Американський хімік і метафізик Брайан Роммель довгі роки стежить за еволюцією продуктів Apple і після виходу нових версій iPhone і Apple Watch вирішив поділитися своїми міркуваннями про те, який матеріал компанія планує використовувати в своїй електроніці після алюмінію. Ми представляємо вашій увазі витяги з статьіетого талановитого автора.
Подорож Apple, результатом якого стало прийняття цирконієвої кераміки, як основного матеріалу можна описати як епічний сюжет фільму. Ми почнемо з кінця і в першу чергу зупинимося на науково-технічну сторону питання.
Що вдає із себе цирконій?
Цирконієва кераміка має високу механічну міцність і твердістю при кімнатній температурі. Діоксид цирконію має високу стійкість до появи тріщин (в’язкість руйнування) в порівнянні з будь-якою технічно вдосконаленої керамікою. Рівень твердості, механічні властивості і корозійна стійкість роблять його ідеальним при впливі високого тиску.
В даний час діоксид цирконію знайшов промислове застосування в прес-штампуванні, в проводах і трубопроводах великої довжини, в напрямних і різних роликах, схильних до зносу, клапанах тиску і матеріалах, задіяних у виробництві підшипників.Його коефіцієнт теплового розширення дуже близький до сталі, така особливість робить цирконієву кераміку ідеальним поршнем для використання в бурінні.Цирконій має чудову зносостійкість, хімічну стійкість і стійкість до корозії, а також низьку теплопровідність.
У порівнянні з більшістю інших матеріалів, цирконієва кераміка має високу стійкість до подряпин. На відміну від алюмінію, який практично у всіх формах схильний появи подряпин і потертостей. При цьому цирконієва кераміка може мати будь-який колір без використання зовнішньої фарби.
Ракетобудування: як NASA використовує кераміку
Цирконієва кераміка також володіє особливою ефективністю при розсіюванні тепла, мабуть, краще будь-якого іншого матеріалу. Тепловиділення життєво необхідно для захисту електроніки. В космічних шаттлах кремнієву кераміку Li900 використовують як систему теплового захисту, бар’єр, який захищає космічний човник при вході в атмосферу (у NASA також є більш просунута версія Li-2200 – прим. Перекладача ), розсіюючи ~ 1650 ° C накопиченого тепла, для порівняння, алюмінієвий кожух захищає від температурних градієнтів не вище ніж 177 ° C. NASA початку дослідження з використанням кераміки на термальних шарах (високотемпературна ізоляція багаторазового використання) на початку 1960-х рр. для космічних апаратів початкового рівня. Дослідження, проведені NASA, стали основою для всіх сучасних методик, включаючи ідею використання цирконієвої кераміки.
Цирконій + оксид алюмінію або нітрид алюмінію = теплопровідність
Кремнієва кераміка Li900 має один побічний ефект, який міг би стати в нагоді в найбільш сучасних електронних пристроях, головним чином для відводу тепла. У чистому вигляді вона є дуже слабким теплопровідником, але це можна виправити. В електроніці практикується використання оксиду алюмінію або нітриду алюмінію, які за коефіцієнтом теплопровідності можуть перевершити чистий алюміній. Правда, це може зробити цирконієву кераміку тендітної, проте це питання вирішується за допомогою ефективного балансу.
Прозора цирконієва кераміка
Цирконієва кераміка також може бути прозорою. У 2012 році Токійська науково-дослідна лабораторія опублікувала знакову роботу [3] під назвою: «Створення високопрозрачной цирконієвої кераміки». Прозорою вона може послужити матеріалом для нового дуже міцного екрану.
Матеріалознавча одіссея Apple
Apple постійно знаходиться в пошуку найбільш передових компонентів для своїх пристроїв. Протягом усієї своєї історії компанія зробила революцію у використанні алюмінію, від виплавки до верстатів ЧПУ мікро-міліметрової точності. Apple просунулася в застосуванні алюмінію настільки далеко, що досягла максимально можливих результатів, аж до «прозорого алюмінію» (оксинитрида алюмінію) [4].
Бажанням компанії розширити межі матеріалознавства, можливо, посприяв криза з «Bendgate». Коли iPhone став тоншим, його стало легше зігнути, з чим і зіткнулися деякі користувачі. Існують коректувальні способи використання компонентів всередині iPhone для підтримки структурної цілісності, однак Apple, схоже, вже досягла межі.
