Американский химик и метафизик Брайан Роммель долгие годы следит за эволюцией продуктов Apple и после выхода новых версий iPhone и Apple Watch решил поделиться своими рассуждениями о том, какой материал компания планирует использовать в своей электронике после алюминия. Мы представляем вашему вниманию выдержки из статьиэтого талантливого автора.

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

Что представляет из себя цирконий?

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

В настоящее время диоксид циркония нашёл промышленное применение в пресс-штамповании, в проводах и трубопроводах большой протяженности, в направляющих и различных роликах, подверженных износу, клапанах давления и материалах, задействованных в производстве подшипников. Его коэффициент теплового расширения очень близок к стали, такая особенность делает циркониевую керамику идеальным поршнем для использования в бурении. Цирконий имеет превосходную износостойкость, химическую стойкость и устойчивость к коррозии, а также низкую теплопроводность.

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

Ракетостроение: 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 (у NASA также есть более продвинутая версия Li-2200 – прим. переводчика), рассеивая ~1650°C накопленного тепла, для сравнения, алюминиевый кожух защищает от температурных градиентов не выше чем 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, проведённые 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 наиболее современных электронных устройствах, главным образом для отвода тепла. В чистом виде она является очень слабым теплопроводником, но это можно исправить. В электронике практикуется использование оксида алюминия или нитрида алюминия, которые по коэффициенту теплопроводности могут превзойти чистый алюминий. Правда, это может сделать циркониевую керамику хрупкой, однако это 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 высокопрозрачной циркониевой керамики». Прозрачной она может послужить материалом для нового очень прочного экрана.

Материаловедческая одиссея Apple

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

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

«Объездной» сапфировый путь Apple

1 октября 2013 года 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 этого уникальные производственные отношения:

31 октября 2013 года GTAT (дочерняя компания GT Advanced Technologies) и Apple заключили генеральный договор о разработке и поставках, в соответствии с которым 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 потребовались, 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 объём продукции были далеки от запланированных, при себестоимости, в несколько раз превышающей 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, серьёзно ударивший по Apple, и по сей день отражающийся на дизайне iPhone 7. Обычно Apple разрабатывает дизайн iPhone 2 года. Крах проекта с 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. Не оставалось ничего другого, как вернуться к чертежной доске и начать всё с чистого листа.

Назад к чертёжной доске или по следам патентов Apple

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

В идеале материал для производства iPhone должен быть радиопрозрачным [6], позволяющим 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 встроены 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, включающее в себя корпус и имеющее структурные стенки, образованные из радиопрозрачного керамического материала» [7].

В пояснительной записке патента сказано совсем немного.

Изобретение, в одном из вариантов реализации, относится к портативным вычислительным устройствам, 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-волнам беспрепятственно проходить сквозь него.

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

Радиопрозрачность решает огромное количество проблем. iPhone требуется передавать и/или принимать сигнал посредством 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, являющегося при этом радиопрозрачным.

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

Знаковый патент Apple о циркониево-керамических iPhone, MacBook и Apple Watch

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

Патент ссылается на такие основы:

В качестве одного конкретного примера, керамические материалы обладают многочисленными качествами, которые делают их полезными для использования в корпусах электронных устройств. Например, они могут быть весьма устойчивым к царапинам, что делает их особо подходящими для электронных устройств, которые часто страдают от ударов, сколов и царапин, такие как носимые электронные устройства (например, смарт-часы, очки и т.д.), механические часы и другие потребительские продукты (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 носимого электронного устройства. Керамические материалы также могут быть относительно легкими, упрощая хранение, ношение и использование портативных или носимых электронных устройств. Более того, керамические материалы могут достигать высокой степени полировки поверхности, что делает их эстетически чрезвычайно 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 более сложным, чем из других материалов. Согласно сказанному выше, описанное (изделие) может содержать цельнолитой полимерный материал с керамической составляющей для формирования компонентов корпуса, включающих керамические и полимерные материалы в определённых 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 произведены 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 воздействием силы тяжести или любого другого соответствующего совместного формования. В том месте, где данное рассуждение относится к инъекционному методу литья, должно быть понятно, что другие методы литья могут быть применены в таких случаях вместо или в дополнение к литью.

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