一、精细陶瓷在智能手机上的应用

目前，工程结构陶瓷在电子市场中占据的优势逐渐增强。随着小米等陶瓷外观电子产品的出现，引起了手机厂商和消费者对氧化锆陶瓷外观件的认知和追捧，推动了精细陶瓷向智能手机行业地逐步渗透，其应用主要包括手机背板、指纹识别模组盖板、手机按键等小型结构件。

1.陶瓷手机背板

手机背板材料主要为塑料、金属、玻璃和陶瓷。金属背板具有抗摔、可塑性强、散热性好等优点，已成为主流手机的标配。随着5G网络、无线充电等时代的到来，智能手机对信号传输上要求越来越高，金属背板对信号屏蔽作用较大，成为制约其发展的关键因素，因此手机背板材质必将由金属背板转变为玻璃、陶瓷等非电磁屏蔽材质背板。

图2. 氧化锆陶瓷手机背板

陶瓷背板的抗弯强度、硬度、耐磨性、散热性等性能优于玻璃背板，成为手机厂商实现手机材质差异化的重要选择。目前，用于制作手机背板的陶瓷材料为氧化锆、氧化铝、碳化硅等，其中氧化锆是手机背板中应用最为广泛的陶瓷材料。

精密陶瓷中的氧化锆陶瓷手机后盖具有高强度、高韧性、尺寸精度高等特点，目前，其最大主屏尺寸可达到6英寸，厚度薄至0.15～0.80mm，可形成平板、2D、3D等复杂形状。小米手机已推出４款不同色彩和肌理的陶瓷手机后盖，与普通的塑料和金属手机后盖相比，陶瓷的运用使手机外观拥有陶瓷特有的淡雅色彩、光滑触感和细腻丰富的纹路质感，起到丰富手机的视觉、触觉的材质感和防滑的作用。

表1. 常用手机背板材料的性能对比 

2.指纹识别模组陶瓷盖板

指纹识别在智能手机中的应用一经推广就使其在便携式电子产品领域中迅速发展。目前，指纹识别逐渐成为智能手机的标配，据统计，2018年全球发布的智能手机共40款，使用了指纹识别技术的多达31款，占比75％。指纹识别模组主要由金属环、盖板、传感器、驱动芯片、印刷电路板等部分组成。其中，指纹识别盖板是区别指纹识别好坏的重要指标，它既具有对传感器与驱动芯片的保护作用，又是决定指纹解锁速度的关键因素之一。

图3. 指纹识别模组基本结构

根据指纹识别盖板材料的不同，可分为蓝宝石、涂覆式、玻璃和陶瓷4种。根据模组位置，指纹识别盖板又可分为按压式指纹识别方案和涂覆式指纹识别方案。

涂覆式优点是：成本低，但其涂层硬度较低，易磨损，使用寿命短，质感较差，整体美观性不强，主要应用于低端手机。

钢化玻璃优点是：成本低，制备工艺简单等，但其硬度较低，易磨损，介电常数和抗弯强度较差，目前最薄厚度仅为0.175mm，难以应用在中高端指纹识别领域。

蓝宝石优点是：硬度高，耐磨蚀，但其成本高，穿透性、断裂韧性较差，整体抗摔能力不强。

氧化锆陶瓷具有综合性能较好，其硬度高仅次于蓝宝石，韧性好，在同等厚度情况下，提高了盖板整体抗冲击抗摔能力。同时，其介电常数高，穿透能力强，识别灵敏、速度，是最合适的表面贴片材料之一。OPPO-R9的指纹识别模组采用了氧化锆陶瓷贴片，在保持高抗磨的同时增加了整体质感，让手机的解锁速度提升至极速的0.2s。

图4. 氧化锆陶瓷贴片应用于智能手机指纹识别

表2. 按压式指纹识别材料性能对比 

二、手机用精细陶瓷部件制备工艺

精细陶瓷性能优越，作为陶瓷精密零部件应用于智能手机中有着巨大的市场空间，但实现产业化应用的关键因素在于陶瓷精密零部件制备工艺技术的成熟完善。手机精细陶瓷零部件的制备工艺主要包括陶瓷粉体制备、成形、后加工等工序。

图5. 手机精细陶瓷零部件的制备工艺

1.精细陶瓷粉体制备工艺

纳米陶瓷粉体制备技术是制备手机精密陶瓷部件的关键，粉体质量的好坏直接影响手机精细陶瓷部件成品的内在质量和性能。纯度高、分散性能好、粒度超细和粒度分布窄是评价陶瓷粉体质量性能的重要依据。如何利用简单的制备工艺制备性能优良的陶瓷粉体，一直是业内人士研究的热点。

目前纳米陶瓷粉体常用的制备方法有化学沉淀法、水热法、溶胶－凝胶法等。随着纳米技术的迅速发展，人们研究成功了多种超细粉体的制备方法，包括固相法、化学气相法、喷雾干燥法、电化学合成法等，每种方法都有其优点和一定的局限性。如何在保证粉体质量的前提下，简化制备工艺、降低制备成本和扩大产能以满足日益增长的手机用超细陶瓷粉体原料供应需求和打破国外高端粉体制备技术垄断，一直是业内人士亟待解决的技术难题。

