用于手机的仿羊脂玉微晶玻璃

李婷 汤华娟 王承遇

（1. 凯茂科技（深圳）有限公司 深圳 518106；2. 大连卡莎慕玻璃艺术股份有限公司 大连 116308；3. 大连工业大学纺织材料学院 大连 116034）

0 引言

近年来，一些名牌手机纷纷提出采用陶瓷作为手机的机身和后盖，以显示其奢华高贵。此处的陶瓷不是传统的陶瓷，而是仿玉的微晶玻璃［1］。众所周知，中国古代一直将玉制品作为身份等级的象征，而且将玉的外表和色泽等自然特性比喻人的道德品质，形成中国特色的玉文化，一直流传至今，现在很多奢侈品还采用玉为材质，但由于玉来源稀缺，加工困难，成本高昂，于是研制了仿玉的材质。在陶瓷、玻璃、微晶玻璃之间对比，微晶玻璃质地细腻，晶粒细小，可控制在1 μm以下，与羊脂白玉晶粒大小相似，而陶瓷晶粒比微晶玻璃的大十几倍或者几百倍，质地粗糙。微晶玻璃一般类似于油脂光泽，没有明显的玻璃光泽，硬度也与羊脂白玉相近，强度与抗摔性高于玻璃或陶瓷；微晶玻璃能达到微透明，与羊脂白玉的透明度类似，故在此三者之间微晶玻璃是仿玉的首选［2］。

玉的种类很多，可按其产地、色泽、质地来分类，作为手机和机身的高级材质，应参照国家标准GB/T 16552—2003《 珠宝玉石名称》［3］和GB/T 16553—1996《珠宝玉石鉴定》［4］，选择纯正稀罕、质量最高的和田出产的羊脂白玉来仿制，仿玉的微晶玻璃也应按这些标准的性能要求，制定仿玉的工艺。本文在已发表的仿玉微晶玻璃专利的基础上，对制定用于手机的仿玉微晶玻璃成分与工艺原则及研制中若干问题，进行探讨。

1 用于手机仿羊脂玉微晶玻璃性能要求

我国传统以产地和外观命名的四大名玉为新疆和田玉、甘肃蓝田玉、河南独山玉（南阳玉）和辽宁的岫玉（岫岩玉），其中以和田玉为上乘，国家质量监督局《和田玉》标准中将和田玉分为羊脂玉、白玉、青白玉等七种，其中羊脂玉质量最好，故奢华手机仿玉微晶玻璃就选择羊脂玉的性能特征进行仿制。羊脂玉是软玉（Nephrite）的一种，主要由透闪石Ca2M g5［ Si8O22］ （OH）2与阳起石组成矿物集合体，为纤维状晶体的交织体［2］。仿玉微晶玻璃要完全复制此结构是很困难的，国家标准《珠宝玉石名称》中对仿珠宝玉石指定为：“用以模仿天然珠宝玉石的颜色、外观和特殊光学效应的人工宝石”［3］，此定义给研制仿玉微晶玻璃指明了方向，应按照羊脂玉的颜色、外观等特征进行仿制，根据GB/T 16553—1996《珠宝玉石鉴定》［4］和 DB65/T 035—2010《和田玉》［5］，羊脂玉主要特征为：

（1）颜色

羊脂玉属上等优质白玉，呈脂白色，允许稍有淡青色，白度39.5%～44.5%，平均41.6%；糖色（玉鉴定中的专用名词，指色似红糖色）小于30%，糖色是由羊脂玉中Fe2O3等杂质所引起，要求FeO＜0.5%，在仿玉微晶玻璃中Fe2O3含量很少，往往在0.05%以下。

（2）光泽

羊脂玉的光泽较为特殊，古人称其“温润而泽”，就是光泽带有很强的油脂性，给人以滋润的感觉，既不强也不弱，既没有强光的晶莹，也没有弱光的蜡质感，玉的质地愈纯，光泽越好，杂质多，光泽就弱［6］。但此光泽与玻璃光泽还有区别，玻璃光泽愈强，反而使人感到是用玻璃仿制的。

