一种陶瓷手机外壳及其制备方法与流程

本发明涉及手机外观领域，特别涉及一种陶瓷手机外壳及其制备方法。

背景技术：

手机外壳作为重要的结构件，需要具备高强、耐磨、外观好、电磁屏蔽低等特点。目前作为手机外壳大多是玻璃、工程塑料及金属材质。玻璃材质易碎、不耐磨、易刮花，工程塑料质感较差、褪色不环保，金属材质硬度低、对电磁信号屏蔽较严重。陶瓷材料由于高强度、高硬度、抗氧化、抗腐蚀等优异的性能受到人们越来越多的关注，尤其作为手机外壳等结构件，不影响电磁信号的传输。此外陶瓷质感细腻，外观光泽度高，不容易被划伤或磨损，保证手机持久如新，能获得较好的视觉感受和触感享受。但陶瓷材料断裂韧性低，脆性大是其致命的缺点，另外陶瓷硬度大，加工困难导致成本高，如何低成本制备高韧性陶瓷外壳对陶瓷在手机外壳等领域的应用具有重要的意义。

对比文件1公布了一种氧化锆陶瓷手机外壳的制备方法，申请号为201510399285。该专利通过流延成型制备流延膜，然后在通过叠层、排胶烧结，cnc、研磨抛光工艺制备陶瓷手机外壳，但该工艺烧结后需要进行cnc处理，生产周期长，成型3d等复杂形状时后端加工困难，后端加工成本高。现有常规做法是直接做一个手机外壳块体，通过机械加工（cnc），加工出四面弧，由于陶瓷硬度大，这样的加工成本很高。另外常压烧结过程时间较长，烧结温度过高，导致晶粒容易长大，最终陶瓷的断裂韧性降低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种低成本制备高强度、高韧性、高硬度的陶瓷手机外壳的方法，该制备方法的后端加工量少，大幅度提高生产效率和降低产品成本。

本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种由上述方法制得的陶瓷手机外壳，该陶瓷手机外壳具有高强度、高韧性、高硬度的优点。

为达到上述技术效果，本发明提供了一种陶瓷手机外壳的制备方法，包括：

（1）将亚微米陶瓷粉体、分散剂、粘结剂和增塑剂溶于有机溶剂中，并进行球磨混合，形成均匀的浆料；

（2）将步骤（1）的浆料进行真空脱泡和流延成型处理，得到流延膜片，所述流延膜片的厚度为0.1-1.0mm；

（3）按照产品形状和尺寸设计模具，将步骤（2）得到的流延膜片微分为相应形状和尺寸的微分膜片，并把微分膜片在模具上叠片，再经过真空包装密封和等静压处理，得到生坯；

（4）将步骤（3）得到的生坯经过排胶烧结，得到具有预设形状和尺寸的陶瓷片；

（5）将步骤（4）得到的陶瓷片经过研磨抛光，得到陶瓷手机外壳。

作为上述方案的改进，所述模具包括第一模具和第二模具，所述第一模具设有凸台，所述第二模具设有凹槽，所述凸台和凹槽相适配；

作为上述方案的改进，步骤（3）包括：

按照产品形状和尺寸设计模具；

把流延膜片微切分成相应的尺寸和形状的微分膜片，所述微分膜片包括外壳主体微分膜片和外壳边框微分膜片；

在模具上喷涂脱模剂、硅油或者pet载带中至少一种；

将外壳边框微分膜片叠在第一模具的凸台上，在外壳边框微分膜片的上面再叠加外壳主体微分膜片，然后将第一模具和第二模具合模；

升温到60-70℃，将叠片后的微分膜片放入真空包装密封单元中保温5-15min，缓慢加压至80-150mpa，保压1-3min后缓慢泄压，脱模后得到生坯。

作为上述方案的改进，所述亚微米陶瓷粉体包含氧化锆、氧化铝中至少一种，所述氧化锆含有1-8wt%的氧化钇；所述亚微米陶瓷粉体的粒径为0.1-0.5μm。

作为上述方案的改进，所述有机溶剂为二甲苯、2-丁酮、无水乙醇、甲醇、甲苯、正丁醇、正丙醇、异丙醇、正己烷中一种或两种组成的混合溶剂，有机溶剂的质量分数为浆料总质量的20-30wt%；

