李婷 湯華娟 王承遇

（1. 凱茂科技（深圳）有限公司 深圳 518106；2. 大連卡莎慕玻璃藝術(shù)股份有限公司 大連 116308；3. 大連工業(yè)大學(xué)紡織材料學(xué)院 大連 116034）

0 引言

近年來，一些名牌手機(jī)紛紛提出采用陶瓷作為手機(jī)的機(jī)身和后蓋，以顯示其奢華高貴。此處的陶瓷不是傳統(tǒng)的陶瓷，而是仿玉的微晶玻璃［1］。眾所周知，中國古代一直將玉制品作為身份等級(jí)的象征，而且將玉的外表和色澤等自然特性比喻人的道德品質(zhì)，形成中國特色的玉文化，一直流傳至今，現(xiàn)在很多奢侈品還采用玉為材質(zhì)，但由于玉來源稀缺，加工困難，成本高昂，于是研制了仿玉的材質(zhì)。在陶瓷、玻璃、微晶玻璃之間對(duì)比，微晶玻璃質(zhì)地細(xì)膩，晶粒細(xì)小，可控制在1 μm以下，與羊脂白玉晶粒大小相似，而陶瓷晶粒比微晶玻璃的大十幾倍或者幾百倍，質(zhì)地粗糙。微晶玻璃一般類似于油脂光澤，沒有明顯的玻璃光澤，硬度也與羊脂白玉相近，強(qiáng)度與抗摔性高于玻璃或陶瓷；微晶玻璃能達(dá)到微透明，與羊脂白玉的透明度類似，故在此三者之間微晶玻璃是仿玉的首選［2］。

玉的種類很多，可按其產(chǎn)地、色澤、質(zhì)地來分類，作為手機(jī)和機(jī)身的高級(jí)材質(zhì)，應(yīng)參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16552—2003《 珠寶玉石名稱》［3］和GB/T 16553—1996《珠寶玉石鑒定》［4］，選擇純正稀罕、質(zhì)量最高的和田出產(chǎn)的羊脂白玉來仿制，仿玉的微晶玻璃也應(yīng)按這些標(biāo)準(zhǔn)的性能要求，制定仿玉的工藝。本文在已發(fā)表的仿玉微晶玻璃專利的基礎(chǔ)上，對(duì)制定用于手機(jī)的仿玉微晶玻璃成分與工藝原則及研制中若干問題，進(jìn)行探討。

1 用于手機(jī)仿羊脂玉微晶玻璃性能要求

我國傳統(tǒng)以產(chǎn)地和外觀命名的四大名玉為新疆和田玉、甘肅藍(lán)田玉、河南獨(dú)山玉（南陽玉）和遼寧的岫玉（岫巖玉），其中以和田玉為上乘，國家質(zhì)量監(jiān)督局《和田玉》標(biāo)準(zhǔn)中將和田玉分為羊脂玉、白玉、青白玉等七種，其中羊脂玉質(zhì)量最好，故奢華手機(jī)仿玉微晶玻璃就選擇羊脂玉的性能特征進(jìn)行仿制。羊脂玉是軟玉（Nephrite）的一種，主要由透閃石Ca2M g5［ Si8O22］ （OH）2與陽起石組成礦物集合體，為纖維狀晶體的交織體［2］。仿玉微晶玻璃要完全復(fù)制此結(jié)構(gòu)是很困難的，國家標(biāo)準(zhǔn)《珠寶玉石名稱》中對(duì)仿珠寶玉石指定為：“用以模仿天然珠寶玉石的顏色、外觀和特殊光學(xué)效應(yīng)的人工寶石”［3］，此定義給研制仿玉微晶玻璃指明了方向，應(yīng)按照羊脂玉的顏色、外觀等特征進(jìn)行仿制，根據(jù)GB/T 16553—1996《珠寶玉石鑒定》［4］和 DB65/T 035—2010《和田玉》［5］，羊脂玉主要特征為：

（1）顏色

羊脂玉屬上等優(yōu)質(zhì)白玉，呈脂白色，允許稍有淡青色，白度39.5%～44.5%，平均41.6%；糖色（玉鑒定中的專用名詞，指色似紅糖色）小于30%，糖色是由羊脂玉中Fe2O3等雜質(zhì)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）光澤