«Об’їзній» сапфіровий шлях Apple
1 жовтня 2013 року Apple уклала унікальний договір з GT Advanced Technologies з виробництва сапфірових стекол для екранів і нових корпусів iPhone, виготовлених переважно з сапфіра. Прес-реліз був оптимістичним, але в той же час у автора Quora глибоку стурбованість викликав той факт, що Apple не придбала компанію, створивши натомість унікальні виробничі відносини:
31 жовтня 2013 року GTAT (дочірня компанія GT Advanced Technologies) і Apple уклали генеральну угоду про розробку і постачання, відповідно до якого GTAT буде поставляти сапфірові матеріали виключно для побутової електроніки Apple. GTAT також надала Apple певні права інтелектуальної власності, пов’язані з технологіями вирощування сапфірів.
Такі унікальні відносини потрібні були, щоб GT Advanced Technologies змогла виробляти оптично прозорі і бездоганні кристали в промислових масштабах, особливі умови були надані GTAT на заводі Apple в Арізоні. Але відносини стрімко розпалися: якість і обсяг продукції були далекі від запланованих, при собівартості, в кілька разів перевищує всі очікування. Компанія Apple розірвала відносини і в жовтні 2014 року GT Advanced Technologies почала процедуру банкрутства.
Сапфіровий екран повинен був стати головною родзинкою iPhone 6 і значно збільшити його міцність. Apple залишалося близько 5 місяців до анонсу нового iPhone тому компанії довелося шукати компромісний дизайн. Це був трагічний поворот подій, серйозно вдарила по Apple, і до цього дня відбивається на дизайні iPhone 7. Зазвичай Apple розробляє дизайн iPhone 2 роки. Крах проекту з GT Advanced Technologies змусив компанію звернути увагу на інші матеріали. В Apple прийняли рішення в майбутньому ніколи не покладатися на зовнішніх постачальників для критично важливих технологій. Чи не залишалося нічого іншого, як повернутися до креслярської дошці і почати все з чистого аркуша.
Назад до креслярської дошці або по слідах патентів Apple
Після невдалої спроби налагодити масове виробництво високоякісних сапфірів, Apple вирішила придивитися до періодичної таблиці Менделєєва в пошуках матеріалів, які можуть бути відтворені в дуже великих кількостях, і при цьому мають схожі з алюмінієм і сапфіром властивості. Apple протестувала сотні ідей, але в підсумку зупинилася на цирконієвої кераміки через максимальній близькості до шуканого результату. Патентна історія Apple говорить про те, що перший досвід знайомства і застосування кераміки в компанії датується 2006 роком, таким чином, це був природний шлях до їх наступного важливого кроку в галузі матеріалознавства.
В ідеалі матеріал для виробництва iPhone повинен бути радіопрозорим [6], що дозволяє пристрою здійснювати безперешкодне поширення широкого спектра радіочастот. В даний час iPhone має лінії для антен, навіть iPhone 7 має їх у мінімальній кількості, хоча вони і вбудовані в суцільнометалевий корпус. Алюміній успішно блокує майже всі короткі радіочастоти і чим тонше пристрою, тим відчутніше стає вплив на діапазон радіочастот.
iPhone стає радіопрозорим
Приблизно за 6 місяців до того, як iPhone був анонсований Стівом Джобсом (9 січня 2007 року), в серпні 2006 року, вчені-матеріалознавці Apple Стівен Задескі (Stephen Zadesky) і Стівен Лінч (Stephen Lynch) подали патентні заявки на «портативний обчислювальний пристрій , що включає в себе корпус і має структурні стінки, утворені з радіопрозорого керамічного матеріалу »[7].
У пояснювальній записці патенту сказано зовсім небагато.
Винахід, в одному з варіантів реалізації, відноситься до портативних обчислювальних пристроїв, здатним здійснювати бездротовий зв’язок. Таке портативний обчислювальний пристрій включає в себе корпус, який оточує і захищає його внутрішні компоненти. Корпус містить структуровані стінки, сформовані з керамічного матеріалу, який пропускає через себе бездротовий зв’язок. Бездротового зв’язку може відповідати, наприклад, радіочастотна зв’язок, а в майбутньому керамічний матеріал може стати радіопрозорим, що дозволить РЧ-хвилях безперешкодно проходити крізь нього.
