筆記本電腦外殼工藝

1、【科普】筆記本外殼材料之二“羞澀”的鋁合金筆記本外殼材料之二“羞澀”的鋁合金雖然標(biāo)題如此，本部分準(zhǔn)備介紹兩種常用于筆記本外殼的合金材料，也是最為典型的輕合金一一鋁合金和鎂合金。鋁合金大家耳熟能詳，實在是一種爛大街的東西?，F(xiàn)在對生活追求高些的人們,家里日用東西一概不用塑料，要么不銹鋼，要么鋁合金，甚至連鋁合金都感覺低檔。實際上塑料如果做得好，其性能、外觀、手感絕對不遜于金屬制品。不過國內(nèi)塑料日用品大多是低檔到不行而已。題外話，不算字?jǐn)?shù)，哈哈。老實說，搞這么個系列性的東西還是有些托大了。畢竟對筆記本機(jī)殼，對真東西研究得實在少到不值一提，到底哪些型號用了是鋁合金，哪些用了鎂合金，都分別在哪些部位用的

2、，用得哪種型號的合金，實在是找不到資料，也沒弄來樣品做過分析。所能做的，只能是通過從事材料學(xué)專業(yè)教學(xué)研究幾年來的一點粗陋的認(rèn)識，對人們常見的誤解，對公關(guān)文案上常見的花火做些辨別而已，希望博樂于閱讀技術(shù)性文字的朋友一樂。從何說起呢？實在提不出個頭緒來，還是先講古吧。鋁是年輕的元素，從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在不到200年，從成功煉出鋁塊（早期在實驗室里得到的都是粉末或小球）到現(xiàn)在不過一百五六十年。從產(chǎn)業(yè)化的電解煉鋁法發(fā)明算，更僅有一百二十多年。要是從德國人阿弗列？威爾莫發(fā)明硬鋁，給了柔弱的鋁一副堅硬的筋骨，把它從廟堂請到車間，直接推動了航空、汽車、電力、建筑等重要工業(yè)的發(fā)展算起，也就將將一百多年，但是鋁極大地改

3、變了世界的面貌。二十世紀(jì)，是鋁的世紀(jì)。沒有鋁就沒有現(xiàn)代意義的航空工業(yè)，沒有航空工業(yè)，就沒有我們現(xiàn)在耳熟能詳習(xí)以為常的思維和生活方式。鋁質(zhì)輕，比重2.7左右，即便與更重的元素，如銅、鋅等合金化后，比重增大也不多。如果大量加入鋰后，比重甚至?xí)档?.0以下，比很多碳纖維和很多塑料都要輕。純的鋁是很軟的，延展性極好，但是強(qiáng)度不足以作為制造設(shè)備和零件的結(jié)構(gòu)材料。但是加入其他元素形成合金之后，利用溶解度隨溫度的變化，使這些高溫能完全與鋁形成溶液（當(dāng)然是固態(tài)的溶液，材料科學(xué)上叫做固溶體）的合金元素（例如常用的二系鋁合金中的銅），在低溫（指低到常溫范圍內(nèi)）下沉淀出來，形成沉淀相（叫法很亂，也有叫二次相的）。

4、當(dāng)然這個沉淀相的出現(xiàn)并不是說都像液體溶液中析出的沉淀那樣都沉到底部。在固體溶液中析出的沉淀相自然不可能受重力作用都沉到鋁合金錠子的底部，實際上它們會彌散地分布于鋁合金內(nèi)部組織各處。這些沉淀相會阻礙合金受力作用（如拉伸力、壓縮力、扭轉(zhuǎn)力、剪切力等）時，不同部位之間的相對滑移，使材料對載荷（實際上是對載荷引起的形變）表現(xiàn)出更大的抵抗力，我們就說材料有更高的強(qiáng)度。這就是鋁合金的強(qiáng)化原理一一沉淀強(qiáng)化。當(dāng)然某些鋁合金中也存在另外一種強(qiáng)化機(jī)制一一固溶強(qiáng)化，但是相對于沉淀強(qiáng)化作用較次要，也較少見。解釋起來又麻煩，恕我偷懶掠過了。沉淀強(qiáng)化的實際效果需要溫度的配合，也就是說把合金元素加到液態(tài)鋁中澆成錠子還不算完

