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看得见的战争:浅谈笔记本材料结构设计

2018-10-23 16:50:28 | 来源:cfan | 作者:
来源:cfan

键盘体验差异之源

除了用料和内部结构设计以外,笔记本键盘的重要性也容易被处理器显卡等硬件的光辉所掩盖。除了影响手感之外,键盘在笔记本身上往往还承担着很多重任呢。

救命的排水孔

很多高端商务笔记本都在D面留出了很多小小的开孔(图17),它们有着“排水孔”、“疏水孔”和“导水孔”等多种外号。凡是有类似开孔的笔记本,在经历不小心碰倒水杯,水从键盘流入到笔记本体内这种极端案例情况下都有很大几率逃出生天(图18)。

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而没有这些开孔的产品,几滴从键盘缝隙流入的液体就有可能导致主板短路从而烧毁硬件。当然,排水孔并非万能,它只能抵御不高于100cc的泼溅水量,如果你是故意倾倒,又或是泼溅水量太大,依旧会有部分液体会溢进主板区域造成短路。

排水与键盘的关系

能否配备排水孔这种“救命”后门的关键,就在于笔记本的键盘设计。简单来说,防水键盘(准确来说应该是“防泼溅键盘”)的底部大都采用塑料薄膜密封,且四周还有立起来的一圈橡胶或塑料的澡盆结构来防止水流溢出的设计。同时,在键盘侧面或底面还会配有2个到3个漏水孔或排水漕,为了减小排水孔的表面张力和加速水流,讲究些的厂商会将键盘漏水孔由圆孔改进为跑道形的长圆孔,并可顺着笔记本D面底盖的排水孔将液体排出。

需要注意的是,即便你的笔记本配备了防水键盘,底部也有专用的排水孔,但遇到键盘进水时,也需要第一时间翻转笔记本,防止水量过大溢出键盘的澡盆结构,同时尽快关机取出电池(对不可拆卸电池的设计,需要第一时间长按电源键强制断电关机)。待流入键盘缝隙的水被排开也不要急于开机,最好要等待24小时以后才能开机(等待内部液体风干)!

总之,消费级笔记本受限于宽松的结构,不可能实现类似iPhone X、三星S9、华为P20 Pro这种IP67或更高等级的防尘防水的能力,防患于未然才是最重要的。比如,不在笔记本旁边喝水,雨天外出时要背防水的背包等等。如果你工作时离不开水杯咖啡,那就建议准备个键盘膜,可以覆盖键盘区域的所有缝隙(图19),避免液体泼溅时进水的风险。

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谁在影响键盘手感

笔记本键盘的样式可以分为传统键盘、浮萍式键盘、孤岛式键盘和巧克力键盘等,它们影响的只是键盘表面的外观,是否容易进灰和杂质,对手感的影响不大。而真正影响敲击手感的,则包括钢板、键帽、键程和轴/支架这几个关键词。

钢板的支撑作用

很多笔记本键盘稍一用力下按就会出现整体下陷,敲字时的感觉也是软绵绵,毫无手感可言。这个背后就是键盘底部缺少独立的钢板支撑结构造成的(图20),其初衷大都是为了降低成本或缩减键盘模组厚度。不要小看键盘底部的钢板(图21),它是好手感的基石,同时也能起到一定程度的液体流入和保护内部芯片电路的重任。部分笔记本甚至还会将其作为硕大的散热片,起到散热分流的作用。

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缺少额外钢板加固的笔记本键盘,底部金属衬板上无数的镂空结构会降低整体的强度

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在底部金属衬板上配备独立钢板加固的笔记本键盘

键帽的曲线艺术

键帽是非常容易被忽视的存在,它在键盘体验上其实同样贡献不小(图22)。比如,其表面的喷涂工艺是否容易掉漆和出油?没用几天就看不清键帽上的字符,这是一件非常尴尬的事情。此外,对支持背光的键盘而言,键帽上的字符是否为镂空设计?背光是从字符内透出,还是从键盘四周的缝隙露出?这些都会影响我们能否在夜间看清键帽表面的字符内容。最后,键帽表面是否略带弧度?纯平的键帽对手指的感觉可不好,只有能与手指肚紧密贴合的弧形键帽才算完美。