（3）透明性

羊脂玉是微透明、半透明朦胧状，透光而不透亮。透明度太差，给人以白瓷感觉，透明度太高则感觉像玻璃。现有各种标准中只有定性文字描述，缺乏具体文字，笔者估计可见光透率应在25%～40%范围内。

（4）质地

羊脂玉晶粒大小要求为3 μm以下，结构柔和细腻，致密纯净，仿玉微晶玻璃的晶粒大小可以达到0.02～1 μm，比羊脂玉更细。

（5）硬度

羊脂玉莫氏硬度6～6.5，仿玉微晶玻璃可达6.5左右。

至于抗冲击强度和抗摔性，和田玉及其他玉石标准中均没有提出具体要求，但这些指标对手机用仿玉微晶玻璃是非常重要的，参考美国Corning公司研制的Gorilla玻璃的弹性模数为71～76 GPa，剪切模数28～31 GPa, 维氏硬度（Vickers 、200 g负荷）未进行化学增强前为530～540 kgf/mm2， 化 学 增 强 后 达639～650 kgf/mm2，三点弯曲强度＞250 MPa，抗摔性可以经受连续15次从1 m高度跌落到地面而不碎［7］。仿玉微晶玻璃的强度完全能达到或超过此水平。

手机用玻璃的强度，特别是抗摔性往往达不到使用者的要求，仿玉微晶玻璃不仅外观、颜色靓丽，而且抗摔性有显著的提高。

2 用于手机仿玉微晶玻璃的制造工艺

2.1 成分和工艺优选的原则

根据手机用仿玉微晶玻璃的要求设计微晶玻璃成分和制造工艺制度。设计仿玉微晶玻璃成分要达到预期主晶相的组成、晶体粒度、晶相结构以及晶相含量。

和田玉特征是羊脂白色，质地细腻，具有油脂光泽呈微透明。按此特征首先考虑析出的主晶相应该是羊脂白色，微晶玻璃要得到此种白色十分不易，基础玻璃的羊脂白色并不等于研制出的微晶也是同样颜色，因此在设计成分时必须选择晶化后析出晶体的色泽。

质地是否细腻与微透明和析出晶粒大小有密切关系。在晶化和核化时必须控制析出晶粒大小，在1 μm以下，透明性则要求晶粒大小不超过可见光波长，一般在400 nm以下，而且此种微粒要有一定的比例，比例太大则透明度太高，反之则透明度降低。透明度与玻璃相有一定关系，但不是主要的，一般很少用玻璃相比例调节透明性。仿玉微晶玻璃的强度和抗摔性与微晶玻璃中晶粒的数量及大小对其强度有很大的影响，相互之间关系式为［8］：

式中：s—微晶玻璃强度；

K—经验系数；

d—晶粒尺寸。

晶粒愈细，则强度愈高。

晶粒大小对玻璃中Griffith裂纹的长度和扩展也有影响，晶体颗粒愈小，Griffith裂纹愈短，因为裂纹的扩展被颗粒界面所阻挡。

除了晶粒的尺寸外，晶粒结构也是很重要，如粒状晶粒相互之间呈交叉互锁排列则强度最高，如图1所示。

至于选择晶化、核化温度，不仅对控制晶粒粗细而且对微晶玻璃的透明性有决定性的作用。

2.2 仿玉微晶玻璃成分与工艺

现有公开仿玉石型微晶的专利［9］中，其成分（ 质 量 分 数） 为SiO245.0%～75.0%， Al2O31.0%～25.0%，RO（碱土金属物）0～20%，R2O （ 碱 金 属 氧 化 物） 3.0%～15.0%， TiO20～4%，ZrO20～2.5% F 0～8.0%，其余为助熔剂和澄清剂，原料混合后在1 300～1 600 ℃熔化1～8 h，再在1 200～1 520 ℃澄清0～5 h，熔好的玻璃液用压延法、平拉法或浮法制成平板，也可浇注成块或水淬成微球。

