中文
“三折叠，怎么折，都有面”
2024年9月，华为 Mate Xt 非凡大师三折叠手机正式发布，凭借着有趣的广告语迅速在网络走红，引来网友们的争相模仿。在此之前，折叠屏手机已经走进了人们的生活。在科技迅猛发展的当下，2018年柔宇发布全球首款智能折叠屏手机后，各大智能手机生产龙头纷纷开始研发制造折叠屏手机，并且凭借其特有的形态以及创新的使用体验，折叠屏移动手机成为智能手机的市场新宠。各大之智能手机生产龙头都开始了折叠屏手机的研发制造。如今，折叠屏在市场上越来越受欢迎，向全球普及之路进发。
传统的智能手机屏幕盖板都是一块透明的硬质板，这块板除了透明之外还有一定的强度和耐磨性，起到保护手机的作用。但是折叠手机的屏幕盖板需要同时做到显示、保护和折叠的作用，那么要怎么样才能使得屏幕盖板兼具透明、强度和柔韧性呢？高分子（Polymer）材料为我们提供了一种十分有效的解决思路。
1.性能要求
作为手机屏幕盖板材料，要具有较好的高明度、超高的柔韧性、较好的机械强度、良好的尺寸稳定性以及一定的耐化学腐蚀性。
屏幕的清晰度与色彩的还原度是评估手机性能的重要指标，屏幕材料不能对光线产生过多的吸收或散射，要让屏幕发出的光线能够毫无阻碍地传递到用户眼中，从而呈现出清晰、鲜艳的图像和文字，为用户带来较好的视觉体验；屏幕材料的柔韧性与机械强度极大程度决定了手机的耐弯折性能与耐碰撞、摩擦、冲击性能；良好的热性能与尺寸稳定性能够保证手机在较高较低的温度时不发生较大的形变；而一定的耐化学腐蚀性能够有效避免手机在使用过程中接触到汗水、洗涤剂等各种化学物质受到腐蚀、使用性能下降。
2.透明聚酰亚胺（CPI）薄膜材料
在智能手机领域，特别是折叠屏手机的设计中，可折叠超薄玻璃（UTG，Ultra-Thin Glass）和透明聚酰亚胺（CPI，Colorless Polyimide）作为两大重要的屏幕盖板材料（图2），各有独特的性能和应用场景。UTG拥有较高的技术壁垒和较低的良品率，目前只是小批量生产，但在折叠手机柔性屏的主流解决方案——CPI技术上更为成熟，能够实现大规模量产。
聚酰亚胺（PI）是一类高分子化合物，其主链中含有酰亚胺环（-CO-NH-CO-）（图3）。这种高性能聚酰亚胺材料可广泛应用于结构材料和功能材料等多个领域。在高新技术产业领域，展现出极为广泛的应用潜力，蕴含着丰富的商业价值，并在高分子材料体系中占据着领先地位。因此，高性能聚酰亚胺材料被赞誉为“21世纪极具潜力的工程塑料之一”。
CPI薄膜相对于传统的三大有机玻璃（聚甲基丙基甲酯、聚碳酸酯和聚苯乙烯）而言，具有较高的透明性，柔韧性好，强度和模量高，热稳定性好，同时具有低介电性能。不同场景下的应用需求，可以通过CPI的不同改性得到满足。目前CPI主要应用于柔性显示器领域，如可穿戴显示设备以及本文所介绍的折叠屏幕等。
3.聚酰亚胺（PI）改性
实际上，传统的聚酰亚胺其实并非无色透明。在聚酰亚胺内部，有电荷转移络合物作用（CTC）效应[6]。从PI分子结构来看，其中有较强的二胺类电子供体，如二氨基二苯醚(ODA)，也有像均苯四甲酸二酐(PMDA)一样的二酐类电子受体，电荷转移络合物是由电荷在分子链内部和分子链之间相互传递而形成的。而络合物的形成致使分子体系的能级出现改变，产生了全新的吸收带。在可见光范围内，这些新的吸收带使得聚酰亚胺薄膜对蓝光、绿光等色光有较强吸收，使得PI最终呈现出金黄色。供应电子和吸收电子能力越强的二胺和二酐残余基团，CT作用越强，PI颜色也就越深。这一特性使得PI大多呈现金黄色，在光电领域的应用受到了限制。