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越缩越短的键程

键程是按键从普通状态到手指按下去所产生的位移长度,传统笔记本的键程平均为2.5mm~3mm,可以带来良好的段落感。可惜,随着笔记本轻薄化进程的加速,键盘键程这一数据也在不断地降低。比如,小米笔记本键程为1.5mm,荣耀笔记本键程为1.3mm,苹果12英寸版MacBook的键程甚至不足1mm,感觉就是敲击在一块很硬的平面上。可以说,如何让笔记本在“减肥”的同时还能保留1.3mm或更长的键程,这才是考验厂商技术和良心的问题。

最为核心的轴与支架

如何在键程缩短的同时还能保留更好的敲击手感?此时就轮到键盘轴或支架登场了。如今的笔记本几乎都采用了“X”剪刀脚的支架结构,大家的技术原理差不多,基本上键程越长手感越好。苹果为了帮助新MacBook瘦身,引入了名为“蝶式键盘”全新支架,相比之前的X结构减小了40%(图23)。虽然苹果还同时带来了玻璃纤维尼龙材质和不锈钢膜开关,但也无法弥补蝶式键盘因键程过短而手感缺失的弊端。随后,苹果还给MacBook Pro用上了第二代蝶式键盘支架,其在第一代的轻薄基础上增加了键程,让用户在使用中有了更清晰的段落感。然而,时至今日因键盘故障而引起的投诉和返修数量,证明了第二代蝶式键盘也并非什么好设计。

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如果说轻薄本对键盘的要求是手感尚可就好,那游戏本对键盘手感的要求就没有止境了,毕竟好手感往往可以带来更好的比赛成绩。因此,能否为游戏本辅以类似机械键盘的清脆手感,就是时下笔记本厂商所追求的设计方向了。

全球知名的键盘制造厂商 Cherry(樱桃)在2018年初就发布了全新的全新的机械键盘轴体:MX Red Low Profile(红轴版),其高度比传统机械硬盘轴体缩小了35%以上(图24),非常适合被游戏本接纳采用。要知道,像微星GT83VR TITAN这种采用传统Cherry茶轴机械硬盘的游戏本(图25),其键盘高度就比MacBook还要厚了。

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好消息是,在MX Red Low Profile入驻笔记本之前,游戏本领域已经出现了一种媲美手感类似于青轴的“RGB光轴机械键盘”了。采用这种轴的游戏本代表有机械革命Z2、机械师F117猎空等,它们的键程达到了2mm,敲击时也会传出清脆的声音,从而获得了媲美外接机械键盘的手感。

笔记本的“金钟罩”

就好像AB面包裹的LCD面板一样,笔记本CD面机身包裹着的主板、CPU、GPU、内存、硬盘和电池等部件也需要得到精心呵护,所以CD面机身的材质和结构也含糊不得。

来自金属的诱惑

为了让用户看着安心,很多笔记本都采用了金属材质的机身。但是,在散发着金属光泽和冷冰冰触感的背后,金属机身也存在多种结构的乱战呢。

首先,绝大多数笔记本的机身都是以工程塑料为主,优势是容易塑形和成本低,只是在C面嵌入了一层薄薄的金属板而已(图9)。这种设计只是为了提升视觉冲击力,对机身强度的提升微乎其微。需要注意的是,很少有厂商会利于这部分金属面积用于散热,原因是掌托温度提升后会严重影响敲字时手腕的舒适性。

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在轻薄本领域,很多产品青睐采用塑料(或全金属)机身和D面的金属材质底盖组合,金属底盖不仅可以提升纤薄机身的强度值,平时还可以充当大面积的散热片(图10)。由于笔记本大都是放置在桌面上使用,底盖金属温度升高也不会给用户带来什么不适。

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至于大家最迷信的“全金属一体化”机身,现实中也存在两种表现形式。其一是使用铝合金(5系和6系)冲压成型或镁合金压铸成型,这种方式的加工成本相对较低,但是韧性和强度稍差,所以它们大都还需要增加塑料内壳来增加机身的强度。