羊脂玉的光澤較為特殊，古人稱其“溫潤而澤”，就是光澤帶有很強(qiáng)的油脂性，給人以滋潤的感覺，既不強(qiáng)也不弱，既沒有強(qiáng)光的晶瑩，也沒有弱光的蠟質(zhì)感，玉的質(zhì)地愈純，光澤越好，雜質(zhì)多，光澤就弱［6］。但此光澤與玻璃光澤還有區(qū)別，玻璃光澤愈強(qiáng)，反而使人感到是用玻璃仿制的。

（3）透明性

羊脂玉是微透明、半透明朦朧狀，透光而不透亮。透明度太差，給人以白瓷感覺，透明度太高則感覺像玻璃?，F(xiàn)有各種標(biāo)準(zhǔn)中只有定性文字描述，缺乏具體文字，筆者估計(jì)可見光透率應(yīng)在25%～40%范圍內(nèi)。

（4）質(zhì)地

羊脂玉晶粒大小要求為3 μm以下，結(jié)構(gòu)柔和細(xì)膩，致密純凈，仿玉微晶玻璃的晶粒大小可以達(dá)到0.02～1 μm，比羊脂玉更細(xì)。

（5）硬度

羊脂玉莫氏硬度6～6.5，仿玉微晶玻璃可達(dá)6.5左右。

至于抗沖擊強(qiáng)度和抗摔性，和田玉及其他玉石標(biāo)準(zhǔn)中均沒有提出具體要求，但這些指標(biāo)對(duì)手機(jī)用仿玉微晶玻璃是非常重要的，參考美國Corning公司研制的Gorilla玻璃的彈性模數(shù)為71～76 GPa，剪切模數(shù)28～31 GPa, 維氏硬度（Vickers 、200 g負(fù)荷）未進(jìn)行化學(xué)增強(qiáng)前為530～540 kgf/mm2， 化 學(xué) 增 強(qiáng) 后 達(dá)639～650 kgf/mm2，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度＞250 MPa，抗摔性可以經(jīng)受連續(xù)15次從1 m高度跌落到地面而不碎［7］。仿玉微晶玻璃的強(qiáng)度完全能達(dá)到或超過此水平。

手機(jī)用玻璃的強(qiáng)度，特別是抗摔性往往達(dá)不到使用者的要求，仿玉微晶玻璃不僅外觀、顏色靚麗，而且抗摔性有顯著的提高。

2 用于手機(jī)仿玉微晶玻璃的制造工藝

2.1 成分和工藝優(yōu)選的原則

根據(jù)手機(jī)用仿玉微晶玻璃的要求設(shè)計(jì)微晶玻璃成分和制造工藝制度。設(shè)計(jì)仿玉微晶玻璃成分要達(dá)到預(yù)期主晶相的組成、晶體粒度、晶相結(jié)構(gòu)以及晶相含量。

和田玉特征是羊脂白色，質(zhì)地細(xì)膩，具有油脂光澤呈微透明。按此特征首先考慮析出的主晶相應(yīng)該是羊脂白色，微晶玻璃要得到此種白色十分不易，基礎(chǔ)玻璃的羊脂白色并不等于研制出的微晶也是同樣顏色，因此在設(shè)計(jì)成分時(shí)必須選擇晶化后析出晶體的色澤。

質(zhì)地是否細(xì)膩與微透明和析出晶粒大小有密切關(guān)系。在晶化和核化時(shí)必須控制析出晶粒大小，在1 μm以下，透明性則要求晶粒大小不超過可見光波長，一般在400 nm以下，而且此種微粒要有一定的比例，比例太大則透明度太高，反之則透明度降低。透明度與玻璃相有一定關(guān)系，但不是主要的，一般很少用玻璃相比例調(diào)節(jié)透明性。仿玉微晶玻璃的強(qiáng)度和抗摔性與微晶玻璃中晶粒的數(shù)量及大小對(duì)其強(qiáng)度有很大的影響，相互之間關(guān)系式為［8］：

式中：s—微晶玻璃強(qiáng)度；

K—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；

d—晶粒尺寸。

晶粒愈細(xì)，則強(qiáng)度愈高。

晶粒大小對(duì)玻璃中Griffith裂紋的長度和擴(kuò)展也有影響，晶體顆粒愈小，Griffith裂紋愈短，因?yàn)榱鸭y的擴(kuò)展被顆粒界面所阻擋。

