摺疊機螢幕的摺痕問題,本質上是材料疲勞的問題。當螢幕反覆彎曲時,彎曲區域的材料會累積塑性變形,最終形成永久性的摺痕。傳統解決方案是增加彎曲半徑,但這會讓手機變得更厚。
Samsung Galaxy Z Fold 8 Wide 採用了不同的思路:在螢幕下方增加一層金屬支撐板,讓它承擔大部分的彎曲應力,從而保護 UTG 玻璃和 OLED 面板。這個支撐板的材料選擇,是整個設計的關鍵。
金屬支撐板需要同時滿足三個相互矛盾的要求:
單一材料無法同時滿足這三個要求。不鏽鋼具有高強度和高彈性,但導熱性差(15 W/m·K)。銅具有高導熱性(400 W/m·K),但強度和彈性不足。只有將兩者結合,才能獲得理想的性能。
Galaxy Z Fold 8 Wide 的金屬支撐板採用三層結構:
| 層別 | 材料 | 厚度 | 功能 |
|---|---|---|---|
| 上層 | 不鏽鋼 SUS304 | 30μm | 提供強度和彈性 |
| 中層 | 純銅 C1100 | 50μm | 提供導熱性 |
| 下層 | 不鏽鋼 SUS304 | 20μm | 提供強度和保護 |
| 總計 | - | 100μm | - |
這個三層結構的設計原理是:不鏽鋼層承擔彎曲應力,銅層傳導熱量。通過調整各層的厚度比例,可以優化整體性能。
將不鏽鋼和銅結合成一體,最常見的方法是軋製複合。這個製程的關鍵在於:在常溫或高溫下,通過高壓軋製讓兩種金屬產生原子級的結合。
軋製複合的步驟如下:
這個製程的挑戰在於:不鏽鋼和銅的熱膨脹係數不同(不鏽鋼 17.3×10⁻⁶/°C,銅 16.5×10⁻⁶/°C)。在溫度變化時,兩種材料會產生不同的應變,可能導致分層。通過精確控制軋製溫度和壓下率,可以確保界面結合強度 > 200 MPa。
金屬支撐板在 20 萬次彎曲後仍然保持彈性,這個要求看似簡單,實則是材料科學的極限挑戰。彎曲疲勞的失效機制有三種:
層壓複合材料的優勢在於:界面可以阻擋裂紋擴展。當裂紋在不鏽鋼層中擴展時,遇到銅層會被偏轉或停止。這種「裂紋偏轉」機制大幅延長了疲勞壽命。
層壓複合材料的性能關鍵在於界面結合強度。如果界面結合太弱,材料會在使用過程中分層;如果結合太強,裂紋無法被偏轉,疲勞壽命反而降低。
Galaxy Z Fold 8 Wide 的金屬支撐板,界面結合強度控制在 200-250 MPa 之間。這個範圍是通過以下方法實現的:
金屬支撐板的另一個重要功能是散熱。OLED 面板在工作時會產生熱量,如果熱量無法及時傳導,會導致面板溫度升高,加速材料老化。
層壓複合材料的等效熱傳導係數可以通過串聯模型計算:
keq = (k₁t₁ + k₂t₂ + k₃t₃) / (t₁ + t₂ + t₃)
代入數值:
計算結果:keq ≈ 180 W/m·K,是單一不鏽鋼的 12 倍。
這個熱傳導性能足以將 OLED 面板的熱量傳導到機殼,降低面板溫度約 5-8°C,延長使用壽命。
金屬支撐板的層壓結構,給維修帶來了新的挑戰:
根據維修店的觀察,Galaxy Z Fold 8 Wide 的螢幕更換過程中,約 12% 的支撐板會在分離時損壞,需要報廢。這也是維修成本上升的原因之一。
Samsung Galaxy Z Fold 8 Wide 的金屬支撐板,是材料科學與工程設計的完美結合。通過不鏽鋼與銅的層壓複合,實現了高彈性、高強度、高導熱的三重目標。這個設計消除了摺痕問題,但也帶來了新的維修挑戰。
層壓複合材料的應用,代表了手機設計的一個新方向:不再追求單一材料的極致性能,而是通過多材料的組合,實現系統級的最優化。這個思路不僅適用於摺疊機,也將影響未來手機的整體設計。
對消費者而言,這意味著更先進的技術和更好的使用體驗;對維修產業而言,這意味著更高的技術門檻和更貴的維修成本。在技術進步的同時,如何平衡創新與可維修性,將是手機產業面臨的長期挑戰。