随着时代的发展，工业界要求炭材料有更加均匀的细颗粒结构和更加稳定的性能，在此背景下，人造石墨的行业先驱们开发了各向同性石墨。 这种石墨材料是通过冷等静压（CIP）成型，再经过烧结和高温石墨化，具有细微的颗粒和各向同性的结构和性能。现今，各向同性石墨已经被广泛应用于很多行业，比如快速淬火的热处理行业、快速发展的半导体行业、环境友好型的新能源行业、高精度要求的模具行业、要求极高可靠性的原子能行业。近两年高端等静压石墨又多了一个新的应用——用于制作热弯3D曲面玻璃的模具。

2016年3D曲面玻璃进入了快速发展的阶段，曲面屏幕更符合消费者的使用习惯，曲面屏的外观和手感更柔和，并且可添加更多的边沿虚拟快捷按键和提醒功能。目前，曲面显示器在佩戴设备方面 也有所应用，曲面显示器作为一种时尚，预计今后的使用将会更为广泛。

曲面玻璃是指整块玻璃不在一个平面上，通常有弧形、J形、V形、双曲面弯曲形、S形等。目前手机用曲面玻璃的形状比较少，常见的有双弧形、单弧形2大类。玻璃成分根据其性能要求来确定，通常有3种类型：第一种为碱铝硅酸盐成分；第二种为硼硅酸盐成分；第三种为钠钙玻璃成分。

1 石墨模具优势

现在主流的成型设备中用于制作热弯玻璃模具的材料需要有良好的热稳定性、耐磨、抗腐蚀、自润滑性、导热性、与热弯玻璃相近的热膨胀系数。良好的热稳定性能保证模具在多次反复高低温的使用中不产生明显变形。耐磨性与抗腐蚀性有利于减少模具表面细微脱落、凹坑等缺陷。自润滑性使得热弯过程及脱模时玻璃不与模具粘连。良好的导热性有利于玻璃被快速、均匀地加热，进而缩短热弯工艺时间，提高生产效率，均匀加热有利于避免玻璃热弯缺陷的产生。

除此之外该材料最好有良好的可加工性、经济性及可持续供应性，以期获得更好的性价比，并保证大量生产时可及时供应。从热弯设备研发阶段至今高端等静压石墨被认为是最适合做热弯模具的材料，相较不锈钢、陶瓷、钨钢等材料，石墨具有的特性评价最好。

等静压石墨，一般石墨化温度达到 3000℃左右，其热稳定性在高温真空炉的应用中已有长期验证，例如在热处理的气淬炉中作为加热器、工装治具等广泛使用，有时降温速率达到60~70 ℃/s，在反复使用中没有明显变形、开裂等缺陷。

高端石墨肖氏硬度可达75 以上，具有良好的耐磨性。石墨与大多数的酸、碱不反应，具有优秀的抗腐蚀性和自润滑性。

石墨具有良好的导热性，线膨胀系数与玻璃(该用途的玻璃一般常温到700℃的平均线膨胀系数在（6.5~7.5）×10-6/K)较为接近，具体数据可参考图1、图2。

2 石墨模具类型

常见的制作3D热弯玻璃的石墨模具有两模、 三模、多模、多模带玻璃珠设计。一般单弧形的曲面玻璃采用两模或三模设计居多，双弧形或更复杂曲面玻璃采用多模或多模带玻璃珠的设计居多。

图3（a）是两模设计的一个示范例，石墨模具主要分为上模、下模两部分，一般需要在上、下模的边沿增加台阶设计，用于定位，个别设计方案另加定位销。这种设计加工装片简单，节约石墨用料，但成型腔室较为敞开，对模具寿命、成型腔室外来颗粒控制、精确定位有不利影响。适用于简单的单弧 形曲面玻璃的热弯成型。 

图3（b）是三模设计的一个示范例，石墨模具主要分为上模、中框、下模3部分，一般需要在三者间设计台阶或销子定位。相较两模的设计石墨用材略多，加工工时略长，不易碰片（玻璃片）、滑片，不易碰坏模具成型面，模具寿命、成型腔室外来颗粒控制、精确定位较好。一般用于单弧形曲面玻璃的 热弯成型。

图3（c）是多模设计的一个示范例，石墨模具比较复杂，主要部件一般包含下模、中框、上模、定位销、特殊成型压片、特殊辅助定位块等。相较两模和三模设计石墨用料更多，加工工时更长，装拆模具更繁琐，主要是对应一些较复杂或高要求单弧形或双弧形曲面玻璃的热弯，一般对简单模具难以解 决的热弯缺陷有所改善。