所述分散剂为byk或磷酸酯中的至少一种，分散剂的质量分数为浆料总质量的0.1-1.0wt%；

所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，粘结剂的质量分数为浆料总质量的5-10wt%；

所述增塑剂为邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸二辛酯中的至少一种，塑性剂与粘结剂的用量比为0.4-1.2。

作为上述方案的改进，所述浆料的固含量为55-65wt%。

作为上述方案的改进，步骤（2）中浆料真空脱泡的真空度为0.01-0.2mpa，脱泡时间为2-15h。

作为上述方案的改进，步骤（4）包括：

生坯在排胶炉中以500-700℃/1h排胶，然后在高温烧结炉中烧结保温，得到陶瓷片；

其中，若亚微米陶瓷粉体选用氧化锆，其烧结温度为1350-1500℃，保温时间为1-2h；

若亚微米陶瓷粉体选用氧化铝，其烧结温度为1600-1680℃，保温时间为1-2h。

作为上述方案的改进，步骤（5）中，陶瓷片经过研磨抛光工艺得到最终形状的手机陶瓷外壳，不需要经过cnc加工工序，陶瓷手机外壳厚度为0.2-1.0mm。

相应的，本发明还提供由上述任一制备方法制得的陶瓷手机外壳。

实施本发明具有如下有益效果：

本发明通过常压烧结制备了大尺寸的陶瓷后盖，是一种净尺寸成型技术，不需要cnc加工工序，就可以加工得到2d、2.5d和3d等复杂形状，能满足不同规格手机的要求。其利用微分叠片，在制备大尺寸薄样品方面具有明显优势，能满足大规模生产，且后端加工量少且简单，能大幅度提高生产效率和降低产品成本。而且，本发明制备得到的陶瓷手机外壳具有高强度、高韧性、高硬度等特点。

具体的，本发明叠片分三个步骤，首先把流延膜片微切分成相应的尺寸和形状的微分膜片，微分膜片包括外壳主体微分膜片和外壳边框微分膜片；其次，将外壳边框微分膜片叠在第一模具的凸台上；再次，在外壳边框微分膜片的最上面再叠加外壳主体微分膜片，以达到边框和平板一体化的结构。本发明通过微切分和控制烧结收缩率，得到精准尺寸的外壳边框，为后面的成型奠定基础。再通过限定流延膜片的厚度，保证等静压之后外壳边框和外壳主体结合为一个整体，避免叠片等静压后的分层问题。

附图说明

图1是本发明模具的主视图；

图2是图1所示的左视图；

图3是图1所示的仰视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图以及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

本发明提供了一种陶瓷手机外壳的制备方法，包括：

（1）将亚微米陶瓷粉体、分散剂、粘结剂和增塑剂溶于有机溶剂中，并进行球磨混合，形成均匀的浆料；

所述亚微米陶瓷粉体包含氧化锆、氧化铝中至少一种，所述氧化锆含有1-8wt%的氧化钇。所述亚微米陶瓷粉体的粒径为0.1-0.5μm。优选的，所述氧化锆含有2-5wt%的氧化钇。亚微米陶瓷粉体的粒径为0.2-0.4μm。粉体粒径设置在0.1-0.5μm，是根据流延成型工艺和烧结之后成品的性能来设置的。粉体粒径太细，流延浆料固含量太低，导致烧结容易变形、开裂、烧不致密等现象产生。粉体粒径太大，一方面烧结活性降低不利于烧结；另一方面烧结时晶粒尺寸过大，陶瓷的断裂韧性、强度会降低。

本发明的骨料可以是氧化锆陶瓷粉体，也可以是氧化铝陶瓷粉体，还可以是氧化锆陶瓷粉体和氧化铝陶瓷粉体的混合物。当其为氧化锆陶瓷粉体和氧化铝陶瓷粉体的混合物时，二者可以以任意比例混合。

所述有机溶剂为二甲苯、2-丁酮、无水乙醇、甲醇、甲苯、正丁醇、正丙醇、异丙醇、正己烷中一种或两种组成的混合溶剂，有机溶剂的质量分数为浆料总质量的20-30wt%。优选的，所述有机溶剂为二甲苯、无水乙醇的混合物，二甲苯与无水乙醇的比例为4:1。或者，所述有机溶剂为2-丁酮、无水乙醇的混合物，2-丁酮与无水乙醇的比例为3:2。

