iPhone 使用的「液态金属」到底是什么


知乎用户,室内设计/服装设计/制造工程/器材党/

本文可能略有点重口,小清新慎入

我尽力通过简(hao)单(wu)通(jie)俗(cao)的语言,描绘“液态金属”的铸造、性质,前面会有大量的知识铺垫,因为我对中国制造工程教材并不熟悉,所以有很多词汇直接引用的英文词汇,就当是扩展词汇量吧……

如果对于前文知识点不太感兴趣的,可以直接跳到最后看结论(虽然一定看不懂),但是个人建议通读全文,毕竟,来知乎,是为了长(chui)知(niu)识(bi)是吧?弄个一知半解也不太好意思说出去……

最重要的……我写了这么久这么多你不看好意思么……好意思么……

前言

受启发于 @张茂 和 @张一刘 ,因为他们两个的答案最初看到觉得完全矛盾,后来仔细查询了,才发现他们两个人都是说的对的,只是受限于环境,都没有说全面而已。看得出来,张茂同学确实是研究液态金属的,但是由于没有接触到 iPhone 的生产过程,所以不明白 iPhone 的液态金属用在了何处,而张一刘先生则是接触了 iPhone 的外壳生产,所以能够具体到 Al 所用型号(感谢张先生透露的这一点点信息,足够我完成查证了),但是因为 iPhone 生产部件的代工厂分布过散,张先生一样没有知道液态金属的应用部件。

Amorphous Alloy 就是 iPhone 所用材料的统称,其中 Amorphous 是指的非晶态的,Alloy 则是指的合金。而这一材料由于生产困难,工艺要求高,并没有能够用于 iPhone 的外壳,而是用在了 iPhone 的 SIM 卡托取卡针部分。这一部分,是由美国 LiquidMetal 公司生产(液态金属名称的由来),所以可能张先生没有接触到。

(取卡针)

这就是非晶态金属的真身了,在没有接触过之前,很多人会误以为液态金属长成这样:

或者,这样:

哦,不对,应该是这样:

甚至有人在看到苹果采用液态金属的新闻后说了这么一句话:

这个……脑洞太大完全堵不住……

所以我来结束这一切。

正文

要说液态金属,我们首先得从普通金属说起:

作为一个读过初中的好孩子,我们知道,金属由金属键链接,被老师们描述为:

Positive ions surrounded in a sea of electrons.

即金属阳离子沉浸在自由电子的海洋中。

金属键会影响金属以下几个特性:

  • Hardness
  • Melting point
  • Strong
  • Tough
  • Malteable
  • Electrically conductive
  • Thermally conductive

其中,对于日常使用,我们主要关心:

  • Hardness
  • Strong
  • Tough
  • Malteable

其余的,除非特殊用途,一般生活中不会存在太多的影响。

  • Hardness

硬度,被描述为材料抵抗永久性损坏(刺穿、缺损)的能力。说白了,就是你手机哐当一下掉地上,拿起来的时候,外壳上有没有划痕。

这中间,损坏这个种类,初中老师也说了(初中老师好伟大……),分为 Elastic Deformation(弹性形变) Plastic Deformation(塑性形变)。

那么思考一下,同样是受力为什么会出现这两种区别?

初中老师这个时候不管用了,因为初中知识只能告诉你,受力超过了材料的弹性限度,物体就发生塑性形变了,那么,为什么?

万能的大学老师出现了,大学老师说,因为原子出轨了

(原谅我找不到原子……)

本来,大家应该是端端正正做好,比如如下面这样:

嗯,很规矩,但是受到外力作用,出现了上面几个“王.八.蛋”,于是大家就走散了……

认真点说,这叫原子发生永久性位移,那么位移发生之后,为什么材料会改变性质和形状呢?

下面,要引入一个概念:

  • Crystallinity

抱歉我也拿不准这个的中文叫什么,叫结晶性( 谢谢@张小鱼怒 )……

这个 Cristallinity 是什么,其实就是元素中,原子排列的形式,我们可以想象,金属内部如果放大,不会是乱成一锅粥的,这是它的天然属性,即有 Distinct crystal lattice structure。但是,并非所有的物体,都有这个 Distinct crystal lattice structure,比如玻璃、陶瓷等等 Ceramics(无机非金属)材料或者 Polymers(有机高分子)材料。

所以,往下又会分出三种类型的材料:

  1. Crystalline 晶体
  2. Semi-crystalline 半结晶体
  3. Amorphous 非晶体

这个时候,看到 Amorphous,应该知道我们的液态金属 Amorphous Alloy 属于哪一类了吧?

