1-278-800x445Американский химик и метафизик Брайан Роммель долгие годы следит за эволюцией продуктов Apple и после выхода новых версий iPhone и Apple Watch решил поделиться своими соображениями о том, какой материал компания планирует использовать в своей электронике после алюминия. Мы представляем вашему вниманию выдержки из статьи этого талантливого автора.

Путешествие Apple, результатом которого стало принятие циркониевой керамики, как основного материала можно описать как эпический сюжет фильма. Мы начнем с конца и в первую очередь остановимся на научно-техническую сторону вопроса.

Что представляет из себя цирконий?

Циркониевая керамика обладает высокой механической прочностью и твердостью при комнатной температуре. Диоксид циркония имеет высокую устойчивость к появлению трещин (вязкость разрушения) по сравнению с любой технически усовершенствованной керамикой. Уровень жесткости, механические свойства и коррозионная стойкость делают его идеальным при воздействии высокого давления.

В настоящее время диоксид циркония нашел промышленное применение в пресс-штамповке, в проводах и трубопроводах большой длины, в направляющих и различных роликах, подверженных износу, клапанах давления и материалах, задействованных в производстве пидшипникив. Його коэффициент теплового расширения очень близок к стали, такая особенность делает циркониевой керамики идеальным поршнем для использования в буринни. Цирконий имеет превосходную износостойкость, химическую стойкость и устойчивость к коррозии, а также низкой теплопроводностью.

По сравнению с большинством других материалов, циркониевая керамика обладает высокой устойчивостью к царапинам. В отличие от алюминия, который практически во всех формах склонен появления царапин и потертостей. При этом циркониевая керамика может иметь любой цвет без использования внешней краски.

1477152536_main-qimg-0fee9d892f47552b7b988d82ea1113a1-c-770x566

Ракетостроения: как NASA использует керамику

Циркониевая керамика также обладает особой эффективностью при рассеивании тепла, пожалуй, лучше любого другого материала. Тепловыделение жизненно необходимо для защиты электроники. В космических шаттлах кремниевую керамику Li900 используют как систему тепловой защиты, барьер, который защищает космический челнок при входе в атмосферу (в NASA также более продвинутая версия Li-2200 — прим. Переводчика ), рассеивая ~ 1650 ° C накопленного тепла, для сравнения, алюминиевый кожух защищает от температурных градиентов не выше 177 ° C. NASA начала исследования с использованием керамики на термальных слоях (высокотемпературная изоляция многократного использования) в начале 1960-х гг. для космических аппаратов начального уровня.Исследования, проведенные NASA, стали основой для всех современных методик, включая идею использования циркониевой керамики.

Цирконий + оксид алюминия или нитрид алюминия = теплопроводность

Кремниевая керамика Li900 имеет один побочный эффект, который мог бы пригодиться в самых современных электронных устройствах, главным образом для отвода тепла. В чистом виде она очень слабым теплопроводником, но это поправимо. В электронике практикуется использование оксида алюминия или нитрида алюминия, которые по коэффициенту теплопроводности могут превзойти чистый алюминий. Правда, это может сделать циркониевой керамики хрупкой, однако этот вопрос решается с помощью эффективного баланса.

Прозрачная циркониевая керамика

Циркониевая керамика также может быть прозрачной. В 2012 году Токийская научно-исследовательская лаборатория опубликовала знаковую работу [3] под названием «Создание високопрозрачной циркониевой керамики». Прозрачной она может послужить материалом для нового очень крепкого экрана.

Материаловедческая одиссея Apple

Apple постоянно находится в поиске наиболее передовых компонентов для своих устройств. На протяжении всей своей истории компания произвела революцию в использовании алюминия, от выплавки до станков микро-миллиметровой точности. Apple продвинулась в применении алюминия настолько далеко, что достигла максимально возможных результатов, вплоть до «прозрачного алюминия» (оксинитрида алюминия) [4].

Желанием компании расширить границы материаловедения, возможно, способствовал кризис с «Bendgate». Когда iPhone стал тоньше, его стало легче согнуть, с чем и столкнулись некоторые пользователи. Существуют коррекционные способы использования компонентов внутри iPhone для поддержки структурной целостности, однако Apple, похоже, уже достигла предела.