将成形的玻璃板、块或微球加热到600～800 ℃，核化2～8 h，然后升温到700～1 150 ℃，晶化2～10 h，再在100～800 ℃退火1～20 h，慢冷出炉。

根据不同的成分和核化、晶化温度，得到主晶相为枪晶石、黄长石、霞石、透辉石和b-石英中一种或一种以上，次晶相为硅灰石和锂辉石的一种或两种，该次晶相的最大晶粒尺寸等于或小于可见光。

按上述成分和工艺得到仿玉微晶玻璃密度为2.6～2.7 g/cm3，莫氏硬度为7，可见光透过率25%～90%，抗弯强度72～120 MPa。

按照此专利的技术已组建了生产线，进行规模化生产，由于是仿辽宁红山玉，达不到和田玉的羊脂白色及微透明性。

另一份专利［10］是在SiO256%～72%、Al2O31%～20%、 CaO 12%～18%、MgO 0～18%、B2O30～4%、K2O 0～8%、Na2O 5%～12%、ZnO 0～6%、F 2%～6%、Cr2O30～1%、CeO20～2%、TiO20～3%（质量分数）的配方中加入原料总质量0.5%～5%难熔的0.1～0. 5 mm直径碳化硅、锆刚玉、 刚玉、氧化铬颗粒，或直径0 . 1 ～0 . 3m m、长 度1 ～3 m m 碳 化 硅、 锆 刚 玉、刚 玉 纤 维， 在1 350～1 450 ℃熔化，成形后在600～650℃、0 .5～2 h 核 化，再 加 热 到8 0 0 ～9 0 0 ℃、0.5 ～2 h 晶 化， 最 后 在5 0 0 ～6 0 0 ℃退 火0 . 5 h。在微晶玻璃中存在难熔化的颗粒 与纤维、隐现絮状或纤维状交织体，与和田玉结构相似，但此专利未进行生产。

在这些专利的基础上，笔者对手机用仿羊脂玉微晶玻璃进行了研制，采用Li2O- Al2O3- SiO2为主要成分，ZrO2和TiO2为晶核剂，析出主晶相为b锂辉石［ LiAl（Si2O6）］固溶体，呈乳白色与羊脂玉的颜色相近，晶化温度升高后则析出晶相为b石英固溶体［（Li、R）O·Al2O3· nSiO2］，其中R指离子半径小的二价离子，玻璃呈透明状。玻璃化学成分为SiO260%～66%、Al2O316%～20%、 Li2O 3%～5%、 MgO 0.6%～3%、ZnO 0.5%～2%、 ZrO20.2%～0.5%、 TiO22.5%～4.5%，另加入Sb2O3、 As2O3为澄清剂。玻璃熔化温度为1 600～1 650 ℃。成形后进行核化和晶化处理，晶化温度750～800 ℃ 4～6 h，核化温度850～1 000 ℃ 4～6 h。

制备的仿玉微晶玻璃硬度6.5～7，抗冲击强度从高1.8 m自由下落到地面不破裂，四点抗弯曲强度 260～280 MPa。

除基体玻璃成分和晶相外，核化、晶化温度制度是仿玉微晶玻璃研制的成败关键，既决定了微晶玻璃强度又影响了透明性，只有通过不断试验，才能找出适合不同成分的核化温度和晶化温度及相应的保温时间，以得到要求的性质。

3 结语

近年来也有采用纳米微晶陶瓷作为高档手机的机身和后盖的，纳米微晶陶瓷烧结时间很长，机身和后盖的薄片在烧结中易变形，仿羊脂玉微晶玻璃与其相比，仿羊脂玉微晶的基础玻璃可以采用小浮法或溢流下拉法连续成形，生产效率高。仿羊脂玉微晶玻璃除了优化晶相结构及晶粒尺寸提高强度外，还可以通过离子交换进行化学增强，进一步提高抗摔性，进行中试生产后，作为手机机身和后盖还是有应用前景的。