回到之前的 Cristallinity,为什么要提及这个 Cristallinity,因为它决定了原子排列的有序程度,而根据生活常识,我们知道,一间房间越有序,是不是要想让它变得混乱越容易?

这就是原因,物质总是倾向于从有序变为无序,从高能变为低能。

为了更好的理解,以作为 Crystalline 的金属,又可以在 Atomic Crystalline Formation(原子晶体结构)上,分为下面三种( @左昊诚 谢谢你提供的翻译,但是感觉直译的名字不如缩写好记):

  1. Body-Centered Cubic (BCC)
  2. Face-Centered Cubic (FCC)
  3. Hexagonal Close Pack (HCP)

很烦有木有,好吧我也很烦,尤其最后一个的读音……

首先根据图片在脑袋中想象一下,不要单纯的只看一张图,要尝试想象大量同样的结构拼接之后会怎么样,然后我分别解释一下:

  • Body-Centered Cubic (BCC)

因为是以一个原子为中心的正方体,所以很多的类似结构组合之后,会出现大量原子 Overlap(应该翻译为重叠),因为每一个原子,都可以作为周围 8 个原子的中心。所以!每一个原子的各个方向的受力都是均匀的,因此需要更大的力使其发生 Plastic Deformation(塑性形变),因此,Hardness 很高(但是不比 Ceramic 高,原因等会说)。同样的,它的 Strong 和 Tough 都很强,但是,这就导致了这一结构的金属 Ductility(延展性)并不是很强,三种结构中,属于中间水平。

主要为这一结构的材料,是 Steel(钢)(含铁),为什么我要用英文,因为之后会有钢的表示法。

  • Face-Centered Cubic (FCC)

可以想象的出,因为不存在 BCC 中的重叠结构,那么内部受力就是不均匀的。内部出现矛盾,表现出来就是容易瓦解。也导致它存在大量的 Slip Planes(在知乎上提过问,翻译过来应该是滑移面),这个 Slip Planes 等下说。因此,它的硬度比 BCC 要低,Strong 和 Tough 也都要低些,但是反过来,它的 Ductility 很好,适于成型和加工。

主要为这一结构的材料,是 Aluminum(铝,简称 AL)

记住这两个主要材料的分类,就可以记住这两个结构 BCC 和 FCC 的大概性质。

  • Hexagonal Close Pack (HCP)

这个很特殊,中间层和上下层不链接,上下为 FCC,中间为 BCC,所以它有 BCC 的硬度,Strong 和 Tough。你以为它结合了 BCC 和 FCC 的全部优点吗?你真是想太多啊……如果真的有,那我们就可以一起造钢铁侠了……它的缺点,就是比 BCC 还低的 Ductility,以至于可以用 Brittle(质脆)形容性质。

* 刚刚提到了一个 Slip Planes,这个东西是这么被定义的:

Slip planes are essentially paths of least resistance through which atoms are able to move, to compensate for applied loads and forces.

说白了就是一个滑不溜鳅的面,然后王.八.蛋们,哦,不对,原子们受力后可以在上面从这里跑到那里。

这个面存在的越多,原子就越容易移动,原子越容易移动,材料就越软。

然后呢,我们开始讨论一下比原子更宏观一点的一种结构:

  • Grains(精子,不对,万恶的输入法,晶粒)

The basic crystalline unit, or unit cell, is repeated, as illustrated

这个东西,就是晶粒:

这些晶粒的形成,是这样来的,如同搅基一样,一开始是两个原子觉得合适,然后他们在一起了,这是正常的,之后遇到了第三个,觉得不错,三个人就在一起了,这就是 3P,然后又走啊走,见到第四个人,顺理成章的,4P 了,随着人数的增加,慢慢的就是 5P,6P,7P……一直到 100P,1000P 都可以继续下去,大家一起搞来搞去就把事情搞大了。

但是,随着人数的增加,每个人喜欢的姿势和角度都不一样(Alignments or Orientations),有的喜欢上下,有的喜欢前后,有的喜欢 69,搞来搞去各种姿势扭曲在一起,就形成了 A Polycrystalline Solid。但是,由于大家都是同一种东西,除了某些人外,这个主要的结合部位(化学键)和方向(键角)基本还是一致的,这就保证了晶体结构基本还是在三个里面不停的转。

于是搞出了下图这种东西:

