热弯玻璃模具新材料

贺宇骁

爸爸从事新材料研究，受他的影响，我对新材料也颇感兴趣。

一次，爸爸和我聊到某品牌新款手机的爆炸问题，他说新技术的应用伴随一定的风险，但该手机的曲面玻璃显示屏技术很先进，制备技术十分高明。从此，我开始对曲面玻璃屏幕手机产生了兴趣。

经过查阅相关资料，我了解到曲面玻璃屏幕有如下的优势：可改善人体的感官舒适度，具有更舒适的穿戴体验、更好的立体显示效果，更耐摔。

目前手机曲面玻璃屏幕是通过将平板玻璃热弯制作而成。热弯过程是采用石墨模具在保护性气氛下的热压炉（温度为720℃至800℃）内完成的，如图1所示。

手机屏幕所用的曲面玻璃的形状主要为双弧形、单弧形两大类。玻璃成分根据其性能要求分为碱铝硅酸盐、硼硅酸盐和钠钙玻璃，它们在高温下对金属、金属氧化物陶瓷等都具有较强的腐蚀性。石墨模具有良好的热稳定性、耐磨性、抗腐蚀性、自润滑性、导热性以及与热弯玻璃相近的热膨胀系数。所以，石墨成为热弯玻璃模具的首选材料。

然而，由于采用微正压热封，又是连续作业，炉内气氛难免带入空气。而石墨属于碳素材料，在高温氧化性气氛下会发生反应（C+O2=CO2↑），导致石墨模具内腔烧蚀，表面坑洼、掉粉。因此，石墨模具的寿命很短，需经常更换，这就造成热弯玻璃生产成本居高不下。所以，找到石墨模具的替代材料成为研究的热点。

目前这方面的研究一般参照热弯玻璃石墨模具的形状和尺寸，将目标材料加工成标准的模具，通过热压试用，考核新材料的一系列性能是否适合用于玻璃热弯成型加工。其中，用于制作手机屏幕的玻璃在高温下的强热腐蚀性是热弯玻璃模具新材料需要优先解决的关键问题，即首要考虑的是新研发的模具材料与玻璃高温下的界面相容性。

为了降低新材料的研发成本，提高研发效率，我设计了一套研究目标材料与玻璃之间高温界面相容性的试验方法。实验装置如图2所示。

夹具夹板A是由普通不锈钢钢板材料制成，用钻花加工成Φ8mm的孔，螺钉是从五金商店采购的M6×1.2普通不锈钢标准件。B是拟开发的目标材料，外形为Φ20mm× 3mm的圆片。用金刚石划片刀将大片玻璃分割成适当尺寸的小片，按照图3的方式将玻璃片夹持在研发材料之间，并通过螺杆对界面施加一定的压力。然后将其推入图4中管式加热炉的石英管恒温区，模拟实际热弯玻璃机的工作状态，加热炉控制温度在720℃，石英管内通入氮气。保温30min后，将试样取出，分析加热试样状态。

采用本方法试验了被人们普遍看好的替代当前热弯玻璃石墨模具的理想材料SiC，其结果如图5所示。

玻璃与SiC材料在高温加压下发生界面反应并出现界面粘结现象，玻璃不能完整地被取下，这说明纯的SiC陶瓷材料不适合作为热弯玻璃石墨模具的替代材料。接

着，我又测试了一种用作工具刀的金属陶瓷材料与玻璃之间的界面热相容性，其结果如图6所示。

可以看出，金属陶瓷材料與玻璃在高温加压下没有发生任何界面反应。玻璃保持完好，可以完整地被取下，表明这种金属陶瓷材料有可能替代传统的石墨材料，成为制作热弯玻璃模具的新材料。