«Объездной» сапфировый путь Apple

1 октября 2013 Apple заключила уникальный договор с GT Advanced Technologies по производству сапфировых стекол для экранов и новых корпусов iPhone, изготовленных преимущественно из сапфира. Пресс-релиз был оптимистичным, но в то же время у автора Quora глубокую обеспокоенность вызвал тот факт, что Apple не приобрела компанию, создав вместо уникальные производственные отношения:

31 октября 2013 GTAT (дочерняя компания GT Advanced Technologies) и Apple заключили генеральное соглашение о разработке и поставке, согласно которому GTAT будет поставлять сапфировые материалы исключительно для бытовой электроники Apple. GTAT также предоставила Apple определенные права интеллектуальной собственности, связанные с технологиями выращивания сапфиров.

Такие уникальные отношения нужны были, чтобы GT Advanced Technologies смогла производить оптически прозрачные и безупречные кристаллы в промышленных масштабах, особые условия были предоставлены GTAT на заводе Apple в Аризоне. Но отношения стремительно распались: качество и объем продукции были далеки от запланированных, при себестоимости, в несколько раз превышает все ожидания. Компания Apple разорвала отношения и в октябре 2014 года GT Advanced Technologies начала процедуру банкротства.

Сапфировый экран должен был стать главной изюминкой iPhone 6 и значительно увеличить его прочность. Apple оставалось около 5 месяцев до анонса нового iPhone поэтому компании пришлось искать компромиссный дизайн. Это был трагический поворот событий, серьезно ударила по Apple, и по сей день отражается на дизайне iPhone 7. Обычно Apple разрабатывает дизайн iPhone 2 года. Крах проекта по GT Advanced Technologies заставил компанию обратить внимание на другие материалы. В Apple приняли решение в будущем никогда не полагаться на внешних поставщиков для критически важных технологий. Или не оставалось ничего другого, как вернуться к чертежной доске и начать все с чистого листа.

Назад к чертежной доске или по следам патентов Apple

После неудачной попытки наладить массовое производство высококачественных сапфиров, Apple решила присмотреться к периодической таблицы Менделеева в поисках материалов, которые могут быть воспроизведены в очень больших количествах, и при этом имеют схожие с алюминием и сапфиром свойства. Apple протестовала сотни идей, но в итоге остановилась на циркониевой керамики из максимальной близости к искомому результату. Патентная история Apple говорит о том, что первый опыт знакомства и применения керамики в компании датируется 2006 годом, таким образом, это был естественный путь к их следующему важному шагу в области материаловедения.

В идеале материал для производства iPhone должен быть радиопрозрачным [6], что позволяет устройству осуществлять беспрепятственное распространение широкого спектра радиочастот. В настоящее время iPhone имеет линии для антенн, даже iPhone 7 имеет их в минимальном количестве, хотя они и встроенные в цельнометаллический корпус. Алюминий успешно блокирует почти все короткие радиочастоты и чем тоньше устройства, тем ощутимее становится влияние на диапазон радиочастот.

iPhone становится радиопрозрачным

Примерно за 6 месяцев до того, как iPhone был анонсирован Стивом Джобсом (9 января 2007 года), в августе 2006 года, ученые-материаловеды Apple Стивен Задески (Stephen Zadesky) и Стивен Линч (Stephen Lynch) подали патентные заявки на «портативное вычислительное устройство , включающий в себя корпус и имеет структурные стенки, образованные из радиопрозрачного керамического материала »[7].

В пояснительной записке патента сказано совсем немного.

Изобретение, в одном из вариантов реализации, относится к портативным вычислительных устройств, способным осуществлять беспроводную связь. Такое портативное вычислительное устройство включает в себя корпус, который окружает и защищает его внутренние компоненты. Корпус содержит структурированные стенки, сформированные из керамического материала, который пропускает через себя беспроводную связь. Беспроводной связи может соответствовать, например, радиочастотная связь, а в будущем керамический материал может стать радиопрозрачным, что позволит РЧ-волнах беспрепятственно проходить сквозь него.