所述分散剂为byk或磷酸酯中的至少一种，分散剂的质量分数为浆料总质量的0.1-1.0wt%。

所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，粘结剂的质量分数为浆料总质量的5-10wt%。本发明选用此粘结剂，可以保证在流延成型工艺中，具有良好的成膜性。

所述增塑剂为邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸二辛酯中的至少一种，塑性剂与粘结剂的用量比为0.4-1.2。本发明塑性剂主要是用于软化粘结剂，降低粘结剂的玻璃化转变温度。选用上述塑性剂，对所选粘结剂的软化效果较好。

所述浆料的固含量为55-65wt%，其用于配合流延工艺，保证流延膜片的质量，使其可以微分为相应形状和尺寸的微分膜片。若浆料的固含量大于65wt%，或者固含量小于55wt%，均不能保证流延膜片质量。

（2）将步骤（1）的浆料进行真空脱泡和流延成型处理，得到流延膜片，所述流延膜片的厚度为0.1-1.0mm。

其中，浆料真空脱泡的真空度为0.01-0.2mpa，脱泡时间为2-15h。

优选的，所述流延膜片的厚度为0.2-0.5mm，浆料真空脱泡的真空度为0.05-0.15mpa，脱泡时间为3-6h。

（3）按照产品形状和尺寸设计模具，将步骤（2）得到的流延膜片微分为相应形状和尺寸的微分膜片，并把微分膜片在模具上叠片，再经过真空包装密封和等静压处理，得到生坯。

其中，如图1、2、3所示，所述模具1包括第一模具11和第二模具12，所述第一模具11设有凸台13，所述第二模具12设有凹槽14，所述凸台13和凹槽14相适配。

具体的，步骤（3）包括：

按照产品形状和尺寸设计模具；

把流延膜片微切分成相应的尺寸和形状的微分膜片，所述微分膜片包括外壳主体微分膜片和外壳边框微分膜片，外壳主体微分膜片一般为平板，外壳边框微分膜片可以视最终产品的形状而定，一般为曲面边框；

在模具上喷涂脱模剂、硅油或者pet载带中至少一种；

将外壳边框微分膜片叠在第一模具11的凸台13上，在外壳边框微分膜片的上面再叠加外壳主体微分膜片，然后将第一模具11和第二模具12合模；

升温到60-70℃，将叠片后的微分膜片放入真空包装密封单元中保温5-15min，缓慢加压至80-150mpa，保压1-3min后缓慢泄压，脱模后得到生坯。

优选的，升温到62-68℃，将叠片后的微分膜片放入真空包装密封单元中保温7-12min，缓慢加压至90-130mpa，保压1-2min后缓慢泄压，脱模后得到生坯。

（4）将步骤（3）得到的生坯经过排胶烧结，得到具有预设形状和尺寸的陶瓷片；

具体的，将生坯在排胶炉中以500-700℃/1h排胶，然后在高温烧结炉中烧结保温，得到陶瓷片；其中，若亚微米陶瓷粉体选用氧化锆，其烧结温度为1350-1500℃，保温时间为1-2h；若亚微米陶瓷粉体选用氧化铝，其烧结温度为1600-1680℃，保温时间为1-2h。

优选的，将生坯在排胶炉中以600℃/1h排胶，然后在高温烧结炉中烧结保温，得到陶瓷片；其中，若亚微米陶瓷粉体选用氧化锆，其烧结温度为1380-1450℃，保温时间为1-2h；若亚微米陶瓷粉体选用氧化铝，其烧结温度为1620-1660℃，保温时间为1-2h。

（5）将步骤（4）得到的陶瓷片经过研磨抛光，得到陶瓷手机外壳。

具体的，陶瓷片经过研磨抛光工艺得到最终形状的手机陶瓷外壳，不需要经过cnc加工工序，陶瓷手机外壳厚度为0.2-1.0mm。

本发明通过常压烧结制备了大尺寸的3d陶瓷后盖，是一种净尺寸成型技术，不需要cnc加工工序。而现有的常规做法是直接做一个块体，通过机械加工（cnc），加工出四面弧，由于陶瓷硬度大，这样的加工成本很高且工艺复杂。

