际互联网结合于一体的移动通讯3G时代，3G手机可利用互联网技术、数据打包技术，处理图像、音乐、视频会议、电子商务等。诺基亚2000年首推互联网手机，夏普研制了具有11万像素摄像头的液晶手机，还有三星的MP3手机，爱立信内置蓝牙的手机，诺基亚内置硬盘的手机和彩色屏的游戏机以及摩托罗拉的超薄双屏手机。2003年，市场上出现了国产40和弦铃的联想手机、波导和TCL手机。此时国产手机市场已超过外资。2006年，中国网民超过1亿，手机用户4.43亿户，每百人平均持有手机33.9部，用途以通信和短信为主。

2007年，苹果公司公布了智能手机iPhone，为全触控，用ios系统，是手机发展史的里程碑，进入智能手机的时代。以后中国台湾地区开发了采用安卓操作系统的HTC滑盖式手机，大陆则有魅族M8手机，从此手机出现了ios和Android两大操作系统。3G时代扩展了频谱，提高了速率，可达2 Mb/s，带宽为1.6 M，更加利于Internet业务，系统容量大，频率利用系数高，通信质量好。

2009年开始为4G时代，速率快，可达100 Mb/s，通信灵活，兼容性好，智能性高，能传输高质量图像及视频，还可用于微信支付、支付宝支付。此时三星GALAXY NOTE以超大AMOLED显示屏配合双曲面窄边框取得较好视觉效果，还应用虹膜识别，提高了手机安全性。苹果iPhone 7提高了手机防水级别，在1 m深水中可正常工作0.5 h。华为P30 Pro 搭载了当时最好的麒麟系统芯片980处理器，6.4英寸OLED水滴屏。苹果iPhone机身后盖用双离子强化工艺得到iPhone最坚固面板。国产手机小米、OPPO、VIVO、中兴等产品脱颖而出，走向国际市场，成为主流产品。2017年中国生产了14亿部智能手机，中国品牌智能手机占世界50%。2019年底，我国12.04亿人用上4G网，较2018年底增加2984万人，网民使用手机上网比例达99.1%，可见我国4G时代手机发展的迅速。

2018年，国际通信联盟（ITU）提出5G技术要求，峰值速率20 Gb/s，用户体验数据速率为100 Mb/s，比4G速率高100倍，时延1 ms，连接密度支持每平方公里100万台连接，流量密度每平方米达10 Mb/s，并具有低能耗，网络全覆盖，时时处处有网络。

5G技术与人工智能深度融合成为5G手机的趋势，人工智能赋予手机的学习和思考能力，5G技术赋予更强大的通信能力，两者结合，使手机从小智能（Smart Phone）进化到大智慧（Brain Phone）。特别是2019年5G商用元年以来，5G手机与人工智能（AI）、物联网（I）云计算（C）大数据（D）与边缘计算（E）［5G + AICDE］集合创新，从产业互联网到智联网，推动了万物智联到智慧城市，由互联网时代——信息革命发展到智联网时代——智能革命。

2019年1月，美国威讯（Verison）与中国联想在美国发布了全球首款5G手机，以后三星、华为也相继推出了搭载5G芯片手机进行初步应用。到2019年底，中、韩、美、日、英五国的5G手机达到商用阶段。中国在2019年末就已建成5G基站13万个，5G手机出货量超过1377万部。

目前5G手机有全面屏与折叠屏两大类型。全面屏将前置摄像头和部分排线外移，消除屏上的“额头”和“刘海”，也有将摄像头放在屏下，不拍照时可以显示屏上内容，拍照时则变成透明玻璃，以便光线进入，实现自拍。全面屏的屏占比由90.4%提高到接近100%。

5G手机另一特色是折叠式，当然4G手机也有折叠式。2018年10月，柔宇首推Flex Pai折叠式手机，以后华为发布了Mate X向外翻转的外折型手机。三星Galaxy S10则为内折型手机。此外还有Galaxy S1抽屉型、摩托罗拉Razr竖屏内折型、OPPO卷轴型以及谷歌Z（三折）型等。折叠型手机要求能折叠20万次，即每天100次。2019年全球可折叠智能手机出货量70万部，2022年达到1400万部，比2021年增长59%，预计2023年出货量可达3000万部。目前折叠式手机还存在折叠缝隙、屏幕寿命、折叠程度及折痕等问题，还需进一步研究改进。

