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
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
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
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
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.
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.
Знаковий патент Apple про цирконієво-керамічних iPhone, MacBook і Apple Watch
Патент посилається на такі основи:
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.
Опис на сайті компанії для Apple Watch повністю відповідає описової частини цього патенту і нашої історії:
Неповторно елегантні. Ідеально стійкий до подряпин.
Витончений, легкий і екстремально міцний, кераміка більш ніж в 4 рази твердіше нержавіючої сталі. з перламутровою, блискучою поверхнею, яка не дряпається і не тьмяніє.
Процес створення корпусу Apple Watch Edition починається з високоміцного цирконієвого порошку. і, з'єднуючись з оксидом алюмінію. досягає насиченого білого кольору. Потім кожен корпус формується шляхом пресування, спікання і полірується за допомогою алмазної суспензії, що призводить до надзвичайно гладкій поверхні і вишуканому блиску. З таким високоточним рівнем майстерності на виробництво кожного корпусу Apple Watch Edition йде кілька днів.
На підставі цієї інформації можна судити про те, що Apple використовує цирконієвий порошок з окисом алюмінію. Для ідеального кольору, а також для теплопередачі. Як згадувалося раніше, це збігається з тим, що говорилося вище про збільшення теплопровідності цирконієвої кераміки.
Apple Watch Series 2 за $ 1 200 в керамічному корпусі замінили в лінійці Apple модель першого покоління з корпусом з чистого золота за $ 17 000, і тепер саме вони просуваються в якості преміальної версії розумних годин.
Що все це означає?
Таким чином, ми маємо основу не тільки для наступного покоління iPhone, але, можливо, для всіх пристроїв Apple, включаючи iPad, ноутбуки MacBook та інше, інше. Про це судити дуже просто - переваги цирконієвої кераміки відмінно підходять для будь-якого сучасного комп'ютерного пристрою.
Що підштовхує Apple до використання цирконієвої кераміки?
- міцність
- радіопрозорість
- Теплопровідність / розсіювання тепла (з додаванням окису алюмінію / нітриду алюмінію)
- Стійкість до подряпин
- простота виготовлення
Очевидно, що Apple просунулася у виробництві алюмінію так далеко, наскільки це взагалі було можливо, і досягла меж можливості його використання для майбутніх iPhone. Одним з перешкод стало те, що пристрої стають все тонше, і поперечна міцність при вигині вже на межі. За припущенням Apple, нові більш просунуті чіпи будуть виділяти набагато більше тепла, яке потрібно ефективно розсіювати. Ця проблема також стосується iPad і MacBook. Міцність і теплопередача для них важливі не менше. Як зазначалося вище, NASA вибрала кремнієву (за її вага, але при цьому вона залишається дуже крихкою) кераміку для 24 000 плиток LI-900 в системах термозахисту, щоб ефективно розсіювати тепло. Це працює дуже добре, але не ідеально. З цирконієвої керамікою і введенням оксиду алюмінію і / або нітриду алюмінію коефіцієнт тепловіддачі буде перевершувати алюміній, таким чином перетворюючи iPhone в пристрій з найкращим коефіцієнтом теплопередачі [8].
Корпус iPhone - один великий цілісний акумулятор. Зустрічайте літій-керамічні батареї
Існує інтригуюча ймовірність того, що за новою літій-керамічної [9] технології виробництва батарея може бути частиною корпусу майбутнього iPhone. Ця нова технологія дозволяє абсолютно новим і унікальним способом відмовитися від окремої батареї і впровадити її в актуальну структуру iPhone. На жаль, поки що літій-керамічні акумулятори не настільки ефективні, як того хотілося б.
Літій-керамічна батарея, в якості складової частини корпусу iPhone наступного покоління, зможе мати істотно більшу ємність, ніж компенсує знижену ефективність. Цей метод виробництва буде революційним і дозволить зробити iPhone тонше і легше.
Літій-керамічні батареї настільки еластичні, що їх можна зігнути навпіл, і вони продовжать працювати. При цьому вони набагато безпечніше і простіше в переробці. В даний час питання безпеки є серйозною проблемою: після інциденту з Samsung Galaxy Note7 апарат отримав заборону використання на авіалініях, а Комісія з безпеки споживчих продуктів внесла його до списку легкозаймистих і вибухонебезпечних матеріалів. Літій-керамічні батареї будуть одними з найбезпечніших акумуляторів у використанні.