本发明分为选用原料、混料、真空脱泡、流延成型、微分叠片、排胶烧结、研磨抛光7步骤，来实现净尺寸成型。其中，微分叠片分为三个步骤：1、把流延膜片微切分成相应的尺寸和形状的微分膜片，微分膜片包括外壳主体微分膜片和外壳边框微分膜片；2、将外壳边框微分膜片叠在第一模具的凸台上；3、在外壳边框微分膜片的最上面再叠加外壳主体微分膜片，以达到边框和平板一体化的结构。本发明的难点在于：1、边框部分的分切工序，这必须控制烧结收缩率及分切边框尺寸，否则会影响后续叠片和烧结合体工艺，导致产品的强度、韧性和硬度达不到要求；2、边框和主体一体化成型后脱膜困难或者容易变形，解决方法是在模具凸台部分喷涂脱模剂、硅油或者pet载带中至少一种；3、叠片等静压之后容易分层（尤其是边框部分及边框与主体接触部分），解决方法是通过严格控制流延膜片的厚度，以保证等静压之后边框和平板结合为一个整体。

本发明的其他步骤，选用原料、混料、真空脱泡、流延成型为微分叠层奠定基础，而排胶烧结、研磨抛光则进一步加强产品的质量。上述步骤相辅相成，缺一不可，方可保证陶瓷手机外壳最终成品具有优异的性能，密度为6.04-6.08g/cm³，断裂韧性＞11.0mpa.m^1/2，维氏硬度hv10＞13gpa，抗弯强度＞1400mpa。

相应的，本发明还提供由上述任一制备方法制得的陶瓷手机外壳。所述制备方法的技术细节同上所述，在此不再赘述。

下面以具体实施例进一步阐述本发明

实施例1

（1）浆料配制：取10kg氧化锆粉体溶于5kg丁酮和无水乙醇的混合溶剂中，丁酮和无水乙醇的质量比为3:2，加入80g的byk分散剂，先球磨5h，然后加入825g粘结剂和536g塑性剂，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，塑性剂为邻苯二甲酸二辛酯，球磨24h混合为均匀的浆料。

（2）流延成型：将步骤（1）的浆料真空脱泡，真空度为0.1mpa，脱泡15h，流延成型制备0.2mm的流延膜。

（3）微分叠片：结合图一的模具尺寸和形状，按将步骤（2）中的流延膜片微分为与模具尺寸和形状匹配的膜片，包括外壳主体微分膜片和外壳边框微分膜片；

在模具上喷涂脱模剂；

将外壳边框微分膜片叠在第一模具的凸台上，在外壳边框微分膜片的上面再叠加外壳主体微分膜片，然后将第一模具和第二模具合模；

真空包封后放入温等静压机中等静压，等静压过程为先升温到60℃，放入包封好的坯体保温10min，缓慢加压至150mpa，保压2min后缓慢泄压，脱模后得到所需形状的生坯。

（4）排胶烧结：生坯放入排胶炉中600℃/1h排胶，转移至烧结炉中1470℃保温90min得到陶瓷片。

（5）机加工：将步骤（4）中的陶瓷片砂轮粗磨精磨，抛光机抛光后得到所述氧化锆陶瓷手机外壳。

实施例2：

（1）浆料配制：取10kg氧化锆粉体溶于5kg二甲苯和无水乙醇的混合溶剂中，二甲苯和无水乙醇的质量比为4:1，加入80g的byk分散剂，先球磨5h，然后加入825g粘结剂和742g塑性剂，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，塑性剂为邻苯二甲酸丁苄酯，球磨24h混合为均匀的浆料。

（2）流延成型：将步骤（1）的浆料真空脱泡，真空度为0.1mpa，脱泡15h，流延成型制备0.2mm的流延膜。

（3）微分叠片：结合图一的模具尺寸和形状，按将步骤（2）中的流延膜片微分为与模具尺寸和形状匹配的膜片，包括外壳主体微分膜片和外壳边框微分膜片；

在模具上喷涂硅油；

将外壳边框微分膜片叠在第一模具的凸台上，在外壳边框微分膜片的上面再叠加外壳主体微分膜片，然后将第一模具和第二模具合模；

真空包封后放入温等静压机中等静压，等静压过程为先升温到60℃，放入包封好的坯体保温10min，缓慢加压至150mpa，保压2min后缓慢泄压，脱模后得到所需形状的生坯。

