镁的应用:镁合金在计算机、消费电子、通信领域的应用

文摘   科学   2024-07-31 19:36   浙江  

引言镁及镁合金当前有近100万吨的产量,虽明显不及铝合金产量,但镁合金在轻量化、医疗以及矿物冶炼等方面开展了大范围的应用。本文简要论述镁及镁合金在计算机、消费电子、通信领域上的应用,主要涉及到数码相机、笔记本电脑、鼠标、手机、通讯基站、耳机、手表、无人机配件、AR眼镜及其他辅助穿戴设备等等。电子通信产品正朝着高度集成化、轻薄化、微型化等方向发展。作为最轻的金属结构材料,镁合金有利于实现产品轻薄和耐用性等性能要求

“文章内容来源于镁合金文献和大量的镁合金推广应用报道。本公众号仅做汇总和阐述。在此感谢各位前辈在镁及镁合金行业的开拓和付出”。所述并不详尽(尤其缺乏国外相关单位信息),欢迎留言沟通,促成镁合金更广泛的研究和应用。

镁合金有望在消费电子领域持续增加

镁合金具有优异的薄壁铸造性能,其压铸件的壁厚可达0.6~1.0mm,并保持一定的强度、刚度和抗撞能力,这非常有利于产品超薄、超轻和微型化的要求。另外,镁合金还具有防震、抗磨损及可屏蔽电磁波的特殊功能。使用镁合金可省去电磁波屏蔽膜的电镀工序。镁合金导热性、抗电磁屏蔽性好的特点在家电产品、笔记本电脑及手机外壳等都已经得到广泛的应用。若在风扇的风叶上使用镁合金,可减小振动达到低噪音。
借助镁合金的轻量化、减震、高导热能力,目前在笔记本电脑外壳领域得到广泛应用,目前被微软、惠普、华为、戴尔、联想等主流品牌大量使用,其他应用镁合金的3C 产品还包括投影仪、数码相机、网络通信设备、视听设备等。近几年及未来几年,随着AI功能需求的叠加,对消费电子的功耗、散热的要求逐渐增加,镁合金的热传导性较为优越,可供热源快速散热,排出CPU等电子零部件产生的热量,是AI+电子产品外壳结构件的理想材料。

镁合金在消费电子领域的应

1、数码相机和电影摄影机

相机往往需要携带外出并长期使用,轻量化是相机品质的重要一环。镁合金由于密度低、强度较高,具有一定的防腐性能,常用来做单反相机的骨架,使其坚固耐用,镁合金表面做涂层,手感好。

制造商热衷于在中高端及专业数码单反相机用镁合金作为框架。例如,佳能的 1D X Mark III、5D Mark III、7D、10D-50D、EOS R5、EOS R1、EOS-1D X等,富士X10相机,尼康的 D3 、D5 、D610、D700、Dx00 系列、D7000(相机顶部和背面外壳采用镁合金)、Z5等,宾得的 K-7 及 K-5 、索尼 Alpha A7 II、Alpha A7 III 等都是镁合金机身。 这些全球巨头选择镁合金来应用其最先进的技术,这证明了镁合金的性能和实际效益。

相机框架,外表面和机身主体均可为镁合金材质,在保持轻量化和坚固性的同时,提高机身的刚性和可靠性
目前,镁合金相机骨架已经大规模使用,在相机配件中也有镁合金材质的部分应用镁合金作为数码相机骨架的优势如下:
  • 镁密度低,镁合金相机机身非常轻。这种轻量化设计可显着减轻手部疲劳,使摄影师能够进行更长时间的拍摄并提高整体可操作性。
  • 由镁合金制成的相机机身在耐用性方面非常优越。它们的设计能够承受会损害普通塑料机身的恶劣条件。该材料具有出色的减震性能和抗外力能力,提供保护壳,保护内部敏感电子设备。

  • 这些合金具有优异的导热性。此类相机散热速度更快,确保内部组件即使在持续使用过程中也能保持凉爽。这降低了过热的风险和内部零件的潜在损坏。

  • 镁合金的一个经常被忽视的优点是其令人印象深刻的电磁干扰屏蔽。此功能可减少信号丢失和图像失真,这在当今的数字摄影时代尤其重要

佳能   1D X Mark III

尼康 Z5

索尼 Alpha


捷信 Gitzo G1570M   镁合金  数码相机三维云台

百诺GH2  镁合金 专业摄影摄像机悬臂式

相机三脚架(目前并未检索到镁合金相机三脚架,按说也是一个轻量化方向,猜测可能是成本问题)

