iPhone 使用的「液态金属」指的是什么？

------------------------前言----------------------

受启发于

和

，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：

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
  

即 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） 和 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 。

本来，大家应该是端端正正做好，比如如下面这样：

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（ 结晶性）

这个Cristallinity是什麽，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：

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 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（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，除了东南亚某些人种外，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）。

钢 ，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 铝 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，iPhone5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。

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介绍完了材质，我们讲讲Strain（应变）和Stress（应力）

• Strain （ ℰ ）

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...

• Stress （ σ ）

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

）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

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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

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，但是却被细分的足够小。

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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