5、，就像其他合金材料那樣，還要經(jīng)過合理的熱處理才能獲得理想的綜合性能。對沉淀強(qiáng)化鋁合金而言，其熱處理通常采用固溶+淬火+時效。抱歉，又出專業(yè)名詞了。簡單地說，固溶就是加熱，讓沉淀相（特別是分布得不理想的沉淀相）重新溶解，使整個大塊材料重新變成一個均勻的固體溶液。形成固體溶液之后，浸入水，或?qū)Ｓ么慊鹚巹┲写慊穑ù慊鸲紤?yīng)該知道吧）。淬火的目的是用激冷把固體溶液強(qiáng)制保持到低溫。而隨后的時效就是讓處于不穩(wěn)定狀態(tài)的過飽和固體溶液在人為控制的溫度（這個溫度一般不會超過200度）下保持一段時間（時間長短視最終要求的性能而定），在這段時間內(nèi)，過飽和固體溶液中的合金元素，其超過該溫度下溶解度的那部分就會以沉淀相的

6、形式析出來，析出越均勻，強(qiáng)化效果越理想。鋁合金，包括其他常用結(jié)構(gòu)金屬元素的合金化是歷久彌新的研究和發(fā)展領(lǐng)域。畢竟影響因素多不勝多，平平常常就能想到的，合金元素的種類和相對比例、熱處理各階段的溫度、時間等，這就多少個參數(shù)了。而且冶金研究經(jīng)常要在高溫工況下測量，對設(shè)備要求高，人也受累。材料的力學(xué)、理化性能檢測又是另一個大工程。比如航空發(fā)動機(jī)上用的那些材料，那一個的技術(shù)要求不是幾百個參數(shù)。所以一個新的合金，哪怕是老合金的新熱處理工藝的研發(fā)成功，都是了不起的成果。糟糕糟糕，一不留神又扯遠(yuǎn)了。趕緊回頭，說筆記本吧?，F(xiàn)在筆記本外殼用金屬材質(zhì)（或金屬基體里嵌纖維一一這個內(nèi)容放到第四部分纖維復(fù)合材料里介紹）的

7、，莫不宣傳自己用的是“鎂合金”，至少是“鎂鋁合金”果真？果然?當(dāng)初筆記本上用鎂合金，甚至是外殼用鎂合金的概念剛流行時，我也曾經(jīng)懷疑，嗤之以鼻過，逢人就給人糾正：“什么鎂合金，不過是高鎂含量的鋁合金罷了!噱頭，一切都是噱頭！”為什么我當(dāng)初那么堅決地否認(rèn)一切鎂合金應(yīng)用的宣傳呢？基于以下幾點似是而非的認(rèn)識：一、“鎂（及其合金）耐腐蝕性差呀！”這確實是有道理的。鎂、鋁和鈦并稱為三大輕金屬，它們的合金并稱三大輕合金系列。但是從各方面看鋁更像鈦，它們的耐腐蝕性都很好，原因在于它們在通常條件下表面都存在一種“鈍化”的作用。簡單地說，就是這兩種金屬及其合金的表面存在一層極薄，但是極穩(wěn)定致密，與基體金屬結(jié)合極好

8、，同時又有自修復(fù)效果的氧化物（對鈦而言，還有一部分氮化物，因為鈦可以與空氣中的氮氣自發(fā)地反應(yīng)，而鋁則不能）膜，這層膜起到了阻擋或隔絕外部侵蝕性環(huán)境因素的作用。鎂則是另外一種情況。鎂雖然性質(zhì)也極活潑，用刀切開鎂塊，錚亮的新斷口很快就變暗變糊了，就是快速地與空氣中的氧（可能還有水，至少吸附水會起一定的促進(jìn)作用。這里水深高人多，話還是不要說太絕對得好）反應(yīng)成膜。但是這個膜層結(jié)構(gòu)不好，它是疏松多孔的。不光不能起到隔絕防護(hù)作用，反而會因其多孔更加容易吸附水汽，加劇基體金屬材料的氧化損失一一也就是發(fā)生了腐蝕。正因為鎂合金的嚴(yán)重的腐蝕傾向，現(xiàn)在至少國內(nèi)的軍機(jī)和波音的新型號民機(jī)都禁止在結(jié)構(gòu)部位使用鎂合金（其他

9、的器材，比如電子附件盒等等用鎂合金的還是很多的）。其他的民用領(lǐng)域，比如汽車，因為沒有像飛機(jī)那么變態(tài)的可靠性要求（當(dāng)然一旦不可靠了，死人的風(fēng)險對當(dāng)事人而言無論多低都是不可接受的），只要想辦法做好表面處理，腐蝕防護(hù)，鎂合金因其比重輕（1.8左右，比鋁輕1/3）,強(qiáng)度方面還可以接受所帶來的減重、節(jié)油、安全等好處還是值得過的。比如國產(chǎn)桑唐納轎車從2000型開始就使用鎂合金鑄造的油箱了。但是啊但是，當(dāng)初就是只知其一不知其二，總感覺鎂合金氧化物生得不好，應(yīng)該不會像鋁合金那樣可以方便地通過陽極氧化（后面馬上說到）獲得優(yōu)良的耐腐蝕性。其實則不然，鎂合金的陽極氧化早就是成熟技術(shù)。甚至有一種更加簡便，效果也不錯的

