从“大猩猩玻璃”到昆仑玻璃,高性能特种玻璃的出现,为智能手机“保驾护航”

玻璃玩家 2023-05-11
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作为小米方面刚刚推出的顶级影像旗舰,小米 13 Ultra 在 4 月 18 日晚间已正式亮相。根据近日的相关爆料显示,此次小米 13 Ultra 同样采用了康宁的 Gorilla Glass Victus 玻璃,也就是大名鼎鼎的 " 大猩猩玻璃 ",虽然在此次发布会中小米方面并未确认这一传言,但鉴于这类机型一贯不惜工本打造的惯例,小米 13 Ultra 的屏幕覆盖玻璃必然是具备更高耐磨性和抗冲击力的特种玻璃。

事实上,随着智能手机屏幕尺寸的不断增大,具备更高耐磨度和抗冲击力的特种玻璃也成为了提升用户体验的法宝之一,也正是这个原因,使得康宁的 " 大猩猩玻璃 " 一度成为高端机型的标配。并且 " 大猩猩玻璃 " 也在不断演化,例如最新的 Gorilla Glass Victus 2 就已经在三星 Galaxy S23 系列机型搭载。

据了解," 大猩猩玻璃 " 可大致分为六代和三个系列,前六代的 " 大猩猩玻璃 " 更注重耐磨性和在平整表面下的抗冲击能力,也就是对刮擦和一般环境下平整表面的跌落有较强抵抗力。到了全新的 Victus 系列,康宁方面开始更注重真实的使用环境,并增强了在更粗糙表面跌落的抵抗力。

在实验室的测试环境中,使用 Gorilla Glass Victus 2 的测试产品从 1 米高度跌落还能够保证完好,对比对象则从 0.5 米高度跌落即可能损坏。自从苹果方面在 iPhone 机型上首发 " 大猩猩玻璃 " 后,康宁在智能手机上游产业链也受到了诸多的关注。

01

偶然的发明

不粘胶,是由3M的研究人员开发的,并产生了随处可见的便利贴。

威廉·伦琴(Wilhelm Röntgen)发现了X射线,彻底改变了诊断医学。

珀西·勒巴隆·斯宾塞(Percy Lebaron Spencer)发明了微波炉,因为他注意到雷达装置产生的微波融化了他口袋里的巧克力棒。

类似的偶然发现表明,“有针对性的”产品研发并不总是一个好主意。推测性或错误的实验的美妙之处在于——你永远无法预测结果。

美国化学家史蒂芬妮·科沃莱克(Stephanie Kwolek)在1964年为杜邦工作时,发明了凯芙拉,当时杜邦公司想要一种轻型强力纤维,用来替代橡胶制作轮胎,Stephanie没能造出来,却发现了一种乳白色溶液,名为聚对苯二甲酰对苯二胺,这玩意儿看起来其貌不扬,基本上是废弃物。但Stephanie决定用这种溶液来制作纤维试一试,发现它比尼龙还要坚韧。

早在20世纪40年代初,康宁的研究人员就对玻璃感兴趣,玻璃是透明材料,但如果暴露在太阳的热量和光线下足够长的时间,可能会变暗并变色。

康宁化学家罗伯特·道尔顿(Robert Dalton)热衷于研究这种情况,他将水晶般透明的红宝石玻璃样品暴露在紫外线下照射,然后在烤箱中烘烤。结果产生了具有几种不同颜色的玻璃。

另一位康宁研究化学家唐纳德·斯托基(Donald Stookey)被任命来探索这种奇妙的新型感光玻璃的在摄影场景下的应用可能性。

他的工作推动了一种透明的铝硅酸盐基玻璃的发展,Stookey发现如果玻璃中含有微量的金,银或铜,它就会变得对光敏感。与此同时,在工艺上甚至可以将3D设计蚀刻到玻璃中。

超白玻璃——透明低铁玻璃

1953年的一天,Stookey想要进行一项实验,将一块FotoForm玻璃加热到600°C的温度。然而,熔炉出现了故障,Stookey不小心将玻璃加热到了900°C。

当他试图从热烤箱中取出样品时,样品从他的钳子上滑落并撞到地板上。但是,玻璃没有破碎,反而反弹了起来。

Stookey“误打误撞”地创造了一块“微晶玻璃”——一种新型的玻璃材料,微晶玻璃和我们常见的玻璃看起来大不相同。

它具有玻璃和陶瓷的双重特性,普通玻璃内部的原子排列是没有规则的,这也是玻璃易碎的原因之一。而微晶玻璃像陶瓷一样,由晶体组成,它的原子排列是有规律的。

微晶玻璃比陶瓷的亮度高,比玻璃韧性强。

随后的工作促使康宁将这种材料开发成非常成功的康宁Ware系列平底锅和烹饪锅。它们耐热耐冲击,如果直接从冰箱移动到热烤箱中,也不会破裂。

02

独特的组合

Stookey偶然发现的玻璃商标为Pyroceram,具有独特的性能,不仅耐热,而且非常坚硬,同时不会影响无线电波。

这种材料也进入了军事应用,例如,用于制作洲际飞弹的头锥。

后来,在20世纪60年代,康宁开发了一种新型的Pyroceram材料,这种玻璃陶瓷材质比普通平板玻璃坚固九倍,比碳钢坚硬,亦比铝轻,更因其耐冷热温差特性及传递雷达波的能力受到美国太空总署青睐。