由于5G接收频段数量比4G高，5G手机有2个发射天线和4个接收天线，而4G手机仅有1个发射天线和2个接收天线，5G比4G手机配置上有所升级，下载速度更快，有更大的运存和存储空间，5G手机的功耗有所提升，电池容量和电池体积随之增大，加上屏幕尺寸扩展和更强悍的影像功能，从而使手机的体积增大，越来越重，以前摩托罗拉Defy体积为107 mm×59 mm×13.4 mm，重量仅为118 g，但5G手机由于更大的电池，优质的屏幕，复杂构造的摄像头，厚度达7.7 mm，重量增加到175 g左右，专家建议5G手机重最好不超过180 g。

2020年，苹果发布的iPhone12手机一改过去以玻璃为屏幕，改用抗摔性和耐刮擦性高的超晶瓷为屏幕。2022年，华为Mate 50 Pro手机外屏的昆仑玻璃实际上也是透明微晶玻璃，从而使透明微晶玻璃也与玻璃并列成手机盖板的重要材料，当然目前微晶玻璃还未大规模连续生产，价格要比玻璃高。

总结中国在各技术年代的情况为1G空白，2G落后，3G追赶，4G同步，5G领先。手机的情况也是如此，目前我国的华为、小米、OPPO、VIVO手机在质量和产量上均列世界前茅。

继5G技术以后，中国、美国、德国、日本、韩国等多国启动了6G的研究和探讨，我国6G技术已在世界领先。6G的传输比5G提升100倍，理论网速可达1 Tb/s，网络延迟也从毫秒级降到微秒级，一般小于100 ms，是5G延迟的1/10。除此以外，6G网络外可能实现地面和卫星通信之间互通，应用也更加智能。6G规模试验预计可在2024年底前进行。

今后手机的发展方向为：

（1）采用更大尺寸人工智能屏幕，缩小边框，达到屏占比接近100%，便于手游和观看视频。

（2）手机更耐刮擦、耐磨损，抗冲击，提高耐用性，并采用柔性显示器，可折叠，可弯曲。

（3）提高光学清晰度以及触控灵敏性，达到多点触控。

（4）增强无线通信功能和人工智能的融合，达到海量云上网、云摄像头、云端计算和云储存。

（5）绿色低碳，实现近乎零耗能通信。

（6）有效避免无线通信电磁信号泄露等弱点，快速均匀，抗干扰，不仅安全、稳定、快速、高效，而且成本低廉。

手机的发展为手机玻璃提供了目标和方向，促进了手机玻璃的技术创新。

2.2 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。

手机玻璃发展史上重要转折点：

（1）智能手机的问世促进高强度、抗摔性好，耐刮擦的专用系列手机玻璃的生产；

（2）折叠手机的问世，促进了超薄、柔性玻璃的研发和生产，以及由极超薄玻璃和聚酰亚胺薄膜组成的叠层材料的研发与运用；

（3）微晶玻璃逐步取代玻璃用作手机前后盖板材料。

2007年，苹果公司乔布斯（Steve Jobs）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（Acrylic）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16～21 kgf/mm2，弯曲强度90～130 MPa，断裂韧性可达1.6 MPa ·m1/2；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，而且在紫外线照射下不会老化。玻璃的维氏硬度440～480 kgf/mm2，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（Adam Ellison）联系后，考虑采用上世纪60年代康宁公司Chemcor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1.3 mm薄玻璃用离子交换进行化学增强。未增强玻璃硬度534 kgf/mm2，通过离子交换，交换层深度44 mm，形成压应力750 MPa，

玻璃硬度提高到649 kgf/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［6］。2012年又开发第二代Gorilla，简称CG2，其强度比CG1提高20%，产生擦伤的负荷需4 N力，而CG1仅需2 N力，冲击断裂落球高度比CG1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15 mm，形成压应力500 MPa，抗冲击强度仅有120 MPa，仅为CG1的18.5%。2012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Gorilla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玻璃抗摔性与耐磨性或耐刮擦性的比较

