混合复合材料盖板：超薄电子设备的前沿防护方案

SABIC近期研究表明，1毫米厚盖板可满足超薄笔记本/平板电脑所有相关行业性能规范。来源，所有图片 | SABIC

消费电子市场迭代极快。从智能手机、手表、平板、笔记本，消费者想要更快速度、更久续航、更强耐用、更多功能，更低成本重量。为满足需求，OEM向供应商寻求高美学设计自由度、优异抗冲击、高刚度（暗示品质）、低重薄壁材料。也要高性价比、高重复性加工工艺，满足年产千万级全球产能。这些压力推动市场先向轻金属外壳/框架转型，现驱向金属/复合混合及全复合方案。

测试案例

自2012年起，SABIC（荷兰贝尔亨奥普佐姆）系列投资开发自有单向（UD）纤维增强热塑性复合带（见“向连续纤维增强演进”），延伸其短纤维注塑和长纤维热塑性（LFT）核心优势，拓展高性能热塑性复合领域。2015年收购带材制造商Fiber Reinforced Thermoplastics B.V.（FRT，荷兰莱利斯塔德）多数股权，2017年与Airborne（海牙）合作并小额投资，后者为机器制造商和复合生产线开发商。

SABIC与Airborne设计建设技术，快速低成本生产净成型高质量热塑性带基层压板，服务真正大批量市场（见“高速高产热塑性复合制造”），团队寻找测试案例。该演示器是重要营销工具，验证带基层压板经不连续纤维增强料包覆成型的设计概念；也测试团队为两种材料技术开发的预测工程工具；展示荷兰演进的高速制造工艺。

“我们决定专攻消费电子应用。”SABIC全球复合材料负责人Gino Francato解释，“该市场极有吸引力，因真实雄心向轻量材料转型让手机笔记本更轻更薄。且年产百万级，我们决定接受挑战。”

“我们决定从合理复杂但不‘太’复杂的开始。”SABIC全球应用技术资深科学家Scott Davis续述。超薄笔记本/平板顶盖——最终望延伸至手机部件——似良好切入点。“几何整体简单，长方形，仍须高美学、B面含连接特征等高复杂性。”Davis继续，“须极薄却满足行业常见挠度挑战。当然，还须通过复杂新制造工艺交付高一致性产品。”

因非实客户设计，仅做屏幕保护盖，用通用几何。Davis注：起切注塑模具做内部开发时，甚至不确定做平板还是笔记本盖，故设计兼容两者。“让复合方案就绪高产有很多挑战，”Davis补充，“其实很多事同步——带材开发、层压板开发、工艺开发——不能等所有定型再开始模具，所以最终成此设计。”基础设计定型后，团队聚焦细节：最佳浇口方式、层压板插件与包覆料重叠量、自动放置进模处理、两复合材料线性热膨胀系数（CLTE/CTE）失配应对、如何造易重复部件。

满足严苛要求

目标：开发1毫米厚上盖，提供高刚度，通过所有性能美学要求——尤其是行业常规中心点挠度测试，评估损坏底屏所需载荷。载荷/挠度要求因OEM/设备/型号异，典型40-120牛顿压力下挠度不超3-5毫米——模拟人站立时手指/手肘压盖载荷。许多行业应对策略是增厚壁厚，但此市场看重薄设计腾空间给大电池等组件而不增尺寸重量。故需不同设计策略防屏幕损伤——即选更硬材料（层压板插件）和几何设计（如注塑包覆筋条）。但先须定材料。

材料之一聚碳酸酯（PC）已广泛用于盖板等部件，因其优异美学和高抗冲。聚合物弱项是耐化学和抗划伤，但盖板常涂覆涂层/油漆/组合通常克服这些问题。

“超轻薄笔记本内部封装空间极宝贵，挠度和力学极关键。”Francato指出，“虽从成本想用玻纤增强，但为获所需刚度必须用碳纤维。”故所有评估带基层压板均为碳纤维增强聚碳酸酯变体——当时SABIC子公司FRT在开发中。

SABIC开发预测模型模拟层压板类型架构（含/不含包覆料）对成型件性能影响，报告预测与实验结果强相关。预测工程工具据称加速材料开发。

包覆料需不同路径。初始策略用长纤维LFT料，但因高美学要求、件尺寸、浇口策略等，短纤维复合料更贴切。另一问题是纤维类型。“短碳纤维注塑料很难兼顾高美学，”Francato续述，“所以包覆料我们看短玻纤增强牌号。”SABIC子公司LNP Engineering Plastics（美国宾州埃克顿）提供多款玻纤/PC牌号，美学刚度好，在设备OEM中流行，团队聚焦这些。

虽全非晶PC比半结晶聚合物少翘曲，团队仍担心高增强各向异性UD碳纤维带与低纤维载量各向同性短玻纤包覆料间CLTE差异。“如此薄壁，容错极小，CLT微差须审慎考量。”Davis解释。“甚至未涉及注塑常规关注：浇口位置、填充模式、保压、熔接线。所有因素经模拟和实测验证。”

选定材料后，SABIC工程师多轮模具填充、结构分析、翘曲模拟，评估层压板铺层、几何、材料组合，优化载荷/挠度测试刚度，兼顾其他性能成本要求。公司称开发全面精准复合建模工具（客户可用，运行通用结构/加工代码），能快速模拟层压板架构、包覆料成分、各种加工模具选项对成型件性能影响。工具据称预测与实测强相关，适合加速定制材料开发。

准备就绪

最终笔记本/平板盖板正面，用碳纤维增强聚碳酸酯带基层压板插件包覆短玻纤/聚碳酸酯共聚物复合料，组合在1毫米厚度满足所有相关力学美学要求。

成品盖板背面。

最终演示件：层压板插件用7层开发级UDMAX碳纤维/PC带（55%纤维体积分数）制成，经固化、修边、预成型、再修边至最终净形，而后注塑包覆40%纤维重量分数THERMOCOMP D452短玻纤/PC共聚物（针对高流动高美学优化、已广泛用于此细分市场）。组合产出高刚强度、低质量薄壁盖板，含众多3D设计细节、连接特征、良好美学，融合两材料优势。盖板据报通过所有行业必测，现由设备OEM评估中。

Airborne与SABIC合作也为SABIC消费电子目标结硕果。合作2018年宣布，今年进一步披露双方称作数字化复合制造线：每分钟产出4片净成型固化层压板插件，单线年产150万片。系统称灵活（铺层架构材料）且快速。2020年起Airborne将用产线为消费电子商业制造层压板，成双方望大幅提升热塑性复合材料在该高竞争快节奏细分市场渗透的资源。