康宁最初选择不将这种新产品商业化,担心它会蚕食康宁现有且非常成功的Pyrex系列硼硅酸盐玻璃器皿的销售。

自1915年以来Pyrex系列一直保持强劲的市场表现。但到了20世纪70年代,法国康宁的研究人员开发了一种琥珀色版本的Pyroceram,他们申请了专利后创造了一系列新的炊具,并以Visions品牌命名。

与此同时,作为康宁称为Project Muscle的一项计划的一部分,康宁一直在探索使玻璃更坚固的新方法。大多数玻璃都是通过将其加热到高温然后快速冷却来增强的,以便外部冷却速度比内部快得多——这一过程称为回火。温度梯度使玻璃内部处于张力状态并压缩外表面,使玻璃更坚固,不太容易出现微观裂纹和缺陷。

超白绒面钢化玻璃

然而,随着玻璃变得越来越薄,想要在玻璃内外部创造温度梯度变得越来越困难。

在20世纪60年代,康宁的研究人员发现了一种化学强化玻璃的方法,允许玻璃中的较小离子被化学浴中的较大离子取代。通过这种“离子交换”过程,玻璃的表面变得高度压缩,因此不容易被使其破裂的应力损坏。

康宁以Chemcor品牌出售这种玻璃,直到20世纪90年代初才用于各种商业和工业应用,包括汽车挡风玻璃、飞机窗户、药瓶、监狱窗户、眼镜和电话亭。Chemcor取得了一定程度的商业成功。

这一切都在2007年1月发生了变化,当时当时的苹果首席执行官史蒂夫·乔布斯(Steve Jobs)在当年在旧金山举行的MacWorld大会上登台演出。

03

来到史蒂夫·乔布斯的时代

在莫斯康中心(Moscone Center)的观众面前,乔布斯推出了一款革命性的新设备——第一款苹果iPhone。

在那之前,智能手机一直是相对笨拙的产品。新款3.5英寸iPhone号称将改变市场,是一款为用户提供内置摄像头和网页浏览功能的光滑触摸屏设备。

但在发布会第二天,乔布斯抱怨说,他自己随身携带的iPhone的屏幕最终被大大小小的划痕布满。这是因为乔布斯展示的原型iPhone是用塑料屏幕制造的,塑料制作的屏幕具有很强的机械强度,但很容易划伤。

在发布会的几年前,康宁曾向乔布斯展示过玻璃技术,意识到屏幕必须具有一定的抗刮花性能的乔布斯在发布会第二天坚持认为,当iPhone在五个月后的2007年6月上市时,必须使用玻璃屏幕。

苹果首席运营官杰夫·威廉姆斯(Jeff Williams)告诉乔布斯,使用玻璃作为屏幕的需求是不可能的,Williams坚持认为开发出足够耐用的玻璃来满足乔布斯的要求需要三到四年的时间。

Williams回忆到:“我说,'我们已经测试了所有当前市面上的玻璃,当进行跌落测试的时候,玻璃会100%地破裂。他说'我不知道将如何做到这一点,但是当iphone在六月份发货时,屏幕必须玻璃的'。”

两天后,Williams接到康宁首席执行官温德尔·威克斯(Wendell Weeks)的电话。Weeks表示,康宁的Chemcor玻璃可能是一个不错的解决方案,康宁便开始以“大猩猩玻璃”的名义再次研究将玻璃用于智能手机。

随后几个月,威廉姆斯称之为“sheer terror”,因为两家公司的团队全力以赴,最终将Chemcor变成了iphone的一部分。

“当iPhone在2007年6月推出时,客户拥有了一部具有玻璃触感的iPhone,并且耐刮擦,”Williams回忆道。

玻璃屏幕帮助为iPhone定下了基调。第一代iPhone上附带的防刮擦玻璃一直是iPhone成功的关键部分之一。

04

“大猩猩玻璃”特点

厚度可控

第一代大猩猩玻璃厚度均匀,可以达到0.7毫米到2.0毫米的不同厚度规格。

2012年推出的第二代大猩猩玻璃厚度比一代产品降低了20%。这意味着,采用了大猩猩二代之后,设备将会拥有和一代同样的保护效果,但是节省出来的厚度可以运用在其他领域,例如电池等,可以有效的解决电池续航能力不足的问题。