若想抑制CTC效应使PI无色透明，最直接有效的方法是通过改变分子间作用力和电子云分布的结构改性来破坏CTC效应的形成条件，进而减少可见光的吸收。可以使用带有弱吸电子基团的二酐以及弱给电子基团的二胺单体，降低分子链间的电荷转移，从而制得无色透明的PI薄膜。
也可以引入一些强电负性使电子供体与电子受体强度减弱的强电负性基团，例如含电负性较大的氟原子基团三氟甲基和砜基等，使电子受体与电子受体的强度减弱，使电荷转移能力下降；将脂环代替苯环可以破坏芳香族PI链段上的共轭结构，阻断电荷转移，引入脂环结构(如：反式-1，4-双(2，3-二羧基苯氧基)环己烷二酐)；引入大取代基团可以占据极大的自由体积，分子链结构变得松散，电荷难以转移；引入不对称与刚性非共平面结构会使分子链结构的对称性降低，使链间的共轭作用受到破坏，抑制电荷转移[16]。这些方式都在一定程度上阻碍了电荷的转移，从而抑制了CTC效应，使得PI呈现无色透明。
但这些方法都会造成材料热性能在一定程度上下降。热膨胀系数（CTE）急剧上升，超过5.0×10−5 K-1。玻璃化转变温度（Tg）也受到极大影响，降至330℃，甚至低于330℃。耐热性能减弱，热分解温度降低，其中5%热失重温度（Td5）降至450℃以下。所以对PI进行透明改性的同时也需考虑热性能的维持。
保持PI原有的热性能，最直接的方法是使分子间相互作用力增强。Chen等通过酰氯引入酰胺结构形成氢键相互作用，制备的CPI薄膜Tg大于360℃，CTE仅为1.3×10−5 K−1，并且在400nm处光学透过率(T400nm)仍保持在81%。还可以引入可聚合的无机纳米粒子，由于其坚硬的内核结构，在提高光学性能的同时，保证了 PI 的热性能。
经过改性后的PI制成的CPI拥有较好的透光性和耐热性，而耐弯折性能也是CPI作为折叠屏显示器件的重要挑战。Ahn等[18]对制备的CPI薄膜进行了弯折性能测试在20万次弯折后通过扫描电镜(SEM)对弯折前后的表面进行了观察，发现CPI薄膜未出现表面损伤，说明CPI具有良好的耐弯折性。
CPI原本就具有较好的低介电性能、耐化学腐蚀性、耐磨性与抗冲击性，但是对于柔性折叠显示器来说，为了进一步提升CPI材料在折叠屏应用中的综合性能，通常还会在表面进行喷涂或沉积其它材料，提升使用性能。Wu[20]在CPI衬底上制备二氧化硅钝化层的超高透明夹层结构(图8)，该结构增强了透光率和电阻率，进一步提高了CPI薄膜的耐磨性。
4.CPI薄膜应用
虽然CPI薄膜作为折叠手机屏幕盖板的耐用性与透光性比UTG略差，但UTG技术壁垒高，生产成本高且柔性较差。所以CPI薄膜在折叠手机市场占有较大空间。目前来讲，多家手机厂商使用的折叠手机屏幕盖板为CPI薄膜（图9）。下一阶段的折叠屏手机在未来可能是一款卷曲手机，这将进一步突出CPI的灵活优势。通过对CPI的改性改善透光性与机械强度，CPI在柔性显示器领域的地位一定不可替代。