其二是借助机床和CNC工艺,将一整块合金掏空切割(图11),预留出底盖、键帽和两侧接口的开孔。这种方式耗时久成本高,最具代表性的就是苹果MacBook家族主打的“Unibody”一体成型机身工艺,机身强度堪称一流,挤压磕碰时不易变形(但磕痕会很明显),对内部硬件的保护最为理想(图12)。

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小提示:

有些笔记本的底盖虽然是导热性能差的塑料,但却会在对应SSD或显存芯片的位置添加额外的金属衬板(图13),表面会贴上石墨或导热硅脂实现辅助散热的目的。

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防滚架考验良心

为了降低成本和整机重量,近些年的笔记本较之“前辈”精简了太多设计。其中,最令人遗憾的就是机身防滚架的缺失。我们不妨回顾一下早期ThinkPad的内部结构,将C面掌托和D面底盖拆卸后,我们还能看到一层合金或复合材质的防滚架(图14),它们将主板表面的CPU、风扇、内存等硬件固定封装在不同的“隔断”中,无论笔记本受到上、下、左、右哪个方向的压力都能确保内部硬件无恙。

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轻薄本为了追求极致轻薄情有可原,毕竟通过全金属一体化设计也能起到一定程度上的强化机身作用。但对于游戏本来说,现在更多厂商都喜欢用更多的螺丝和底盖上的凸起结构来固定主板(图15),只有很少数机型保留类似防滚架的内部结构(图16)。如果你希望笔记本遭遇意外跌落挤压等极端情况时提升生存几率,显然还是后者的可靠性更高一些,虽然类似设计会略微增加产品厚度和重量。

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笔记本的ABCD面

结构:稳定性和可靠性的基石

一款完整的笔记本通常是由多种机身材料构成的,在上个章节中我们也简单介绍了笔记本领域的常见材质。但是,在现实生活中没有绝对100%合金材质的产品,也不存在100%塑料材质的机型,合金为主的笔记本需要加入塑料降低重量,塑料为主的笔记本也需要合金为骨增强抗压和抗冲击性。多种材质之间的结合和拼接结构,将决定笔记本的稳定和可靠性。

按照惯例,我们会用A、B、C、D来代表笔记本的四面(图1),分别是顶盖(A)、屏幕和边框所在的区域(B)、键盘区(C)和底盖(D)。

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先从屏幕的保护谈起

对笔记本电脑而言,最脆弱和需要保护的部件就是脆弱的屏幕(LCD面板),而LCD通常被AB两面紧紧包裹,所以笔记本AB面的材质和结构就显得至关重要了。

水波纹现象

在笔记本开机状态下,大家可以稍微用力按压A面的屏幕顶盖(图2),看看B面的屏幕上会出现什么现象。如果屏幕一切如常,那么恭喜你,笔记本对屏幕的保护基本过关;如果屏幕上出现了“水波纹”,则说明笔记本对屏幕的保护还谈不上完美。

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“水波纹”现象的起因大都是顶盖材料强度不够,或是顶盖力学结构设计欠缺,在受到外力时很容易对LCD形成冲压力,导致液晶内的薄片不同程度的弯曲变形,从而形成水波纹现象。所以,杜绝“水波纹”现象的关键,就是顶盖抗冲击的强度了。

常见的屏幕结构

笔记本屏幕其实也是一套颇为复杂的模组,它通常是由主体框架、顶盖(A面)、LCD面板(包括LCD、背光模组和与主板相连的排线等)、覆盖LCD面板的边框(B面)构成。

为了降低成本,目前绝大多数笔记本的主体框架和顶盖会选择一体成型的工程塑料,然后将LCD屏幕固定其中(图3),再覆盖B面的塑料边框部分;

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此外,为了提升卖相,还有一些笔记本会采用工程塑料材质的主体框架,并在A面嵌入一层金属材质的盖板,只是看起来更结实而已;

以中高端轻薄本为代表的产品大都青睐主体框架和顶盖一体成型的全金属材质,就好像智能手机领域的iPhone 7和小米6X,屏幕被一整块金属疙瘩包裹,这种结构对LCD面板的保护相对最佳,两只手捏合屏幕两侧扭曲时也不易变形;