图3（d）是多模带玻璃珠设计的一个示范例，石墨模具比较复杂，主要部件一般包含下模、中框、上模、定位销、玻璃珠、特殊辅助定位块等。与多模设计的最大区别是在下模位置添加了玻璃珠的放置孔位，每次热弯前装片时需放入适当数量适当大小的玻璃珠 （手机玻璃热弯一般放入4~12颗直径9mm左右的玻璃珠），热弯后需取出已变形的玻璃珠。一般相较多模设计而言热弯成本更高，主要对应双弧形及其他复杂的曲面玻璃的热弯。

3 设计方法

3.1 背面浅槽设计

在石墨模具背面（非成型面）开适当数量的浅槽可以有效减小整体的低气压面积，避免吸附作用。现阶段市场上的热弯设备多是采用耐热合金板（如图4中的1和4）接触石墨模具的背面（如图4中的2和3），对石墨模具进行加热、加压、冷却处理。为了尽量控制好加热、加压均匀性、加热速度，合金板与石墨模具的接触面需精确控制平面度，一般需控制到0.05mm以下。出于同样的原因，石墨模具的背面亦需做相同的管控。 所以一般在工艺过程中模具与合金板的接触面贴合非常好，经过前几个预热、加热、加压处理需退火冷却至常温，在较快的冷却速度下2个贴合大面易形成较多的局部低气压 面而产生吸附效果，影响模具的正常工艺流转。 

3.2 定位间隙设计

给石墨模具设计定位尺寸时需根据玻璃材料、石墨材料的膨胀系数、热弯温度计算膨胀量，预先留出合适的间隙，一是避免高温膨胀带来过大的热应力及变形；二是避免 CNC 平板玻璃在模具内部滑动太大，在热压过程中造成成型偏斜、划伤等不良。

膨胀量差异的计算公式：

ΔL=（αl1-αl2）×L×（T-T0）（1）

式（1）中ΔL膨胀量差值；αl1为玻璃常温到热弯温度的平均线膨胀系数；αl2为石墨常温到热弯温度的平均线膨胀系数；L为待计算尺寸的常温数值；T为热弯工艺的温度；T0为初始温度。

复杂形状时膨胀方式比较复杂，建议用软件做有限元分析，直观地了解各位置的膨胀情况。

3.3 平板玻璃 CNC 尺寸的确定

常见的待热弯玻璃各处厚度是均匀的，设计时一般可先按照曲面玻璃产品的延展尺寸试压，根据多次热弯品的尺寸分布情况和热弯经验微调石墨模具，以获得最佳的CNC尺寸。

3.4 排气孔的设定

目前3D热弯玻璃良品率一直是让大部分生产厂家头疼的问题，影响良品率的一个重要因素是麻点，麻点的产生原因现在较为公认的有3个：一是石墨模具材料不符合热弯需求，颗粒度（一般要求4μm及以下）太大，有明显肉眼可见气孔，玻璃软化后易在大颗粒和气孔处造成凹凸点；二是石墨因原材、加工、使用环境等原因掉粉厉害，粉体颗粒夹杂 在成型面间造成玻璃凹凸点；三是热弯时玻璃和石 墨在高温下有气体逸出，排出不顺畅，在逸出量大的位置造成较明显的凹凸点。 3个原因都需要在石墨的选材、加工存放、使用等过程中做细致的管控，第三点则可在模具设计时做改善，即增加特定的排 气孔或排气槽设计。排气槽的设计有2点原则：保证成型腔室与外界气体的顺利流通，尽量减少大的外来颗粒进入成型腔室。

4 展望

业内预测，石墨在手机、汽车、穿戴设备的3D曲面玻璃方面的应用在2017年将进入一个爆发期，目前，产业链上的各方都在积极研发提升，石墨模具方面各供应商在不断探索创新，一方面新的曲面玻璃造型不断推出，对石墨模具设计提出更多新的要求； 另一方面新石墨材料的研发评估各主要原材供应商正在竞时竞价，例如纳米陶瓷涂层材料、类石墨烯涂层材料。相信从业者会给我们带来更多的惊喜，期待曲面屏给人们带来更大更多的感官盛宴。

来源:炭素技术    作者：熊云虎 黄健