这就是乱伦的社会……然后不同的大大小小(Size)乱伦社会因为外力和内力的原因在 Grain Boundaries(晶界)碰到了一起,就有一次的一起乱伦……于是形成了上图所示的东西。

因为毕竟大家口味不同,所以还是会有小小的不合适,所以存在这种 Dislocations(错位):

当然这些不重要,我只是一说而已。

休息一下

上文我们讲述了这么几点:

  1. 三种不同的晶体结构有各种不同的性质;
  2. 金属内部的结构可以重组(一起散场,然后再换不同的伴侣);
  3. 同一种金属,也有不同的晶体结构、晶粒大小和错位。

接下来,讨论一点合金和无机非金属:

合金分为:

  1. Ferrous Alloys(含铁合金)
  2. Non-ferrous Alloys(不含铁咯)

其中,Ferrous Alloys 在 iPhone 中的应用,是 Steel(钢);而 Non-ferrous Alloys 在 iPhone 中的应用,是 Aluminum(铝)。

,又分为 Low / Med / High Carbon Steels:

  • Low-Carbon Steel
  • 含 Carbon(碳)量少于 0.20%
  • Med-Carbon Steel
    含 Carbon 介于 0.20%~0.50%
  • High-Carbon Steel
    含 Carbon 介于 0.50%~1.0%
  • Ultra-High Carbon Steel (Cast Steels)
    含 Carbon 介于 1.0%~2.0%
  • Cast Iron (铸铁)
    含 Carbon 超过 2.0%

这里,我们知道,Carbon,即碳,可以和铁 Fe 在加热时,变成 Fe3C,这个东西是一个很特殊的 Intermetallic Compounds,硬度很高,但是基本没有 Ductility。和铁混合后,能够极大的改变铁原有的性质,体现在 Carbon 含量越高,钢的硬度越高,但是质地越脆。

这里介绍一下钢的读法:

比如 1018 Steel,前两者 10XX,是告诉我们刚里面有哪些元素(钢不止可以加碳,还可以加 Chromium 铬增加硬度和抗腐蚀性、Copper 铜增加机械加工性、Manganese 锰降低易碎程度、Molybdenum 钼稳定碳化物并且阻止晶粒增大、Nickel 镍可以增加韧性和抗腐蚀性、Vanadium 钒可以在稳定韧性的同时增加强度)

而后两个 XX18,则是告诉我们碳的含量,比如 18 就是 0.18% 的碳。

(写到这里去洗了个澡然后回来看到电脑上有页面顺手就关了……幸好有保存……吓死爸爸了……)

补充一个小知识:

Stainless Steels(不锈钢)分为三种:

  1. Ferritic(铁素体不锈钢)— —含有大量的 Chromium(铬),以至于不会变为 Austenitic(奥氏体),价格低,抗氧化性好。
  2. Austenitic(奥氏体不锈钢)— —含有 Nickel(镍),高韧性、高可塑性、低强度。
  3. Martensitic (马氏体不锈钢,谢谢 @闻志恒 )— —比 Ferritic 含铬量低,目前非均匀相(别问我相什么意思……又可以说一大截……简单来说就是均匀的、可定义结构的、可知化学成分的混合体或单质,比如空气,比如冰)中可制造的最硬的钢。

然后介绍 Non-ferrous Alloys,以为例子:

  • Corrosion Resistance(抗腐蚀)
  • Ease of Fabrication(易铸造)
  • High Electrical and Thermal Properties(高导电导热性)
  • Light Weight(轻,对比 iPhone 4/4S 和 iPhone 5s 就大概知道)
  • Strength at Elevated Temps(温度基本不影响强度)
  • Aesthetically Appealing(美观,铁什么的都黑不溜秋的)

以上特性,请结合 Al 的晶体结构理解

然后,在张一刘先生答案中提到的:

我很明确告诉你,iPhone 5 外壳不是液态金属,它采用的是由金桥铝业生产的 AL6063 T6 型号铝合金(铝挤而成),通过数控机床加工型腔,外形,再注塑将上中下三个金属块连起来,再用数控机床加工,中间省略了(怕担上泄密罪名)最后阳极染色,这个外壳就加工好了。
我能说液态金属阳极染色的工艺不行么,其实就是连 AL7075 阳极染色都有问题。

中的 AL6063 和 AL7075 是什么意思呢?