10、表面處理方法，叫做微弧氧化的工藝，烏克蘭人早就連設(shè)備都賣到哈爾濱了。我?guī)熜趾髞硪查_始做微弧氧化，當(dāng)然是自己攢設(shè)備土法上馬，但是確實工藝簡單得要死，效果卻好得要死?？茖W(xué)研究，知難行易，張教授誠不我欺也！二、“鎂合金貴呀！”其實也沒多貴的。鎂儲量極豐，海水、鹽湖水抽上來，把氯化鎂分出來，跟鋁一樣電解就是。剛隨便在google上查了查所謂“媒體價”，國內(nèi)最常用的鎂合金AZ91D（是一種含Zn和Al的鎂合金）按噸走的價格平均到1公斤是32塊錢，而最常用的鋁鎂合金一一ZL30x系列公斤價是68元。當(dāng)然這個比較是不大可靠的，但是應(yīng)該說鎂合金就算貴也不會比鋁合金貴太多。當(dāng)然現(xiàn)在鎂合金的使用也逐漸多起來了，價

11、格或許會逐漸走高也說不定。所以啊所以，當(dāng)我在51nb上看t60拆解照片，結(jié)結(jié)實實地看到防滾架和A殼上的“castMg"（鑄鎂）字樣時，我驚愕：我錯了！我傻了！我土了！其實聯(lián)想到大和的傳統(tǒng)，以及日系輕薄本一貫追求極致的作風(fēng)，又怎會對鎂合金的應(yīng)用視而不見呢？6x系列上隨rollcage大方登場的鎂合金可能已經(jīng)是遲到了。那么，話說回來，到底有沒有“高鎂鋁合金”用到筆記本外殼上呢？慚愧，還是了解甚少?；蛟S現(xiàn)在就有，或許曾經(jīng)有過，也大多淹沒在泛濫的公關(guān)文案當(dāng)中而不可考了。特別是在表面防護(hù)問題的解決使鎂合金大行其道的今天，鋁合金會永遠(yuǎn)沒有大大方方出頭的日子了吧？先是被跑龍?zhí)椎模ɑ蛟S這樣說不太公平

12、，反正就是一樂，這個請別太較真）鈦，后是被鎂給搶了風(fēng)頭，換我也羞死了！但是，幸虧這世界還有Apple。Apple用鋁合金是有優(yōu)良傳統(tǒng)的，人家用鋁合金就大大方方告訴你是鋁合金。說到這里，或許應(yīng)該提醒下大家，Apple的powerBookG4可是有過Titanium系列的，不過這個Titanium是不是貨真價實估計也不可考察了。畢竟舊M時代的ThinkPad和Apple都是小眾產(chǎn)品（lenovo的TP有“賣”向大眾的意思，但是黑迷卻不太領(lǐng)情似的，人心難測），甚至筆記本都是小眾產(chǎn)品，對普羅大眾來說，了解筆記本、了解tp或Apple、下決心掏兩倍以上的銀子購買，心理上要跨越三大步才能到位。所以這Tit

13、anium,或許將永遠(yuǎn)如那傳說里的神祗一樣，只有被人頂禮膜拜的份了吧。為何Apple義無反顧地用鋁呢？簡單分析一下不難發(fā)現(xiàn)，Apple的powerbook其機(jī)殼設(shè)計簡潔到寒酸，哪像tp掉過底來，又是折角又是臺階的。形體越簡單，就越容易通過模鍛（就是在模具中鍛造）來成型，否則細(xì)節(jié)太多模具壽命會短到無法接受。而用壓鑄的辦法生產(chǎn)鋁合金，特別是筆記本機(jī)殼這種質(zhì)量要求比較高的產(chǎn)品，因為鋁合金熔點還是太高（純鋁的在660多度，鑄造用合金要低些），高溫下活潑的液態(tài)金屬氧化，造成鑄件氧化物夾雜的問題不太容易避免，廢品率會比較高（這些屬于不負(fù)責(zé)任的揣測了一一筆者謹(jǐn)注并向?qū)＜仪笞C），能耗方面相對鍛造也不合算。當(dāng)然