（4）排胶烧结：生坯放入排胶炉中600℃/1h排胶，转移至烧结炉中1480℃保温90min得到陶瓷片。

（5）机加工：将步骤（4）中的陶瓷片砂轮粗磨精磨，抛光机抛光后得到所述氧化锆陶瓷手机外壳。

实施例3：

（1）浆料配制：取10kg氧化铝粉体溶于4kg丁酮和无水乙醇的混合溶剂中，丁酮和无水乙醇的质量比为3:2，加入90g的磷酸酯分散剂，先球磨5h，然后加入905g粘结剂和543g塑性剂，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，塑性剂为邻苯二甲酸二辛酯，球磨24h混合为均匀的浆料。

（2）流延成型：将步骤（1）的浆料真空脱泡，真空度为0.1mpa，脱泡15h，流延成型制备0.3mm的流延膜。

（3）叠片与排胶烧结：结合图一的模具尺寸和形状，按将步骤（2）中的流延膜片微分为与模具尺寸和形状匹配的膜片，包括外壳主体微分膜片和外壳边框微分膜片；

在模具上喷涂脱模剂；

将外壳边框微分膜片叠在第一模具的凸台上，在外壳边框微分膜片的上面再叠加外壳主体微分膜片，然后将第一模具和第二模具合模；

真空包封后放入温等静压机中等静压，等静压过程为先升温到60℃，放入包封好的坯体保温10min，缓慢加压至150mpa，保压2min后缓慢泄压，脱模后得到所需形状的生坯。

（4）排胶烧结：生坯放入排胶炉中600℃/1h排胶，转移至烧结炉中1650℃保温2h得到陶瓷片。

（5）机加工：将步骤（4）中的陶瓷片砂轮粗磨精磨，抛光机抛光后得到所述氧化铝陶瓷手机外壳。

实施例4：

（1）浆料配制：取10kg氧化铝粉体溶于4kg丁酮和无水乙醇的混合溶剂中，丁酮和无水乙醇的质量比为3:2，加入90g的磷酸酯分散剂，先球磨5h，然后加入905g粘结剂和815g塑性剂，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，塑性剂为邻苯二甲酸丁苄酯，球磨24h混合为均匀的浆料。

（2）流延成型：将步骤（1）的浆料真空脱泡，真空度为0.1mpa，脱泡15h，流延成型制备0.5mm的流延膜。

（3）叠片与排胶烧结：结合图一的模具尺寸和形状，按将步骤（2）中的流延膜片微分为与模具尺寸和形状匹配的膜片，包括外壳主体微分膜片和外壳边框微分膜片；

在模具上喷涂pet载带；

将外壳边框微分膜片叠在第一模具的凸台上，在外壳边框微分膜片的上面再叠加外壳主体微分膜片，然后将第一模具和第二模具合模；

真空包封后放入温等静压机中等静压，等静压过程为先升温到60℃，放入包封好的坯体保温10min，缓慢加压至150mpa，保压2min后缓慢泄压，脱模后得到所需形状的生坯。

（4）排胶烧结：生坯放入排胶炉中600℃/1h排胶，转移至烧结炉中1680℃保温2h得到陶瓷片。

（5）机加工：将步骤（4）中的陶瓷片砂轮粗磨精磨，抛光机抛光后得到所述氧化铝陶瓷手机外壳。

将实施例1-4所得的陶瓷手机外壳进行技术检测，性能分别如下：

需要说明的是，所述密度、强度、硬度和断裂韧性采用下述测试方法进行：1、所述密度采用阿基米德排水法测量；2、所述强度采用四点抗弯法测量；3、所述硬度采用维氏硬度计测量；4、所述断裂韧性采用压痕法测量。

综上所述，本发明通过常压烧结制备了大尺寸的陶瓷后盖，是一种净尺寸成型技术，不需要cnc加工工序，就可以加工得到2d、2.5d和3d等复杂形状，能满足不同规格手机的要求。其利用微分叠片，在制备大尺寸薄样品方面具有明显优势，能满足大规模生产，且后端加工量少且简单，能大幅度提高生产效率和降低产品成本。而且，本发明制备得到的陶瓷手机外壳具有高强度、高韧性、高硬度等特点。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。