Когда автор оригинального текста Брайан Роммель впервые прочитал эту заявку на патент в 2006 году, он уже знал наверняка, что в какой-то момент циркониевая керамика станет для Apple одним из следующих основных направлений в разработке материалов (здесь и далее высказывается сугубо личное мнение автора статьи — прим .ред. ).

Радиопрозрачность решает огромное количество проблем. iPhone нужно передавать и / или принимать сигнал с помощью пяти основных систем радиосвязи, в том числе сотовых сетей, Wi-Fi, Bluetooth, иметь поддержку технологий NFC, GPS и т. д. В этом и есть огромное преимущество использования цельного корпуса, находящихся при этом радиопрозрачным.

В феврале 2014 Apple продолжила патентовать улучшения в производстве циркониевой керамики с «литьем формы из керамических компонентов» [7]. Патентная заявка описывает технологию, которая значительно повышает качество продукции, исключив процессы, которые становились причиной дефектов.

Знаковый патент Apple о циркониевого керамических iPhone, MacBook и Apple Watch

3 августа 2015 компания подала в Ведомство по патентам и товарным знакам США (USTPO) исторически важный патентный документ, который показывает будущее направление продуктов Apple, названный как «CO-MOLDED CERAMIC AND POLYMER STRUCTURE» (совместно вылитая керамическая и полимерная конструкция). 8 сентября 2016, через день после официального анонса iPhone 7 и Apple Watch Series 2, патент стал публичним.USTPO наложило запрет на его публикацию с августа 2015 году до следующего дня после презентации, чтобы не дать конкурентам переориентироваться на идею в будущем.

Патент ссылается на такие основы:

1477152606_main-qimg-a4a0c6cb13b2d44649f7b70d22a14520-770x996

В качестве одного конкретного примера, керамические материалы имеют многочисленные качествами, которые делают их полезными для использования в корпусах электронных пристроив.Наприклад, они могут быть очень устойчивым к царапинам, что делает их особенно подходящими для электронных устройств, которые часто страдают от ударов, царапин, такие как носятся электронные устройства (например, смарт-часы, очки и т.д.), механические часы и другие потребительские товары (включая, но не ограничиваясь, медиа-плеерами, мобильными компьютерами, планшетными вычислительными устройствами и т.д. ). В качестве конкретного примера, высокая твердость и оптическая прозрачность сапфирового стекла (прозрачный керамический материал) очень хорошо подходит как защитное стекло для сенсорного экрана носится электронного устройства. Керамические материалы также могут быть относительно легкими, упрощая хранение, ношение и использование портативных или носятся электронных устройств . Более того, керамические материалы могут достигать высокой степени полировки поверхности, что делает их эстетически очень привлекательными.

Однако, как правило,  из керамических материалов по сравнению с пластиком, труднее создавать сложные геометрические фигуры . Соответственно, производство деталей корпусов из керамических материалов может оказаться сложнее, чем с других материалив.Видповидно к сказанному выше, описанное (изделие) может содержать цельнолитой полимерный материал с керамической составляющей для формирования компонентов корпуса, включающие керамические и полимерные материалы в определенных долях. (Используемые здесь термины «полимер» и «полимерный материал» охватывают природные и синтетические полимеры, пластмассы, резину и т.д., и т.п.).

В соответствии со сказанным выше, детали, которые включают в себя как керамические, так и полимерные компоненты могут быть сделаны за меньший промежуток времени и с более высокой точностью, чем это достигается, если компоненты должны быть изготовлены отдельно и затем соединены вместе с помощью клеящего вещества. В некоторых вариантах полимерный материал впрыскивается на керамический компонент. В некоторых соединениях полимерный материал формируется на поверхности керамических компонентов с использованием других, отличных от литья под давлением, способов, таких как отливка под влиянием силы тяжести или любого другого соответствующего совместного формирования.В том месте, где данное рассуждение относится к инъекционного метода литья, должно быть понятно, что другие методы литья могут быть применены в таких случаях вместо или в дополнение к литья.

Apple создала методику, благодаря которой литья под давлением может быть использовано для создания целостного корпуса и эффективного соединения его с экраном. Некоторые особенности этой технологии уже присутствуют в Apple Watch Series 2 в керамическом корпусе.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Навигация по записям