历史上,以ThinkPad为代表的高端笔记本甚至还在屏幕部分额外增加了镂空的金属防滚架(图4),金属材质确保强度,中间的无数镂空是为了降低重量。现在也有部分笔记本会在屏幕主体框架内加上钢架和金属衬板(图5),起到类似的防扭曲形变、从背后保护LCD面板的作用;

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为了避免划伤屏幕,或是赋予笔记本触控操作的功能,还有不少笔记本会在屏幕的B面覆盖一面玻璃,比如MacBook和小米笔记本Air 13,带来类似镜面效果的高颜值。如果仔细观察,大家不难发现此类笔记本B面的屏幕边框和玻璃之间还会塞进一圈橡胶材质的缓冲层(图6),用来降低笔记本跌落磕碰时玻璃碎裂的风险。

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扩展阅读:屏幕为何不能全金属

考虑到金属的强度优于塑料,所以用100%全金属包裹的屏幕才最安全,但现实中却没有一款笔记本能够做到。原因很简单,笔记本无线网卡的天线都埋在了屏幕所在的两侧或顶部,全金属材质的机身会屏蔽信号导致Wi-Fi信号变弱。因此,很多高端轻薄本即便采用全金属一体化的框架和顶盖,也会在顶盖中挖出用于溢出信号的信号条(图7),并用塑料或纳米注塑工艺填充(图8)。

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碳纤维:不是金属胜似金属

ThinkPad和戴尔XPS等高端笔记本常会以“碳纤维”作为主打卖点之一(图9),而这种材质也在不知不觉间成为了高端和顶级笔记本的专利。

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相对完美的材质

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它的强度是铝合金的数倍,但重量却仅有同体积铝合金的一半左右,强度高且轻盈。同时,碳纤维还具备塑料的高可塑性,并能起到类似金属的屏蔽作用,隔热耐冷性能也更加优良。

不能不谈的劣势

碳纤维所谓的高强度,主要表现在拉伸强度和拉伸模量很高,但其本身却又是一种脆性材料,韧性较差。因此,碳纤维并不适合作为结构材料,在笔记本领域多是用于顶盖、掌托和底盖,需要搭配金属或塑料材质的骨架支撑。此外,碳纤维的外观单调缺乏变化(图10)、着色困难、成本高和有轻微漏电感的隐患(工艺瑕疵),很难在笔记本领域大范围普及。

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碳纤维常见的纹理

小提示

在笔记本的发展历程中,还曾出现过杜拉铝、钛合金、FC-GF聚碳酸酯、皮革甚至竹子等特殊材质,但它们都因成本或工艺的原因没有普及开来。

金属:更高档的代言人

和塑料相比,金属材质有着与生俱来的细腻质感和冰凉触感,所以它常被用于笔记本提升档次感的必杀技(图5)。

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围绕铝展开的故事

笔记本追求的是轻薄且坚固,所以像铜铁一类的金属自然就不适合作为机身材料。从笔记本诞生之日起,最常与其打交道的金属,都是围绕着铝合金展开的“故事”。比如,最常被笔记本应用的金属材料就是“镁铝”合金或“铝镁”合金,二者的差异主要体现在铝和镁两种金属占比。

如果镁金属含量较大则称为“镁铝合金”,反之亦然。其中,镁含量越高的合金材料种类也就越轻,但强度会变差。适当提升铝的含量可以确保合金强度,但却存在增加重量的缺陷。无论如何,金属材质的主要特色就是强度普遍更高,抗拉、抗压及抗弯能力也要高出塑料一大截。因此,是否引入金属元素的外壳,也是中端和高端笔记本所主打的特色卖点。

金属也需要调味

为了提升金属质感,采用这一材质的笔记本最喜欢在表面引入拉丝工艺,即反复将铝板刮出线条(包括直纹、乱纹、螺纹波纹、同心圆等)(图6),可清晰显示每一根细微丝痕,从而极大提升金属表面的立体感和手感。

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同时,为了保护金属,阳极氧化着色工艺也是笔记本们最常用的后期优化,即在铝和铝合金表面上色提升颜值的同时,转化一层氧化膜,起到提高耐腐蚀性、增强耐磨性及硬度,保护金属表面等功效。