不同于钢,铝的读法是

X-X-XX

其中第一个数字和钢差不多,是用来定义所加元素种类的:

  • 1XXX – 99% Aluminum 基本是纯铝
  • 2XXX – Copper 加铜
  • 3XXX – Manganese 加猛
  • 4XXX – Silicon 加硅
  • 5XXX – Magnesium 加镁
  • 6XXX – Magnesium & Silicon 这是硅和镁
  • 7XXX – Zinc 锌
  • 8XXX – Other Elements

而第二个数字,表示合金中的元素或杂质极限含量的控制要求,如果第 2 位为 0,则表示其杂质极限含量没有什么特殊的控制要求,如果是 1~9,数字越大,控制的要求越多,一般情况下是 0。

最后两位数,和钢不一样,用于指明这一种铝在同类型中的数字。

所以,我们知道,iPhone 5 所用的铝,是硅镁铝合金。为什么用了 6063 而非 6061(强度更高),因为 6063 更适合挤压后抛光和阳极氧化上色。

介绍完了材质,我们讲讲 Strain(应变)和 Stress(应力)

  • Strain

A material’s deformation reaction to an outside force or load

指的是材料对于外力作用的变形反应,原子通过破坏晶体结构来补偿外力作用。

想象一下两个人(当然可以是 3 个 4 个甚至更多人)在一起获得生命的大和谐时,你们身下的那张床和床垫……

根据姿势的不同,Strain 还有不同的表现:

  • Compressive 压缩
  • Tensile 拉伸
  • Shear 扭曲

想想真是活色生香……

  • Stressσ

How a material internally distributes the applied load.

请再三注意这个词,internally,内部的。

也就是,你和你女朋友获得生命的大和谐时,床垫里面的弹簧分散向各个部分的力。

为什么要强调这一点,等会高潮部分会说。

正常情况下,Strain 和 Stress 是成线性关系的:

但是直到外力不断施加……

就会到达一个叫做 Yield Point(屈服点,谢谢 @张小鱼怒 )的点,这个点,就是材料内部原子开始(一定注意是开始)从原始位置移动到新位置的点。(也就是上图中两条线的焦点)

然后继续施压,就变成了这幅萎样:

是的……高潮了……

这个点,叫做 Ultimate Tensile Strength (UTS)(极限抗拉强度)……过了这座山,东西就断了……

这是常见的几种材料的各种数据……

其中铝还是用了比 6063 更高强度的 6061

好了废话说了一大堆,开始正式的说 Amorphous Alloy(非晶态金属,俗称液态金属)是个啥子玩意了……

最后一次铺垫,真的,我发誓

我们来了解一下怎么改变金属性质:

看过金刚狼的孩子们应该记得,金刚狼的身体里,被改造后是大量的超高密度合金(和美国队长的盾牌一样),在电影里,有这么一段对话:

将军说:你知道把金属注入你身体最难的是什么吗?

将军自己回答:是保持超高密度合金的液态(把液态的粘稠物注入金刚狼的身体……OMG……难怪金刚狼当时那么痛苦后来那么撕心裂肺的想找将军)

谁爆我菊花!

这种熔化金属再凝固的过程,就是我们改变金属的一种方法:

  • Heat Treatment

The controlled heating and cooling of materials for the purpose of altering their structures and properties.

两个元素把握好,就可以控制金属,人人都是万磁王:

  1. Temperature
  2. Rate of Cooling

怎么做呢?

一步步来

  1. 我们知道金属有 Distinct crystalline lattice structure,倾向于 Form Naturally
  2. 当合金合成时,作为溶质的原子溶解进作为溶剂的原子,像这样:
  3. 然后不断的加热(Tempetrature),金属会溶解,成为 Molten State
  4. 这个时候,如果让金属冷却下来(我没有说速率 Rate 哟),金属原子就会失去能量,开始形成固体
  5. 怎么形成?失去能量的低能金属原子会开始重新排列(高潮完以后能量低,然后重新找伴侣的找伴侣,换姿势的换姿势)。这个时候,称为 Nucleation Points。
  6. 然后,找好伴侣,换好姿势的原子们,又开始重新形成 Grains,至于怎么形成,请看前面……具体表现在,Grains 的大小在各个方面变大
  7. Grains 们又开始在 Grains Boundaries 遇见其他的 Grains,逐渐形成新的金属。

前面留了个坑,这个金属冷却的速率和温度都是改变金属性质的重要元素对吧?那么,速率有哪几种?

  1. Full Anneal
  2. Normalized
  3. Quenched

这个我还把坑留着,等会再讲。

Heat Treatment 是一种方法,用于改变金属晶粒大小,但是这种加热并非唯一的方法,为什么?因为加热是为金属原子提供能量,是不是?只要能够提供能量,是不是我们也可以改变?