14、用鎂合金鑄造也會有這方面的問題。鍛造，則限制機(jī)殼設(shè)計，鑄造，則工藝問題多。沒有兩全其美，看哪個更加適合設(shè)計理念吧。鎂合金這種東西的腐蝕問題終究是它最大的罩門。鎂合金的應(yīng)用一直以來是受到腐蝕防護(hù)技術(shù)的限制。直到前一二十年，隨著陽極氧化的應(yīng)用和微弧氧化的發(fā)展，廠商才敢大大方方地用鎂。所以你看那些卡片DC一個賽一個地比著輕薄，一大部分原因都是因為用了鎂合金做殼。那么這個陽極氧化、微弧氧化到底是什么意思？不知道各位對電解知道多少?，F(xiàn)在至少有點化學(xué)基礎(chǔ)的人，平時略微留點心應(yīng)該會知道氯化鈉，也就是我們吃的食鹽中最主要的成分，另一個最大的用途就是用來電解，生產(chǎn)非常有用的兩種無機(jī)化工原料一一氫氧化鈉（俗稱燒堿

15、）和氯氣，同時還能副產(chǎn)氫氣。具過程就是在食鹽水梢子里頭插兩根鈦或釘或鏤或其他惰性材料制成的電極，電極分別接到強(qiáng)大的直流電源（匯流排都是小孩胳膊粗的）的正負(fù)極上，梢壓加上去，連電源負(fù)極的那個電極（這里一般稱為陰極）提供的電子就把水中的一個氫離子還原出來，兩個氫原子合并成氫氣，從陰極室跑出來。另外一端的陽極（也就是接電源正極的那個電極）從氯化鈉解離出來的氯離子那里強(qiáng)行奪走電子，把它氧化成氯氣，從陽極室里跑出來。這種過程，或工藝就叫做電解。如果電解能明白，陽極氧化就簡單了。其實就是把電解食鹽水的兩個電極中，其中作為陽極（也就是連接電源正極的那個）的材料換成要處理的鋁合金或鎂合金零件就是了。另一端隨便

16、用個碳或不銹鋼做陰極，反正是被電源負(fù)極供來的電子保護(hù)著，不會受到溶液的腐蝕。當(dāng)然梢子里的溶液就不能用食鹽水了，要換成專用配方的電解質(zhì)溶液。電流強(qiáng)度也要根據(jù)處理的零件的裸露面積調(diào)節(jié)。這樣，在合適的電流密度、溫度和電解質(zhì)溶液提供的化學(xué)環(huán)境構(gòu)成的組合工藝參數(shù)下，給梢子（或者說給零件）通一段時間的電，就會發(fā)現(xiàn)裸金屬錚亮的外觀變成烏突突毛糙糙的樣子了（可能說得嚴(yán)重了，但是確實很難準(zhǔn)確形容陽極氧化膜的外觀），這就是生成了陽極化膜的結(jié)果。陽極化膜生長的過程，正如其他很多用到爛大街的化學(xué)反應(yīng)一樣，說法并未完全統(tǒng)一，仍有一些模糊之處，當(dāng)然這并不妨礙我們放心大膽地用它們，自然也不妨礙我在這里大嘴胡說了?？茖W(xué)技術(shù)哪

17、有那么多弄得清楚明白的，真理姑娘身上最后一件貼身小衣服是永遠(yuǎn)可望不可即的。量子力學(xué)嚴(yán)密了那么多年，到了還不是讓海森堡弄出一個測不準(zhǔn)原理，大伙就都老實了？又扯遠(yuǎn)了?；貋砗唵握f說為什么會長出陽極化膜來。在電源正極的作用下，鋁上的電子被不斷奪走，表面的鋁原子不斷地變成鋁離子，接觸到水之后，發(fā)生水解反應(yīng)，生成從氫氧化鋁到羥基氧化鋁等不同的水解產(chǎn)物。在溶液的化學(xué)環(huán)境，和鋁的電位合適的時候，這些水解產(chǎn)物就會長成一種結(jié)構(gòu)規(guī)則致密的膜層。當(dāng)所有裸露的鋁表面都被膜層覆蓋之后，后續(xù)的生長過程就與電位無關(guān)，而僅與電流密度，和溶液化學(xué)環(huán)境決定的水解產(chǎn)物再溶解的速率有關(guān)了。最終形成的陽極化膜，從化學(xué)成分上說，是含有羥基