值得一提的是,现在还有很多金属笔记本会在表面加上“类肤涂层”(图7),其原理是将氯化橡胶或PU等材料融化在溶剂里,成为液体后再均匀地喷漆在笔记本外壳上,待待溶剂蒸发后而形成涂层。顾名思义,类肤涂层的优势就是让金属摸起来会有好似皮肤般细腻的手感,还能在一定程度上起到防划伤、隔绝温度的作用。

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金属也烦恼

无论是哪种合金材料,作为金属的分支它们也都有着类似的烦恼。首先,金属的强度虽高,但是韧性却极差,不经意的磕碰就容易在边角留下明显的磕痕(图8),一旦因挤压而发生了形变,基本就不具备复原的可能。

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其次,金属的耐磨性并不见得比塑料好,特别是通过CNC工艺削出的亮边,非常容易留下细小的划痕。如果金属表面没有镀膜,当被尖锐的物体划过同样会出现明显的痕迹。

最后,金属对冷热非常敏感,吸热快,散热也快。冬天如果笔记本刚从户外拿到屋里使用表面会非常冻手,夏日里长时间玩游戏表面又容易烫手。所以,讲究一些的高端笔记本,通常会在金属表面加入类肤或一些隔热的涂层,避免温度引起触觉上的反感。

塑料:向廉价感说NO

材料:质感和触感的艺术

笔记本的核心硬件包括处理器、主板、显卡、内存、硬盘和无线网卡等,它们都被一套完整的模具包裹固定。就质感和触感而言,笔记本模具的材质将起到决定性的作用。

塑料:向廉价感说NO

塑料应该是笔记本自诞生以来应用最为广泛的材料(图1),只是“塑料”这个词听起来太过低端廉价,所以行业内还给它们起了更具学术性的名字——“PC+ABS工程塑料”。

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不简单的塑料

提起“塑料”,估计很多用户都会想到矿泉水瓶,一捏就瘪。实际上,笔记本所用的塑料是一种复合材质(PC+ABS),在化工业的学名又叫工程塑料合金。之所以如此称呼,是因为这种材质既具备PC树脂的优良耐热性、尺寸稳定性和耐冲击性能,又同时兼顾ABS树脂优良易加工特性。

让塑料有质感

PC+ABS工程塑料的优势就是成本相对低廉,而且极易塑形,可以随意制定出各种棱角、流线和立体的外观造型。但是,塑料就是塑料,再怎么折腾,也难掩其质感和触感上的廉价性。因此,为了提升卖相,笔记本厂商通常会在工程塑料的表面进行二次“装修”。

早期塑料材质笔记本最爱的装修技术,就是在表面镀上一层“钢琴烤漆”(有些品牌还将其称为“晶钻漾彩”),从而让笔记本获得颜色且更纯更亮,摸起来还有一种陶瓷般的触感。随后,笔记本最爱的装修技术则换成了“IMR(模内转印)工艺”,在提供类陶瓷触感的同时,还能让笔记本外壳表层内带来金属拉丝、同心圆、磨砂、图案等个性纹理(图2),可谓是“要啥样有啥样”。

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现在很多游戏本看着采用了金属拉丝的外壳(图3),但实际上外壳却依旧是工程塑料,只是通过表面的拉丝纹理和镀膜工艺实现了金属的质感和光泽,这就是塑料材质的魅力。

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解除塑料的误会

和金属材质相比,工程塑料的质感和强度处于下风,但其韧性和耐磨性表现却更为优异:受到轻微挤压和磕碰时不会变形,被异物划伤时的痕迹也较轻(其风险源于较大受力时有可能断裂)。抛开这些不谈,据笔者的了解,很多用户都对工程塑料存在误会,那就是它没有金属材质的散热效果好。

实际上,笔记本的散热有95%都是依靠覆盖CPU/GPU芯片表面的散热片、热管、风扇和散热鳍片的“套装”(图4),只有非常小的一部分(主要应用在极致轻薄的超极本和PC平板二合一设备上)可能会借助石墨贴片引导到金属外壳上以增加散热面积。对笔记本的整体发热量而言,这部分引导出来的热力几乎可以忽略不计,反而不如直接将笔记本后端用书本垫高,提升底部散热孔的空气流通率来的实在。

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