2020年研制的第七代Gorilla Glass Victus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0.8 m高度跌落就损坏，而Victus跌落高度可提高到2 m，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Lotus XT，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80.7 GPa，维氏硬度626 kgf/mm2，工作温度（103Pa·s）1370 ℃、软化点Tf（106.5Pa·s）1045 ℃，退火点799 ℃以及低的热膨胀系数a10-300℃34.5×10-7/℃，耐高温和高的尺寸稳定性，用于LTPS高效能显示器的基片，做到精确加工，精确定位，精确显示，使显示屏达到更亮更清晰。Lotus XT还能拉成33 mm以下薄玻璃，用作可折叠显示屏。

Willow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500 ℃应用，随意弯曲。康宁与三星合作研制成超薄玻璃Ultra Thin Glass（UTG）厚30 mm，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Galaxy Z Flip，可折叠2万次而不断裂，还与聚酰亚胺（PI）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iPhone 12的盖板，称为超晶瓷，以后iPhone 13，iPhone 14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。Xensation Cover是一种铝硅酸盐玻璃，弹性模量E为73 kN/mm2，未离子交换前的努普硬度（Knoop Hk 0.1/20）为595 kgf/mm2，交换后为700 kgf/mm2；未离子交换前维氏硬度（Vicker Hv 0.2/20）为630 kgf/mm2，交换后为680 kgf/mm2；离子交换后形成压应力>800 MPa，压应力深度>100 mm，四点弯曲强度>600 MPa，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AF 32eco和硼硅酸盐玻璃D263。D263的性能：弹性模量72.0 kN/mm2，努普硬度470 kgf/mm2，Tg点557 ℃，线膨胀系数72×10-7/℃，介电常数6.7（1 MHz）。AF32的弹性模量74.8 kN/mm2，努普硬度580 kgf/mm2，Tg点717 ℃，线膨胀系数32×10-7/℃，介电常数5.1（1 MHz）。D263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。

As87eco超薄玻璃可制成30 mm薄片，最薄25 mm，可弯曲半径3 mm。

2011年，日本旭硝子（AGS）研制出盖板玻璃Dragonton第一代，中文译为“龙迹”或“龙尾”［5］，强度为钠钙玻璃的6倍，以后又推出Dragontrail X，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1.3 m高度落下不碎。2014年，旭硝子发布的SPOOL超薄玻璃厚度仅有0.1～0.05 mm，用小浮法生产，成功卷绕成100 m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Dinorex 2代。2014年则发布了Dinorex 3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GLeaf厚度只有90 mm～0.03 mm，最薄的只有25 mm～100 mm，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Gorilla 4.5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锂铝硅酸盐盖板玻璃，产品名称Panda 1681（大熊猫1681），第一代以后又生产了Panda 1681-2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0.25～1.1 mm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0.18 mm铝酸盐玻璃，是国内最早生产0.33 mm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Al2O3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大学合作在2018年建成和投产了Al2O318%高铝玻璃生产线。2021年又研制成透明微晶玻璃，应用于华为P50 Pro手机，称为昆仑玻璃，可在2 m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0.7 mm以下超薄微晶玻璃，有望应用于手机盖板。

3 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［6］。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）进一步提升手机玻璃的硬度、强度、抗摔性、耐刮擦性等特性，改进测试方法

从2007年第一款专用手机玻璃问世以来，专家和企业家一直在研究提高手机玻璃的硬度，通过离子交换进行化学增强，手机玻璃的硬度有了提高，图3为不同玻璃离子交换前后Vickers硬度Hv比较，图3中斜线为离子交换前的硬度，交叉线为离子交换后的硬度。