数码相机镜头(佳能 EF 800mm f/5.6L IS USM 主要外壳部件由镁合金制造,此镜头的重量约4500克。)

为了实现机身的小型轻量与坚固性的结合,SIGMA 500mm F5.6 DG DN OS | Sports在关键部位采用了TSC(热稳定复合材料)和镁合金等材料。

镜头配备了兼容Arca-Swiss标准的轻质且耐用的镁合金材质的可拆卸三脚架底座。

其他短的镜头、工业相机镜头等,目前仍大量使用塑料、铝合金目前貌似没有用镁合金来做的

索尼全画幅电影摄影机FX6,拥有坚固耐用的镁合金机身,尺寸仅为约116mm x 153mm x 114mm,重量仅为约890g,其轻巧便携的设计使用户易于手持进行拍摄。相机具有优秀的散热结构,可使相机组件保持在正常的工作状态,并防止过热以实现更长的录制时间

2、笔记本电脑

笔电外壳材料众多,包括工程塑料、金属、碳纤维及木质等。工程塑料是最早出现也是最常见的笔电外壳材料,但是随着笔电轻薄化和性能不断提升、消费者对质感和美观性愈发看重,新的外壳材料也应运而生。笔电行业新兴外壳材料主要有金属和复合材料碳纤维等。金属材料凭借其优异的综合性能、轻薄美观的质感、适中的成本,在一众外壳材料中脱颖而出,目前已成为最主流的轻薄本外壳材料。

笔记本电脑  外壳材质对比

笔记本外观轻薄化势不可挡。在各类新兴材料结构件中,金属材料结构件具有以下优势:(1)散热能力优秀,强度、硬度是传统塑胶机壳的数倍,重量却较塑胶机壳轻很多;(2)减震功能和抗冲击能力都要优于塑胶,不但可以承受较大的冲击载荷,还可以屏蔽电磁辐射;(3)容易成型,可经表面处理工艺获得绚丽的颜色,而碳纤材料结构件成型工艺复杂,且不容易着色;(4)成本低于碳纤材料结构件。(来源:未来智库)

笔电金属外壳最常见的是镁合金和铝合金材质,其中镁合金外壳常用于笔电中的轻薄本。镁合金作为最轻的工程金属材料,被誉为“21世纪的绿色工程材料”,密度为 1.74-1.85g/cm3(镁锂合金密度 ~1.5g/cm3,可以实现极致轻薄,但成本也相应更为高昂),比铝合金轻36%,比锌合金轻73%,仅为钢的1/4左右,比强度和比刚度较高,同时阻尼性、电磁屏蔽性、减振性、导热及散热性好、切削加工性和抛光与表面处理性能等优良,是当前笔电轻薄化发展的理想选材之一。

笔电用镁合金包括镁锂合金(LZ91、LAZ系列)、AZ91D、高亮不锈镁等,常见的镁合金表面处理有微弧氧化+喷漆工艺和纳米压印工艺等。镁合金替换铝合金,大概能减重100g多到200g左右。

2024年,联想发布世界首款高亮不锈镁笔记本电脑——ThinkBook 13X Gen 4

镁合金笔电构件加工可采用半固态注射(主要)、锻造成型,及少量的冲压成型,后制程一般是采用微弧氧化,后再表面喷漆上色。镁锂合金可板材室温冲压成型,常规镁合金可采用热冲压成型。(插播:铝合金笔电框架可用CNC一体成型3C产品外壳,CNC加工强度更高、一体感更强、产品的公差控制也可以更小,给到消费者精致高级的感官体验,如苹果MacBook系列。5 系铝合金采用板材冲压成型+部分装配面 CNC;6 系铝合金采用全 CNC 加工成型)。

压铸工艺+CNC

锻造+CNC

个人电脑塑料外壳的典型壁厚为2.2mm,用壁厚为0.82mm的镁合金替换,可以减重46%,抗拉强度提高1.4倍。1995年3月,日本SONY公司首次将笔记本电脑的外壳厚度限制在1.0mm。日本Steel Workers公司采用镁合金半固态注射成形工艺,成功地生产出了壁厚0.6~0.7mm的笔记本电脑的外壳。日本松下公司1997年上市的采用镁合金外壳的便携式电脑CF25和CF-25MarkII十分畅销。1998年以后,日本、中国台湾所有的机型,目前尺寸在38cm以下的几种机型已全面使用了镁合金做外壳。美国White MetalCasting公司生产的外形尺寸为610mm×610mm的计算机外壳是用镁合金压铸而成的。中国的联想、华硕等笔记本电脑从1999年开始也部分采用了镁合金外壳。目前,镁合金材料已在微软、联想、戴尔、华为、宏基、三星、华硕等等品牌商的系列产品中获得推广和应用,用量呈上升期趋势。