所以,如果我不停的去掰弯一根金属棒子(请不要想歪了),棒子会断是不是?

这就是第二种:

  • Strain Hardening

通过塑性形变,改变晶粒大小。

具体过程:

  1. 你得有一根硬棒子……
  2. 掰弯它……
  3. 在反过来掰弯它……
  4. 如此重复(请各位女同胞不要这样……很痛苦的)
  5. 这一弯一直,造成了大的晶粒不断的被折碎成小的晶粒
  6. 导致在 Grain boundaries 区域,内部的 Stress(应力)急剧增大(现在知道为什么前面反复强调应力是内部的了吧?)
  7. 应力与应变在一定程度上为线性(记得图吗?)
  8. 随着应变的增大,应力增大,然后 Grains 数量增加,大小减小,金属材料的整体 Ductility(延展性)下降(可以试试掰回形针,掰断以后你会发现断裂处很坚硬)
  9. 如果此时 Plactic Deformation 继续下去,那么就会造成材料的 Fracture。

这个时候,如果在第 9 步之前,我们为材料加热,热能会提供足够的能量给晶粒,以形成新的晶粒,那么就可以降低内部应力,提高 Ductility,材料不至于断裂,但是却被细分得足够小。

那么这个时候回到加热的速率问题:

先回忆一下晶粒大小对于金属性质的影响:

  • Smaller grains = Higher Hardness & Strength, Lower Ductility
  • Larger grains = Lower Hardness & Strength, Higher Ductility

现在回到之前提到的三种速率,不同的速率,会对同一种材料,造成截然不同的结果:

  • Full Anneal(最慢)

A material is heated above its phase transition temperature and allowed to slow cool inside of the furnace.

融化材料后,在烘箱中冷却(比如,针对 AL6061-O 可以从 940 摄氏度每隔 3 个小时下降 10 度),为原子形成晶粒提供足够的热量和时间,以形成足够大、整齐的晶粒。

产出来的东西,有足够的韧性。

  • Normalized(中间)

A material is heated above the phase transition temperature and allowed to cool in still air.

就是放在空气中冷却,不主动加热,也不主动降温。

左为 Full Anneal,右为 Normalized

  • Quenched(最快)

“Rapid” cooling of a material. Heat is removed from the material at an accelerated rate using various materials as a quenching media.

通过放在一些温度较低的媒介里,来达到急速降温的目的,比如:水、油、金属、沙子、高分子化合物等等……

这是 Martensite(目前最硬的钢,可以看出基本没有什么晶粒结构可言了)

好的,到这里,我们大概知道了,如果给金属的温度越高,冷却金属的速率越快,金属就会有越小的晶粒和越少的晶粒结构,直接影响就是越高的硬度和越低的 Ductility(延展性),反之则是更低的硬度和更高的延展性。

那么液态金属是什么?

是 Amorphous Alloy,非晶态合金,也就是说没有晶态结构,根本就没有晶粒,所以延展性低,但是相反的,硬度却极高,类似玻璃。那么为什么不用玻璃呢?因为玻璃基本没有延展性……Amorphous Alloy 虽然延展性低,但它依旧保留了部分的金属特性,包括有一定的延展性,只是针对常规晶态合金而言,低了不少。

这样的材料,用来做手机的外壳是相当合适的,既有超高的硬度(2.5 倍于钛合金,1.5 倍于不锈钢),又有一定的延展性不至于像玻璃一样稍微施加外力就会破碎,而且保持很轻的重量。但是问题在于成本过高,工艺要求高:

这是张茂同学简单的描述:

要么直接铸造急冷而成,要么在过冷液相区进行塑形加工而成。

解释一下,之前我们提到了 Martensite 是通过 Quenched 极冷铸造而成,那么假设一下,如果直接在金属保持 900 度以上高温的时候,瞬间降温会是什么结果?那么我们可以得到根本就是无序原子构成的合金,硬度也会远强于钢。

第二个问题是:面对大块的金属,怎么让金属内部和外部同时均匀、急速的冷却?这就是为什么苹果至今仍然没有将 iPhone 和 iPad 的外壳采用液态金属的原因。

为了达到这种条件,苹果甚至想通过反重力铸造来达到极限的冷却时间:

当然,理想总是好的,现实总是残酷的,我们现在也只能在 iPhone 的取卡针上看到液态金属的存在,希望有一天,不管是谁,能够找到相对简易的铸造方法,那个时候,也许 21 世纪就不会是“钛”的世纪而会是“液态金属”的世纪了。

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