18、（-OH）的氧化物，因為畢竟是在水溶液中長出來的，帶個把羥基不稀奇。從結(jié)構(gòu)上說，鋁合金的陽極化膜是一種底層（就是直接附著在金屬材料基體上的）是連續(xù)致密，頂層呈蜂窩狀，帶有垂直于表面，互相平行，均勻分布盲孔的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的好處多多，第一，連續(xù)致密的底層起封閉、隔絕、阻擋作用，是防腐的最后一道防線；第二，多孔的頂層可以為后續(xù)涂裝的有機(jī)涂層（就是俗稱的油漆了，當(dāng)然現(xiàn)在的合成涂料基本沒桐油什么事了，都是環(huán)氧、聚氨酯等樹脂一一樹脂的概念將在本系列文章第三部分，塑料中解釋）提供“錨固點”，也就是說涂層固化成漆膜后，會像娛蚣一樣向陽極化膜的孔中長出無數(shù)條腿來，在陽極化膜上牢牢扎根，這樣結(jié)合力更好，否則漆一

19、起皮剝落，再好的涂料也白瞎了；第三，陽極化膜中的羥基，可以與環(huán)氧等涂層形成氫鍵作用，進(jìn)一步提高結(jié)合力，當(dāng)然這個概念有點深了，但估計學(xué)過大學(xué)化學(xué)的朋友們應(yīng)該至少還應(yīng)該記得氫鍵這個名詞，總之，記住這是不比機(jī)械貓合作用弱的一種作用就沒錯。正因為陽極化膜有這許許多多的好性質(zhì)，所以不管鎂合金，還是天然耐蝕性不差的鋁合金，現(xiàn)在基本上都是陽極化完了再涂漆來用。鎂合金不說它了，鋁合金雖然天然有鈍化傾向，但是自然生成的鈍化膜很薄，而且在表面沉淀相（剛解釋完的概念啊，忘了的話往前翻頁）“露頭”的地方，由于有其他合金化元素的干擾，鈍化膜生長得很不完整。所以還是老老實實一起陽極化完了，用著踏實，而且也不貴。陽極化工藝

20、根據(jù)所使用電解質(zhì)溶液配方的不同，可以分為硫酸陽極化、草酸陽極化、銘酸陽極化、磷酸陽極化等多種。不同工藝獲得的陽極化膜的成分、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、顏色等都會略有不同。據(jù)我所知，國內(nèi)飛機(jī)上鋁結(jié)構(gòu)件以前用硫酸陽極化得多（受蘇聯(lián)的影響），但是硫酸陽極化膜質(zhì)地脆硬，容易誘發(fā)鋁合金的疲勞損傷。現(xiàn)在由于長期給波音、龐巴迪等外航代工，受他們的影響，逐漸轉(zhuǎn)到銘酸陽極化工藝上來了。當(dāng)然六價銘是有毒的，需要注意勞動防護(hù)和污水處理，這一點從事機(jī)電、外貿(mào)行當(dāng)?shù)呐笥褌兌剂私?。如果鋁合金件需要進(jìn)行粘接，比如粘個蜂窩芯夾層板啥的，鋁合金就需要用磷酸陽極化來處理，因為獲得的陽極化膜膠粘性能最好。陽極化就說這么多吧。那么什么是微弧氧化呢

21、？簡單地說，把陽極化梢的兩個電極靠近，電壓升高，直到兩個電極之間的電場強(qiáng)度大到擊穿溶液，產(chǎn)生火花放電的程度，就差不多是微弧氧化了。當(dāng)然電解質(zhì)溶液還是不一樣，要加一些特殊的東西。微弧氧化操作的時候，在水中發(fā)生火花放電的景象還是有點小壯觀滴，。那么為什么要搞這么變態(tài)的東西出來？還是因為鎂的氧化膜生的不好。要知道，鋁的氧化物的密度比鋁小，也就是說生成的膜層因為膨脹的關(guān)系會擠緊，當(dāng)然其致密結(jié)構(gòu)基本上不能用這個理由來解釋了。但是反過來說，鎂的氧化物的密度反倒比鎂大，鎂氧化膜會因體積收縮的關(guān)系而變得疏松，結(jié)構(gòu)無論如何也是致密不起來的。所以鎂陽極化工藝一直不很成功。怎么解決呢？也不知當(dāng)初誰想得招，愣把給瓷器燒釉子的概念遷移過來了：既然鎂的氧化物疏松，我給它加個高熱，讓它熔融了，一變了液態(tài)，自然就把那些孔隙給填死了，就算填不死給它流平了也成，就像家里裝修刷涂料一樣，膩子有個把小縫沒關(guān)系，油漆流過去就都看不見了。