智能型手机外壳材料趋势变化

2012-07-05 12:56:18来源: Sogi!手机王
    过去智能型手机材料清一色的只有工程塑料(聚碳酸酯)或是金属机壳,但随着智能型手机尺寸越来越大、消费者逐渐追求轻薄的大趋势之下,各种新世代材料也开始出现在智能型手机上。智能型手机材料选用的考虑为何?未来哪里一种材料有望成为新趋势?请看手机王网站的分析报导。



手机外壳材料选择历史

除了触控屏幕之外,智能型手机的外壳可能是使用者最常接触的部分。外壳可说是整支手机的支撑骨架,更攸关手机内各种电子零件的定位及固定、同时对各种外来物体的撞击或渗漏时给予保护。过去手机的外壳材料仅局限于工程塑料与金属合金,然而随着消费者对智能型手机的要求越来越高、各种先进材料也逐渐纳入手机品牌厂商的考虑。

过去的手机外壳外壳通常都是由上壳与下壳组成(部分结构复杂的机种还有中壳),理论上来说、上下壳的外形可以重合。早期的手机外壳壳体通常由工程塑料注塑成型,原料主要为聚碳酸酯(Polycarbonate、简称 PC)以及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene、简称 ABS)。其中聚碳酸酯具有透明性极佳、常温耐冲击强度高、耐高温与高刚性的特性,早已普及于消费者日常生活中如光盘,眼镜片,水瓶,防弹玻璃,护目镜、银行防子弹玻璃、车头灯等等、宠物笼子等应用范围。聚碳酸酯还被用来制作登月太空人的头盔面罩、Apple iPod 音乐播放器和 iBook 笔记型计算机外壳也是使用聚碳酸酯制作而成。


▲早从智能型手机诞生初期,工程塑料就成为了外壳选择的主要材质。

而诞生时间更早的 ABS 树脂的最大应用领域为汽车、电子电器和建筑材料,汽车领域的使用包括汽车仪表板、车身外板、内装饰板、方向盘、隔音板、门把、保险杆、通风管等,在消费性电子市场则广泛应用于电冰箱、电视机、洗衣机、空调器、计算机、复印机等产品。ABS 树脂的好处是塑形容易同时价格低廉,适用于对强度要求不太高的零件(不直接受到冲击,不承受可靠性测试中结构耐久性测试的零件,如手机内部的支撑结构(Keypad frame,LCD frame)以及需要电镀的零件(如按钮、侧键、导航键、电镀装饰件等)。过去多数厂商选择搭配使用两种工程塑料材料,但随着以 SAMSUNG 为首的韩国厂商率先全面换用以聚碳酸酯为手机外壳材料,目前看来中高阶手机产品都开始降低 ABS 树脂的使用比例。


▲在其它竞争对手还在选择其它材质作为高阶智能型手机外壳材料时,诺基亚就率先在高阶机种 NOKIA Lumia 800 上使用聚碳酸酯材质。

镁铝合金(金属材料)外壳的优劣性

在工程塑料之外,手机品牌厂商第一个考虑其它材料就是金属合金材料,过去曾由 NOKIA 及 Apple iPhone 第一代产品掀起了一股金属机壳的风潮。目前以金属材料为主的机型所谓「铝合金材料」主要原料是铝金属再掺入少量的镁或是其它的金属材料来加强其硬度,依据添加金属的不同而称为镁铝合金或钛铝合金。铝合金材料既有金属的强度,而且重量轻、也易于散热、同时抗压性较强,在机械强度、耐磨性有了极大的提升。HTC Desire S 与 HTC Sensation 都是铝金属机壳智能型手机的代表性产品。

镁铝合金材质应用于智能型手机产品的最大优势在于导热性能和机械强度,其硬度是传统塑料机壳的几倍,因此过去被用于中高阶超薄型或尺寸较小的智能型手机产品上。镁铝合金外壳还可通过表面处理工艺上色为粉蓝色和粉红色,可使产品更美观同时增加价值感,其「易上色」的特性是工程塑料以及碳纤维材料所无法企及的。由于铝镁合金的散热性远优于塑料材料,能将智能型手机内应用处理芯片在高负荷运作时产生的大量热量及时传导至外界。作为金属材质的另一特色是对于外界的的电磁干扰有着良好的屏弊作用,不过此一特色是有利有弊:在对外界电磁干扰屏弊的同时,手机内收发无线讯号的各式天线性能也大大降低,这也就是 Apple iPhone 第一代或 HTC 金属机壳机种都要在上下方搭配使用塑料材料(于该处安置天线)的原因。


▲过去曾由 NOKIA 及 Apple iPhone 第一代产品掀起了一股金属机壳的风潮。

许多消费者(尤其是男性使用者)十分喜爱以铝合金材料作为智能型手机外壳,主要是认同金属材料的稳重以及价值感。然而手机品牌厂商选用铝合金材料的缺点也十分明显:它的成本较高,不耐磨且易掉漆,随着使用时间的增加,原先在表面喷涂的颜色仍会磨去并露出其暗灰色的本来面目;另外使用者如果不小心划伤的话、其刻痕也会非常的显眼,很多镁铝合金的智能型手机与笔记型计算机如果平常不加易保养,在用过一段时间之后会变得满是划痕惨不忍睹。