图3 各国手机玻璃离子交换前后的硬度

从图3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4所示。

图4 各代手机玻璃的断裂韧性

从图4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。为此手机研发者提出了有关硬度、抗摔性和耐刮擦性测定方法的建议。硬度除用硬度计等测试外，也可采用生产厂及销售商的简单易行的测试方法，如将5种不同型号粗细的砂纸磨擦手机玻璃表面，观察是否产生磨痕，以确定其硬度。将手机与常见损坏手机玻璃的杂物混装在一个钱包内，如将iPhone 12 与一串钥匙，6枚（半打）25分硬币和一支金属笔置于同一小化妆包内，用力摇晃30 s，以模拟钱包在口袋内折腾几周后，要求手机玻璃无划痕。

将手机玻璃前盖板和后盖板在瓷砖上滑动10次，要求无任何划伤，还要求用手轻按80#砂纸在手机玻璃屏幕打磨10次，相当于手机掉落滑过车道和人行道后，检查手机受损情况，要求手机屏无磨伤。

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Galaxy S20用6代Gorilla玻璃从1 m高度跌落，仍能保持屏幕的完整性。Galaxy S20，从15楼摔到三楼后盖板都摔坏了，但屏幕仍完好，仅有一个坏点。为了更符合实际使用情况，将抗摔性的高度作了一些规定：

①0.912 m（3英尺）相当于人类臀部高度屏幕向下和屏幕向上两种情况，观察其破损；

②1.2 m相当于人类腰部高度，屏幕向下，观察破损情况；

③1.6 m相当于人类平均身高，屏幕向下，观察破裂情况。

还有从2 m高度、二楼阳台、三楼等摔下等测试情况，不一一列举。通常认为每人每年可能手机摔地7次。

为了直接观察手机玻璃的抗冲击强度，则用落球法试验，因手机玻璃比较薄且面积小，不能经受钢化玻璃直径63.5 mm（质量1040 g）钢球自由落地的冲击而采用较轻的钢球，如华为手机昆仑玻璃的测试，则规定重150 g的钢球从1.2 m高度落下冲击玻璃中心而不破裂。国外也有采用133 g钢球进行冲击试验的，如Corning 0.55 mm手机玻璃要求133 g钢球冲击高度为90 cm而不破裂。

（2）手机是AI的最佳载体，已由产品形成一个行业，随着手机行业的不断发展，手机玻璃也要不断创新创意。高端化、轻薄化、柔性化、集成化、绿色化和生态化成为手机玻璃今后发展方向

①高端化。指手机玻璃达到性能卓越，独特雅致，雍容华贵的要求，并不完全指价格高端。以华为Mate 50 Pro采用昆仑玻璃盖板为例，采用平均晶体尺寸5～60 nm的纳米微晶玻璃结构，装配的华为Mate 50 Pro手机从2 m高度跌落实测情况，达到手机正面向下跌落而不是边角跌落，前盖玻璃未碎裂。根据华为官方介绍昆仑玻璃将整机抗摔性能提高10倍。至于手机上昆仑前盖玻璃目前的价格只比普通玻璃贵200元，普通消费者可以接受。

②轻薄化。手机屏面积扩大，摄像头的增加，内部集成更多的元件，排布复杂的天线，大功率电池，强大5G功能均使手机的厚度和重量增加。但从手机使用者来看，要求手感舒适，于是产生了手机功能和手机轻薄化的矛盾。要解决此矛盾，主要是手机设计者通过元件的功能化、复合化和结构元器件的合理排列与堆叠以减少手机的厚度和重量，但玻璃本身的轻薄化，也不应忽略。

要使手机轻薄化，一方面减少玻璃的密度，另一方面减少玻璃的厚度。玻璃的密度受玻璃配方和生产工艺的限制，密度不可能降低很大。以手机用Gorilla玻璃为例，从第一代到第五代的密度如图5所示。

图5 各代手机玻璃的密度

要降低手机玻璃重量行之有效的办法是减少玻璃的厚度，2006年第一部iPhone问世起，当时玻璃前盖的厚度为1.3 mm，以后各年代手机前盖玻璃的厚度不断减少到0.7 mm，0.6 mm，0.4 mm，0.33 mm［7］。目前国内外企业制备的超薄玻璃的厚度与柔性见表2。