Коли автор оригінального тексту Брайан Роммель вперше прочитав цю заявку на патент в 2006 році, він вже знав напевно, що в якийсь момент цирконієва кераміка стане для Apple одним з наступних основних напрямків в розробці матеріалів (тут і далі висловлюється суто особиста думка автора статті – прим.ред. ).
Радіопрозорість вирішує величезну кількість проблем. iPhone потрібно передавати і / або приймати сигнал за допомогою п’яти основних систем радіозв’язку, в тому числі стільникових мереж, Wi-Fi, Bluetooth, мати підтримку технологій NFC, GPS і т. д. У цьому і є величезна перевага використання цільного корпусу, що є при цьому радіопрозорим.
У лютому 2014 року Apple продовжила патентувати поліпшення в виробництві цирконієвої кераміки з «литтям форми з керамічних компонентів» [7]. Патентна заявка описує технологію, яка значно підвищує якість продукції, виключивши процеси, які ставали причиною дефектів.
Знаковий патент Apple про цирконієво-керамічних iPhone, MacBook і Apple Watch
3 серпня 2015 року компанія подала в Відомство по патентам і товарним знакам США (USTPO) історично важливий патентний документ, який показує майбутній напрямок продуктів Apple, названий як «CO-MOLDED CERAMIC AND POLYMER STRUCTURE» (Спільно вилита керамічна і полімерна конструкція). 8 вересня 2016 року, через день після офіційного анонса iPhone 7 і Apple Watch Series 2, патент став публічним.USTPO наклало заборону на його публікацію з серпня 2015 року до наступного дня після презентації, щоб не дати конкурентам переорієнтуватися на ідею в майбутньому.
Патент посилається на такі основи:
В якості одного конкретного прикладу, керамічні матеріали мають численні якостями, які роблять їх корисними для використання в корпусах електронних пристроїв.Наприклад, вони можуть бути дуже стійким до подряпин, що робить їх особливо придатними для електронних пристроїв, які часто страждають від ударів, подряпин, такі як носяться електронні пристрої (наприклад, смарт-годинник, окуляри і т.д.), механічні годинники та інші споживчі товари (включаючи, але не обмежуючись, медіа-плеєрами, мобільними комп’ютерами, планшетними обчислювальними пристроями і т.д.). Як конкретний приклад, висока твердість і оптична прозорість сапфірового скла (прозорий керамічний матеріал) дуже добре підходить як захисне скло для сенсорного екрану носиться електронного пристрою. Керамічні матеріали також можуть бути відносно легкими, спрощуючи зберігання, носіння та використання портативних або носяться електронних пристроїв . Більш того, керамічні матеріали можуть досягати високого ступеня полірування поверхні, що робить їх естетично надзвичайно привабливими.
Однак, як правило, з керамічних матеріалів в порівнянні з пластиком, важче створювати складні геометричні фігури . Відповідно, виробництво деталей корпусів з керамічних матеріалів може виявитися складнішим, ніж з інших матеріалів.Відповідно до сказаного вище, описане (виріб) може містити суцільнолитий полімерний матеріал з керамічної складової для формування компонентів корпусу, які включають керамічні та полімерні матеріали в певних частках. (Використовувані тут терміни «полімер» і «полімерний матеріал» охоплюють природні та синтетичні полімери, пластмаси, гуму і т.д., і т.п.).
У відповідності зі сказаним вище, деталі, які включають в себе як керамічні, так і полімерні компоненти можуть бути зроблені за менший проміжок часу і з більш високою точністю, ніж це досягається, якщо компоненти повинні бути виготовлені окремо і потім з’єднані разом за допомогою клеїть речовини . У деяких варіантах полімерний матеріал впорскується на керамічний компонент. У деяких з’єднаннях полімерний матеріал формується на поверхні керамічних компонентів з використанням інших, відмінних від лиття під тиском, способів, таких як виливок під впливом сили тяжіння або будь-якого іншого відповідного спільного формування. У тому місці, де дане міркування відноситься до ін’єкційного методу лиття, має бути зрозуміло, що інші методи лиття можуть бути застосовані в таких випадках замість або на додаток до лиття.
Apple створила методику, завдяки якій лиття під тиском може бути використано для створення цілісного корпусу і ефективного з’єднання його з екраном. Деякі особливості цієї технології вже присутні в Apple Watch Series 2 в керамічному корпусі.