除了晶粒的尺寸外，晶粒結(jié)構(gòu)也是很重要，如粒狀晶粒相互之間呈交叉互鎖排列則強(qiáng)度最高，如圖1所示。

至于選擇晶化、核化溫度，不僅對(duì)控制晶粒粗細(xì)而且對(duì)微晶玻璃的透明性有決定性的作用。

2.2 仿玉微晶玻璃成分與工藝

現(xiàn)有公開仿玉石型微晶的專利［9］中，其成分（ 質(zhì) 量 分 數(shù)） 為SiO245.0%～75.0%， Al2O31.0%～25.0%，RO（堿土金屬物）0～20%，R2O （ 堿 金 屬 氧 化 物） 3.0%～15.0%， TiO20～4%，ZrO20～2.5% F 0～8.0%，其余為助熔劑和澄清劑，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，熔好的玻璃液用壓延法、平拉法或浮法制成平板，也可澆注成塊或水淬成微球。

將成形的玻璃板、塊或微球加熱到600～800 ℃，核化2～8 h，然后升溫到700～1 150 ℃，晶化2～10 h，再在100～800 ℃退火1～20 h，慢冷出爐。

根據(jù)不同的成分和核化、晶化溫度，得到主晶相為槍晶石、黃長石、霞石、透輝石和b-石英中一種或一種以上，次晶相為硅灰石和鋰輝石的一種或兩種，該次晶相的最大晶粒尺寸等于或小于可見光。

按上述成分和工藝得到仿玉微晶玻璃密度為2.6～2.7 g/cm3，莫氏硬度為7，可見光透過率25%～90%，抗彎強(qiáng)度72～120 MPa。

按照此專利的技術(shù)已組建了生產(chǎn)線，進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，由于是仿遼寧紅山玉，達(dá)不到和田玉的羊脂白色及微透明性。

另一份專利［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%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的配方中加入原料總質(zhì)量0.5%～5%難熔的0.1～0. 5 mm直徑碳化硅、鋯剛玉、 剛玉、氧化鉻顆粒，或直徑0 . 1 ～0 . 3m m、長 度1 ～3 m m 碳 化 硅、 鋯 剛 玉、剛 玉 纖 維， 在1 350～1 450 ℃熔化，成形后在600～650℃、0 .5～2 h 核 化，再 加 熱 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。在微晶玻璃中存在難熔化的顆粒 與纖維、隱現(xiàn)絮狀或纖維狀交織體，與和田玉結(jié)構(gòu)相似，但此專利未進(jìn)行生產(chǎn)。

在這些專利的基礎(chǔ)上，筆者對(duì)手機(jī)用仿羊脂玉微晶玻璃進(jìn)行了研制，采用Li2O- Al2O3- SiO2為主要成分，ZrO2和TiO2為晶核劑，析出主晶相為b鋰輝石［ LiAl（Si2O6）］固溶體，呈乳白色與羊脂玉的顏色相近，晶化溫度升高后則析出晶相為b石英固溶體［（Li、R）O·Al2O3· nSiO2］，其中R指離子半徑小的二價(jià)離子，玻璃呈透明狀。玻璃化學(xué)成分為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為澄清劑。玻璃熔化溫度為1 600～1 650 ℃。成形后進(jìn)行核化和晶化處理，晶化溫度750～800 ℃ 4～6 h，核化溫度850～1 000 ℃ 4～6 h。

制備的仿玉微晶玻璃硬度6.5～7，抗沖擊強(qiáng)度從高1.8 m自由下落到地面不破裂，四點(diǎn)抗彎曲強(qiáng)度 260～280 MPa。

除基體玻璃成分和晶相外，核化、晶化溫度制度是仿玉微晶玻璃研制的成敗關(guān)鍵，既決定了微晶玻璃強(qiáng)度又影響了透明性，只有通過不斷試驗(yàn)，才能找出適合不同成分的核化溫度和晶化溫度及相應(yīng)的保溫時(shí)間，以得到要求的性質(zhì)。

3 結(jié)語

近年來也有采用納米微晶陶瓷作為高檔手機(jī)的機(jī)身和后蓋的，納米微晶陶瓷燒結(jié)時(shí)間很長，機(jī)身和后蓋的薄片在燒結(jié)中易變形，仿羊脂玉微晶玻璃與其相比，仿羊脂玉微晶的基礎(chǔ)玻璃可以采用小浮法或溢流下拉法連續(xù)成形，生產(chǎn)效率高。仿羊脂玉微晶玻璃除了優(yōu)化晶相結(jié)構(gòu)及晶粒尺寸提高強(qiáng)度外，還可以通過離子交換進(jìn)行化學(xué)增強(qiáng)，進(jìn)一步提高抗摔性，進(jìn)行中試生產(chǎn)后，作為手機(jī)機(jī)身和后蓋還是有應(yīng)用前景的。