表2 国内外制备的超薄玻璃的厚度与柔性

超薄玻璃不仅降低手机的重量，还可提高玻璃的强度与柔性。根据Griffith强度理论，即强度尺寸效益理论，厚度愈薄，单位面积上裂纹数量愈少，玻璃强度愈高。

③柔性化。随着手机弯曲屏与折叠屏的流行，手机玻璃的柔性化成为一种发展趋势［8］。柔性指玻璃抵抗裂纹扩展的能力，柔性与塑性紧密相关，也可以形容为材料发生塑性变形而不断裂的能力，即发生弯曲而不断裂，换言之，柔性是指材料抵抗变形破坏的能力，如抗弯、抗冲击、抗扭转等。玻璃柔性主要由结构键来确定，但通过结构键来提高玻璃柔性，目前还是非常困难的，只有运用强度尺寸效应制造超薄玻璃来减少表面裂纹及各种宏观微观缺陷是行之有效的办法。

通常认为当玻璃厚度低于0.1 mm时，即具有柔性。

除了利用强度尺寸效应得到柔性玻璃外，还可用叠层结构来制造柔性玻璃。三星Galaxy Z Flip 折叠手机柔性面板就是将高硬度的超薄玻璃（ UTG） 表面覆盖一层柔性的聚酰亚胺（Polymide）薄膜，组成叠层材料，既发挥了玻璃的刚性又降低了玻璃易碎性，此柔性显示屏厚度0.03 mm，而弯曲半径仅为1 mm。

④集成化。最初手机的盖板玻璃、触摸屏玻璃、显示器玻璃、后盖玻璃是分开的，各有其功能。以后逐步走集成化道路，由一种部件集合多种功能。首先将触摸屏与盖板玻璃一体化。既可作为触摸屏，也可作盖板。成本均降低，而好品率却提高。

将触摸屏与液晶显示器集成化，如In-Cell技术，是将触摸屏功能嵌入液晶像素的方法，集成化后手机厚度、重量降低，好品率提高。

盖板玻璃表面处理时，也可将化学增强、抗眩光（AG）、抗反射（AR）、抗指纹（AF）、防雾、自清洁以及防菌、抗菌功能集合化。最近采用十七氟癸基三乙氧基硅烷（trimeth-oxysilane PFDTES ）C16H19F17O3Si和1、2双（三 乙 氧 基 硅烷）乙烷（BTESE）为前驱体通过溶胶-凝胶法在盖板玻璃上制备成十七氟癸基修饰的SiO2膜，具有防水、防污、自清洁、低折射率、防反射、绝缘、耐酸、耐磨、抗刮擦、不易附着指纹污染等结合功能。

⑤绿色化。指手机玻璃中不含或含限量的有害物质以及在手机制造过程中绿色生产和低碳排放。手机主机中有害物质的含量均应在国家标准GB/T 26572规定以下，包括汞（Hg）、镉（Cd）、六价铬（Cr（VI））、多溴联苯（PBB）、多溴二苯醚（PBDE）、Pb虽然超出GB/T 26572规定的限量，但目前无代替方案，按欧盟RoHS指令豁免。当然这是整机的检测，不单是手机玻璃的检测，但手机玻璃成分设计时不应选择铅、镉、汞等有毒成分，原料处理和熔制时要避免有毒成分的挥发，同时要提高化学稳定性，防止这些有毒成分的析出，还必须在熔制成形和加工过程中尽量减少碳排放。

⑥生态系统优化。此处的生态系统并不是常用的ecosystem的概念，一般生态系统是指在自然空间内，生物与环境构成统一整体，在这个统一整体中，生物与环境相互影响，相互制约，并在一定时期内处于稳定的动态平衡状态。

手机的生态系统是指个人或实体接触到手机硬件和软件的总和，手机厂商对于所制造品牌手机硬件以及操作系统进行优化，使手机应用时能处于最佳系统，为用户提供更为完美的使用服务。而用户则要选择系统好用的软件和功能稳定的优化生态系统。因此，手机设计者和制造者需要根据手机使用情况，不断优化手机的硬件和操作系统，使其处于最佳状态，如华为研发的鸿蒙生态5G手机等。