为便于理解,先阐述笔记本电脑的A、B、C、D面。

笔记本电脑  A面、C面和D面 镁合金

微软 Surface Studio 2和Surface Laptop Studio 电脑,采用镁铝合金材质,简约设计,经磨砂处理,具备出色的手感,同时也带来了更高级的质感 


HW MateBook X Pro 微绒典藏版,外壳重308g,相比于同时期版本的铝合金外壳428g,重量轻了120g。外壳的制备工艺为镁合金CNC+微弧氧化+微绒喷漆

HW MateBook X Pro 微绒典藏版  镁合金外壳(A面),表面处理涂层(来源:先看评测)

Thinkpad X1系列 键盘C面 镁合金,机身厚度14.95mm,重量1.1Kg
联想 YOGA Pro 13s2021  C面和D面   镁合金

Samsung Notebook 9 900X3L  外壳镁合金材质  13.3英寸重840g克

Acer Swift 5 镁锂和镁铝合金打造笔电机身,搭配雾面质感涂层,轻至980克,薄至14.9毫米。镁锂合金,密度1.35~1.65 g/cm3,小于常见镁合金的1.8 g/cm3

华硕Expert Book B9 (B9400)14寸商务笔记本电脑,镁合金外壳的厚度只有0.58英寸(14.9毫米),整机重仅1.94磅(880克)

2013年NEC推出了最轻的13英寸笔记本Lavie Z,重量仅为795g。这款产品成功减重的秘诀在于外壳采用了镁锂合金材质,让重量进一步降低。

VMLINK秉创 15.6寸  镁合金全加固  三屏便携智能工控电脑

14家笔电镁合金结构件供应商盘点
https://www.abnotebook.com/a/701
目前,大量的笔记本商家正在或已经在使用镁合金材料作为笔记本电脑的ABCD面,有大量的产品实例,这里不再一一介绍。

3、手机

手机内的配件很多,目前大部分智能机机身为“三明治”结构,按空间分布,分别为手机屏、中框部分及其附属配件、手机后盖。

Huawei Mate 40Pro 拆解(屏幕+中框+后盖)(来源:IFIXIT)

中框就是手机屏幕和后盖中间,承载内部各种组件的那个框架,比如电池,主板,摄像头,排线,各种感应器话筒,听筒等等零部件都是要安装在一个金属骨架上面的,这个骨架就叫中框。金属边框就是四条边。有些手机金属边框和金属中框(骨架)是一体成型的,即内部骨架和边框是一个整体,有些手机只是一个金属贴边。有些机型手机,如苹果手机,会将中框和后盖做成一体成型。

Apple 13pro 拆解(屏幕+中框和后盖一体成型)(来源:IFIXIT)

 SAMSUNG三星Galaxy Z Flip折叠屏拆解 边框

手机中框

当前,手机中框大部分为塑料和铝合金材质,少量为镁合金、不锈钢、钛合金和液态金属等材质。镁合金应用于手机中框的优势和不足:

1、轻量化,镁合金中框是可以做到比纯塑料机身还轻的;2、减震,镁合金是结构金属中最耐冲击的(相同重量下),而相同厚度下镁合金的耐冲击性能也接近7075-T6铝,低于部分TC和TB类钛合金,但是减重效果显著;3、可屏蔽电磁波,在电磁相容性方面有了巨大提高,在减少了通信过程中电磁波散失的同时也降低了电磁波对人体的伤害。

然而,4、镁合金比较易燃,往往需要用细沙土覆盖,彻底断绝镁的空气来源同时不让镁见到水才可以解决。数控加工刀具切削时会产生大量的热,而切削过后镁金属直接暴露在空气中,有点燃的风险。而加工出来的镁屑比镁合金块更易燃,因此镁合金屑和镁合金件必须用油包裹再加工,这反而增大了加工成本和难度;5、镁合金必须要电镀或者做阳极氧化多产生一些氧化镁来包裹住镁合金,才能防锈;6、镁合金模量很低,加工省力,但数控加工施加相同应力时形变大,导致很难精确加工控制尺寸。


