熱彎玻璃模具新材料

賀宇驍

爸爸從事新材料研究，受他的影響，我對新材料也頗感興趣。

一次，爸爸和我聊到某品牌新款手機(jī)的爆炸問題，他說新技術(shù)的應(yīng)用伴隨一定的風(fēng)險(xiǎn)，但該手機(jī)的曲面玻璃顯示屏技術(shù)很先進(jìn)，制備技術(shù)十分高明。從此，我開始對曲面玻璃屏幕手機(jī)產(chǎn)生了興趣。

經(jīng)過查閱相關(guān)資料，我了解到曲面玻璃屏幕有如下的優(yōu)勢：可改善人體的感官舒適度，具有更舒適的穿戴體驗(yàn)、更好的立體顯示效果，更耐摔。

目前手機(jī)曲面玻璃屏幕是通過將平板玻璃熱彎制作而成。熱彎過程是采用石墨模具在保護(hù)性氣氛下的熱壓爐（溫度為720℃至800℃）內(nèi)完成的，如圖1所示。

手機(jī)屏幕所用的曲面玻璃的形狀主要為雙弧形、單弧形兩大類。玻璃成分根據(jù)其性能要求分為堿鋁硅酸鹽、硼硅酸鹽和鈉鈣玻璃，它們在高溫下對金屬、金屬氧化物陶瓷等都具有較強(qiáng)的腐蝕性。石墨模具有良好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、抗腐蝕性、自潤滑性、導(dǎo)熱性以及與熱彎玻璃相近的熱膨脹系數(shù)。所以，石墨成為熱彎玻璃模具的首選材料。

然而，由于采用微正壓熱封，又是連續(xù)作業(yè)，爐內(nèi)氣氛難免帶入空氣。而石墨屬于碳素材料，在高溫氧化性氣氛下會發(fā)生反應(yīng)（C+O2=CO2↑），導(dǎo)致石墨模具內(nèi)腔燒蝕，表面坑洼、掉粉。因此，石墨模具的壽命很短，需經(jīng)常更換，這就造成熱彎玻璃生產(chǎn)成本居高不下。所以，找到石墨模具的替代材料成為研究的熱點(diǎn)。

目前這方面的研究一般參照熱彎玻璃石墨模具的形狀和尺寸，將目標(biāo)材料加工成標(biāo)準(zhǔn)的模具，通過熱壓試用，考核新材料的一系列性能是否適合用于玻璃熱彎成型加工。其中，用于制作手機(jī)屏幕的玻璃在高溫下的強(qiáng)熱腐蝕性是熱彎玻璃模具新材料需要優(yōu)先解決的關(guān)鍵問題，即首要考慮的是新研發(fā)的模具材料與玻璃高溫下的界面相容性。

為了降低新材料的研發(fā)成本，提高研發(fā)效率，我設(shè)計(jì)了一套研究目標(biāo)材料與玻璃之間高溫界面相容性的試驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

夾具夾板A是由普通不銹鋼鋼板材料制成，用鉆花加工成Φ8mm的孔，螺釘是從五金商店采購的M6×1.2普通不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)件。B是擬開發(fā)的目標(biāo)材料，外形為Φ20mm× 3mm的圓片。用金剛石劃片刀將大片玻璃分割成適當(dāng)尺寸的小片，按照圖3的方式將玻璃片夾持在研發(fā)材料之間，并通過螺桿對界面施加一定的壓力。然后將其推入圖4中管式加熱爐的石英管恒溫區(qū)，模擬實(shí)際熱彎玻璃機(jī)的工作狀態(tài)，加熱爐控制溫度在720℃，石英管內(nèi)通入氮?dú)狻１?0min后，將試樣取出，分析加熱試樣狀態(tài)。

采用本方法試驗(yàn)了被人們普遍看好的替代當(dāng)前熱彎玻璃石墨模具的理想材料SiC，其結(jié)果如圖5所示。

玻璃與SiC材料在高溫加壓下發(fā)生界面反應(yīng)并出現(xiàn)界面粘結(jié)現(xiàn)象，玻璃不能完整地被取下，這說明純的SiC陶瓷材料不適合作為熱彎玻璃石墨模具的替代材料。接

著，我又測試了一種用作工具刀的金屬陶瓷材料與玻璃之間的界面熱相容性，其結(jié)果如圖6所示。

可以看出，金屬陶瓷材料與玻璃在高溫加壓下沒有發(fā)生任何界面反應(yīng)。玻璃保持完好，可以完整地被取下，表明這種金屬陶瓷材料有可能替代傳統(tǒng)的石墨材料，成為制作熱彎玻璃模具的新材料。