2.手机精细陶瓷部件成形工艺

目前，智能手机陶瓷精密零部件成形技术主要有注射成形、干压成形和流延成形等方法。其中，注射成形主要用于生产外形复杂的小型结构件；干压成形主要用来制备形状简单的陶瓷制品；流延成形可制备高质量、超薄型的陶瓷薄片，是手机陶瓷指纹识别盖板的主要成形方法。

（1）注射成形

    陶瓷注射成形是粉末注射成形技术的一个分支，它是指一种将塑件的注塑成形工艺与陶瓷制备工艺相结合的，通过压力将融熔状态的胶体注入具有一定形状的模腔中而形成的陶瓷零部件成形方法，其主要用于生产外形复杂，尺寸精确的手机锁屏、音量键、中框等小型精密陶瓷件，也可用于生产手机背板，该方法自动化程度高，无需进行机加工或少加工，且产品尺寸精度高，是目前国际上发展最快、应用最广泛的陶瓷零部件精密制造技术。

图6. 采用注射成形的陶瓷手机背板

      陶瓷注射成形工艺过程包括混料、注射成形、脱脂、烧结等工序。其中注射成形悬浮体的流变性、注射充模的参数选择以及脱脂过程等都是影响手机陶瓷部件无缺陷注射成形的关键因素。

（2）干压成形

      干压成形又称模压成形，是一种陶瓷粉体在压力作用下被压制成具有一定形状的致密坯体的成形方法，主要用于生产轻量、高刚性且形状简单的扁片状手机陶瓷背板等。该方法优点是：操作简单，坯体尺寸准确，适合机械化生产，且粉体中水分和有机成分含量少，烧成收缩率小，但密度不够均匀，粉体与模具壁间存在的摩擦力会对模具造成磨损从而增加生产成本。其中加压压力、加压速度、保压时间、粘结剂等工艺参数都会影响坯体的性能和最终产品的质量。

图7. 采用干压成形的陶瓷手机背板

（3）流延成形

流延成形是一种将陶瓷粉体与溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂等有机添加剂混合形成均匀的陶瓷浆料置于流延机上制成要求厚度的薄膜的成形方法。流延成形技术主要包括浆料制备、成形、干燥、排胶、烧结等工序，因其具有设备工艺简单，效率高，可连续生产，坯体性能单一，可制备高质量大型薄板的陶瓷部件等优点，现今被应用于手机指纹识别盖板中，进而扩大了其应用范围领域，该工艺的浆料中有机成分含量高，烧成收缩率大造成指纹盖板易产生开裂、卷曲、厚度不均匀等缺陷。因此探索工艺存在的问题，改进和完善工艺，提高陶瓷基片性能一直是研究的热点。溶剂、有机添加剂以及流延工艺是影响基片性能的主要因素。

三、手机精细陶瓷部件的后加工工艺

外观质量的好坏直接影响着产品的品质。当陶瓷材料作为手机精密部件时，对其表面效果提出了很高的要求。同时，陶瓷材料固有的硬性和脆性使其加工难度增大。为了获得合乎要求的外观质量，包括光洁平滑的表面、高尺寸精度、防指纹污染、防油污等，这就需要较高柔性和精度的加工设备。目前后加工技术主要有：数控机床加工、研磨抛光、激光雕刻、物理气相沉淀、抗指痕处理等。

1.数控机床加工

数控机床加工是指由数控加工语言进行编程控制数控机床对零部件加工的一种工艺方法，因而加工前须根据产品结构进行必要的建模和编程。陶瓷数控机床加工基于脆性断裂去除机理，使陶瓷材料在加工过程中通过缺陷和裂纹的成形或延展、剥落及碎裂等方式去除，主要用于陶瓷机身的修整处理，使机身曲线更加柔和。因其具有生产效率高、加工精度高、加工质量稳定的优点，而成为了3C外观产品制造商必备的精加工设备。

图8. 数控机床加工手机陶瓷机身

2.超精密研磨抛光

超精密研磨抛光是超精密加工技术的重要部分，其中化学机械抛光技术是应用最为广泛的；技术最为成熟的研磨抛光技术，基于机械化学原理，在微细磨粒的撞击和研磨液的化学作用下产生研磨作用去除被加工件表面的微量材料，达到降低手机陶瓷零部件表面粗糙度，提高表面尺寸精度和增加表面光泽的目的。陶瓷材料硬脆性大，经常使用比被加工工件硬度要高的金刚石磨料来研磨制造陶瓷结构件。轮速超过60m/s的高速磨削精加工陶瓷部件时，能形成较小的切屑厚度，降低磨削力，提高表面质量和加工效率。

3.抛光

抛光是主要的终加工手段，它通过降低表面粗糙度并去除研磨形成的损伤层，以获得光滑、无损伤的手机陶瓷件表面。

4.激光雕刻

激光雕刻又称镭雕或激光打标，是指利用激光照射到被加工材料表面，发生物理或化学反应产生热熔融化或汽化现象的表面处理工艺。目前已有许多类型的激光器用于微加工（打标、切割、划片、钻孔）手机陶瓷背板、手机按键等小型结构件，具有效率高、精度高、适用范围广等特点。

5.物理气相沉淀溅射

物理气相沉淀溅射主要用于制备手机logo图案。通过电场和磁场的作用，使带点粒子轰击靶材致使靶材以粒子（原子或分子）的形式沉积于基件上形成薄膜的技术，具有膜与基体附着强度高、成膜致密均匀、膜层厚度可控等特点。

图9. 小米手机背板