荣耀 Magic Vs2 应用航天级超轻稀土镁合金内框,材料密度锐减 33%,整机重量仅为 229g,折叠厚 10.7mm、展开厚 5.1mm。

小米 11 青春版,机身厚度仅 6.81mm,重量 159g。为符合客户轻薄的产品设计,比亚迪电子首次采用镁合金替代传统的铝合金进行加工

小米4  镁合金 内架

2012年,天语V8的侧边中框内嵌镁合金


4、鼠标
自1964年鼠标问世至今已经有近60年时间,99%的人使用鼠标的主要材质仍然是有机高分子-塑料。塑料有成本低、生产便捷等不可取代的优势。而随着科技的发展,越来越多的合金鼠标,采用超轻量化的镂空架构,独特的设计和收藏属性赢得了一些发烧友的喜爱。

Finalmouse Starlight12,42g,镁铝合金骨架和外壳(2021)

雷蛇   毒蝰Mini Signature Edition无线鼠标 49g,镁合金外壳(2023)

Pwnage Stormbreaker镁合金轻量化无线鼠标,53g (2023年)

万灵竞技  花兽mini,34g,Max,42g镁合金外壳

迈从AX5 promax 镁合金轻量化无线鼠标,约 49g

达尔优A950Pro镁合金鼠标,54g

镁合金鼠标的生产需要历经压铸、冲切、CNC加工、打磨、热整形、钝化和喷漆7道工序。相对普通鼠标加工工序更多且成本更高。



5、通讯基站
4G及其以前的通讯基站基础材料主要采用铝合金,随5G设备频率的升高,5G基站功耗是4G基站的2.5倍至4倍,这就意味着发热量增加。如果散热不及时,就会严重影响网络的稳定性和设备的使用寿命。由于基站金属结构件的薄壁化要求,质轻,因此促使材料厂家开发出密度更小,导热效率更佳的材料。(来源:万丰
根据基站结构件的材料“大截面、高导热、低密度、匀质性”的特性,镁作为最轻的金属结构材料,导热性虽低于铝,但是强度高,吸震性较好,是除了铝之外,5G基站结构件材料的重要选择。攻坚突破的关键就在于提高镁合金的导热系数。


在通讯行业,在通讯基站上面需要更多更轻量化的镁合金产品,包括散热器、机柜、滤波器等等,这些产品已经大量采用常规压铸镁合金AZ91D 生产。基于镁合金的轻量化优势,华为、中兴等通信厂家都有在采用镁合金材料用于基站结构件上。

基站 镁合金零部件 应用方向 (没找到明确的镁合金案例图片,仅做外观展示)


6、可穿戴设备等其他方向

GF厂宝格丽Diagono系列41mm腕表V2,表壳:镁合金+Motorlac亮漆及PEEK(聚醚醚酮)组成的表壳,直径为41mm,展现腕表的迷人活力

安克专为苹果打造的三合一镁合金充电底座

索尼耳机IER-M9:镁合金内外壳+镁合金超高频单元。IER-M9的超高频单元采用轻巧而坚固的镁合金材料制成,这种材质不仅提高了振膜的响应能力,还能有效减少内部损耗和共振。通过这种技术,耳机能够展现更加细腻和丰富的音乐细节,让用户能够体验到每一次音乐的微妙变化。音乐细节更丰富。外壳采用轻便而坚固的镁合金材料,这不仅使得耳机更加耐用,还能在长时间佩戴中保持舒适。镁合金的使用减轻了耳机的整体重量,让用户几乎感觉不到其存在,可以无拘无束地享受每一个音乐瞬间。

镁合金 无人机 配件

投影仪 壳体

镁合金 监控摄像头壳体

机箱 壳体

AR/VR眼镜 OPPO 眼镜 镁合金框体

机械臂/机械手等 穿戴设备零部件(来源:四方超轻)


备注:文字整理仅用于推广镁合金用途,如有侵权,请联系作者删除。

参考文献:

[1]  根据网络资料进行整理。

[2] 镁合金手机外壳制备相关性能研究进展

[3] 镁锂合金在AR/VR领域的应用及前景展望

[4] 镁合金在现代电子产品方面的应用

[5] 华为为什么选镁?微绒的秘密是什么?MateBook X Pro 体验...

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镁合金见闻录
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