从手机生产角度来看,铝金属外壳成型要比 ABS 困难得多(需要用冲压或者压铸工艺),举例来说,Apple 的零件供应商可成甚至拥有数千台 CNC 机台专门作为加工生产使用,每个 iPad 铝镁合金元件需要从 2 公斤的铝锭,经过复杂的挖槽、冲压、切割过程才能完工。但由于金属机壳比工程塑料机壳的强度更高、散热性能更好,又比钛合金、碳纤维等其它材料更便宜,对于搭载 4.5 寸以下触控屏幕的智能型手机产品来说,以铝镁合金材料做为外壳材料仍是很好的选择(不过更大尺寸机种则可能会导致手机重量过重)。


▲过去 HTC 处理金属材质的工艺深受顾客好评、HTC Desire S 与 HTC Sensation 都是铝金属机壳智能型手机的代表性产品。

碳纤维材料未来或有望扩大占有率

2007 年问世的 iPhone 引领通信行业进入了「触控屏幕」时代,从此之后智能型手机产品不断挑战屏幕尺寸的极限、从 3.5 寸、3.7 寸、4.3 寸到 4.7 寸,2011 年 SAMSUNG 推出的 GALAXY Note 更将主流智能型手机的屏幕尺寸推进至 5 寸的门槛,许多消费者也以手机尺寸作为产品定位的衡量关键(尺寸越大、产品越高阶)。在前述的大趋势之下,大尺寸智能型手机若采用全金属外壳、其重量将让使用者感到不便。其它先进复合材料因此纳入了手机品牌厂商的考虑范围内,而纳米碳纤维就是其中之一。

多数人对纳米(nm)长度单位并不陌生,一纳米指的是十亿分之一公尺。在达到纳米级别的状况下,由于物质中电子和原子的相互作用将受到尺寸大小的影响非常大,因此材料将呈现与过去不同的特性,其基本性质如熔点、磁性、甚至颜色都能够改变、而且还不需要改变物质的化学成份。例如用超微粒子烧制成的陶瓷硬度可以提高,透过纳米技术制造出来的碳纤维材料其强度比以前的碳纤维提高十倍以上,还将大大减小磨损率并增长使用寿命。


▲碳纤维其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物,沿纤维轴方向表现出很高的强度。

碳纤维具有一般碳素材料的特性如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等,但与一般碳素材料不同的是,碳纤维其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物,沿纤维轴方向表现出很高的强度。与树脂、金属、陶瓷等基体复合而成的复合材料其强度在现有结构材料无人能出其右。也就是因为其材料特性,碳纤维从上个世纪 1950 年代初开始应用在航空太空领域。火箭工程师发现太空梭重量每减少 1 公斤,就可使运载火箭减轻 500 公斤燃料。飞机重量的减轻也可以节省油耗并提高航速。美国 JSF 先进战斗机上的碳纤维复合材料已占全机重量的 25%,占机翼重量的 33%。随着科技的发展,碳纤维复合材料的生产技术上不断进步、成本也越来越低。除了前述的航天应用之外,也广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。

从手机品牌厂商的角度来看,碳纤维材质是很有潜力的外壳材料:它既拥有铝镁合金高雅坚固的特性,又同时拥有 ABS 工程塑料的高可塑性,其外观类似塑料但是强度和导热能力又优于普通的 ABS 塑料。笔记型计算机品牌厂商 IBM 很早就采用了碳纤维材料作为笔记型计算机的外壳材料,最具代表性的 IBM 600 系列已在全球销售突破 200 万台。IBM 工程师的研究数据显示碳纤维的强韧性是铝镁合金的两倍而且散热效果最好。由于碳纤维是一种导电材质,因此可起到类似金属材料的屏蔽作用(ABS 塑料外壳则需要另外镀上一层金属膜作为屏蔽),采用碳纤维材料还有一个好处:如果它的表面被油性较重圆珠笔、油性水笔等留下的痕迹可被轻松抹掉。


▲由于碳纤维的成本高昂,目前仅有少数的特殊手机产品曾选用过做为外壳材质。

从种种物理特性来看,碳纤维材料完全有望取代传统塑料外壳的材料,不过其最大缺点是目前碳纤维材料的生产成本仍十分昂贵,别的不说,目前一支使用碳纤维材料制成的网球拍,价格往往动辄超过新台币 10,000 元。另外碳纤维外壳的成型技术目前不如 ABS 外壳那样成熟、加上表面处理与上色技术难度也较高,因此碳纤维机壳的形状一般都比较简单缺乏变化、外观上也欠缺时尚。碳纤维机壳还有一个使用上的小缺点,就是如果接地不好会有轻微的漏电感。不过以 Apple 为首的消费性电子品牌厂商仍积极探索大量使用碳纤维材料的可能性,市场上也一直有传言下未来的 Apple MacBook Pro 和 iPhone 很有可能采用碳纤维材料或是液态金属材料。