光滑度高

这种玻璃表面光滑,很适合作为触摸屏手机的液晶保护层。

抗摩擦

作为最独特的功能,防刮擦一直是用户们最乐于挑战的一个项目,一些用户有意使用刀子或者钥匙在屏幕划擦,以测验玻璃的防擦性,往往在擦拭屏幕后,不显示划痕。

抗冲击度

耐冲击度差是这种玻璃的缺点,在防刮擦能力下,其抗冲击能力并不强大,不小心跌落的情况下很可能会碎裂。

大猩猩玻璃是指“化学强化”后的玻璃 通过离子交换实现

离子交换是一种化学强化过程,其中大离子被“塞入”玻璃表面,形成压缩状态。大猩猩玻璃经过专门设计,可最大程度地提高这种性能。

离子置换需要一定的环境条件和时间,将玻璃放在温度约为400摄氏度的熔融盐浴中。较小的钠离子离开玻璃,而盐浴中较大的钾离子代替它们。这些大离子占据更多空间,并且在玻璃冷却时被压在一起,从而在玻璃表面上产生一层压缩应力。

大猩猩玻璃的成分使钾离子能够扩散到表面深处,从而在玻璃深处产生高压缩应力。这一压缩层产生了更不易损坏的表面。

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各种高性能特种玻璃的大量出现

但对于手机厂商而言,供货链单一显然并不是件好事。随着折叠屏机型的出现,肖特这家拥有超过 135 年历史的公司也站了出来,成为当前折叠屏机型盖板玻璃的主要供应商之一。该公司旗下的 UTG 系列赛绚 Flex、赛绚 α 玻璃就曾陆续被小米 MIX Fold2、vivo X Fold、三星 Galaxy Z Fold3,以及部分 Galaxy Z Flip3 机型采用,其中 Galaxy Z Fold2 与 Galaxy Z Flip 的 UTG 玻璃盖板更是由肖特独家供应。相比之下,康宁则仅获得了部分 Galaxy Z Flip3 的 UTG 玻璃盖板订单。

根据肖特方面公布的相关信息显示,赛绚 Flex 的厚度仅 30 微米,但能够将屏幕强度提高 2.25 倍,加工后可实现小于 1 毫米的弯曲半径,而肖特赛绚 α 的弯曲半径则可低于 2 毫米,能够实现数十万次的弯折,同时将屏幕强度再提升 1 倍。

在此前很长的一段时间里,智能手机所使用的特种玻璃品牌中通常只有海外昌洒还能够的身影,直到荣耀 Magic3 至臻版的亮相,首次提到了纳米超曲纳米微晶玻璃。据官方公布的信息显示,这款玻璃在生产过程中加入了纳米级金属氧化物晶粒作为晶种,经过高温加热后玻璃材质的内部会长出数十纳米尺寸的纳米晶颗粒,从而形成微晶与玻璃相结合的微晶玻璃,并能够兼具坚固性和高透光性能,再进行二次强化才得到超曲纳米微晶玻璃面板,其相较普通玻璃面板的正面抗跌表现有着显著的提升。

随后在 Mate50 系列上,华为方面则带来了自研的昆仑玻璃。根据公开信息显示,其是经过 24 小时高温纳米晶体生长、108 道微晶原材及面板加工工序,以及 1600 度铂贵金属熔炼工艺的打造,而通过复合粒子强化注入,昆仑玻璃的面板中有数亿个高强度纳米晶体可用于抗冲击阻开裂。据称,一片昆仑玻璃最多可承受 32KG 的重物压力,让手机整体变得耐摔 10 倍,同时这款玻璃还获得了业界首个瑞士 SGS 五星抗跌耐摔认证。

就在此前魅族 20 系列的新品发布会上,该系列中市场定位最高的魅族 20 INFINITY 无界版同样也采用了自研的魅族泰坦玻璃。据悉,这款玻璃是采用透锂长石作为晶种,通过 750 ℃高温深度晶化形成 50nm 晶体盾牌,拥有抗微裂纹工艺,号称硬度高达 HV722,可抵御 65g 钢球,弯曲强度达 1135Mpa。

事实上,仅从公开资料中不难发现,华为、荣耀,以及魅族推出的特种玻璃都采用的似乎是纳米晶体技术,并通过在生产过程中加入金属材质作为晶种,以提升玻璃的强度和耐磨性。不过截至目前,华为与荣耀尚未与魅族一样公开晶种的材质和具体数据。

而对整个手机市场来说,各种高性能特种玻璃的大量出现,无疑也在为智能手机提升使用体验和安全性 " 保驾护航 "。并且目前这一领域的市场格局,也已一改以往海外厂商主导的局面,诸如华为、荣耀、魅族等厂商的加入也带来了更多国内厂商的声音。可以预见的是,未来特种玻璃的不断发展也势必将会进一步为手机、平板电脑等消费电子产品,带来更为坚固、耐磨的机身以及更好的使用体验。

文章来源: 三易生活,新材料博物馆,光电读书

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