其它先进复合材料也开始获得采用

除了我们前面提及的 ABS、PC、铝镁合金还有尚未普及的碳纤维材料,智能型手机品牌厂商在机壳材料上一直不断挖掘创新,其中很多先进的复合材料也被引入智能型手机产品内,包括功夫龙(Kevlar)、液态金属与陶瓷材料等。

功夫龙(Kevlar)是化工大厂杜邦(DuPont)在芳族聚醯胺类有机纤维材料的注册商标名称。该种纤维是继玻璃纤维、碳纤维、硼纤维之后的先进复合材料、由杜邦公司首先实现工业化生产。功夫龙纤维最大的特性是具有极高的强度(约为22cN/dtex,其强度是相同重量钢丝的五倍以上、是高强度工业尼龙和玻璃纤维的两倍以上)。同时功夫龙纤维的热性能极佳而且热稳定性好,还有良好的绝缘性和抗腐蚀性,因此赢得「合成钢丝」的美誉。功夫龙纤维最早被用来制作军用防弹衣与防弹头盔,目前已经广泛应用于车辆轮胎强化材料、网球拍、汽车安全气囊、安全带、防弹衣、防火衣,运动衣物,手套,鞋子及户外背包等领域。


▲2012 年 MOTO 率先推出使用功夫龙纤维材料作为后盖的智能型手机产品 MOTO RAZR XT910。

2012 年 MOTO 率先推出使用功夫龙纤维材料作为后盖的智能型手机产品Droid RAZR,延续了过去 MOTO RAZR 系列的纤薄时尚整体设计风格,该机厚度仅为 7.1 毫米。机身正面搭载 4.3 寸的触控屏幕,而且手机背部采用了厚度仅 0.3 毫米厚度的功夫龙纤维涂层。虽然功夫龙纤维的重量轻、而且强度高于玻璃纤维、碳纤维和硼纤维,但目前在消费性电子产品领域的应用还比较少,主因在于其压缩强度、剪切强度都较低、同时吸水性较高,因此在机壳设计上的局限性很大,另外昂贵的成本也是一大阻力。面对竞争对手不断在新款产品上尝试各种新材质,先前外界一直传闻 SAMSUNG 准备使用强化陶瓷技术作为其旗舰产品的外壳材料。强化陶瓷技术是将极精细的氧化锆粉末通过高压注入到模具内,然后在摄氏 1,000 多度的高温烧结炉内形成陶瓷零件,目前瑞士钟表品牌 Rado 的表带就是运用这种材料。然而最后 SAMSUNG GALAXY S III i9300 背盖仍是工程塑料(聚碳酸酯)材质。


▲先前外界一直传闻 SAMSUNG 准备使用强化陶瓷技术作为其旗舰产品的外壳材料,然而最后 SAMSUNG GALAXY S III i9300 背盖仍是工程塑料(聚碳酸酯)材质。

工程塑料引进新技术提升性能

在材料科技的进步之下,其实工程塑料(聚碳酸酯)的加工与表面处理已经到了新的境界,最明显的例子就是 NOKIA N9、NOKIA Lumia 900、 HTC One X 及 SAMSUNG GALAXY S III i9300 都不约而同的采用聚碳酸酯材料。随着 3D 辅助建模和注塑科技的革命,越来越多手机设计师相信工程塑料并不一定比金属的质感要差。塑料材质可以实现更经济却更复杂的加工程序,还有更精确的钻孔与更快速的生产速度。过去 HTC 处理金属材质的工艺深受顾客好评、但并不是每一款手机都适合金属机身,HTC One X 机型由于其尺寸较大、因此需要更轻巧的工程塑料材料。


▲目前诺基亚最高阶智能型手机 NOKIA Lumia 800、Lumia 900 也使用工程塑料作为其外壳材料。

由于对手持式电子产品轻量化的需求越来越高,人类对工程塑料材料的改进从未停止。目前 Intel 工程师正在将过去 NASA 太空梭的设计经验运用到工程塑料机构设计,进而降低 Ultrabook 超薄笔记型计算机的价格。超薄笔记型计算机结合了笔记型计算机和平板计算机的优势,但由于价格过高而无法扩大其销售量。为此 Intel 华盛顿研发中心的工程师研发出一套新技术,可以使得塑料外壳的笔记计算机像更昂贵的金属外壳一样坚固。Intel 研发主管 Ben Broili 表示此种技术将使得超薄笔记型计算机的成本降低 25 美元至 75 美元。而前述技术可能大量使用高玻纤机壳,所谓高玻纤机壳就是塑料机壳的玻璃纤维含量达到 50%,这样的机壳强度和厚薄度都可以做到和金属机壳不相上下,但成本却预估只有金属机壳的三分之一,甚至是四分之一。随着新技术的导入,工程塑料机壳有望在智能型手机产品上重新取得主流地位。


▲并不是每一款手机都适合金属机身,HTC One X 机型由于其尺寸较大、因此需要更轻巧的工程塑料材料。

关键字:智能型手机外壳  材料

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2012/0705/article_13463.html
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