Amerykański chemik i метафизик Brian Rommel wielu lat czuwa nad ewolucją produktów Apple i po wydaniu nowych wersji iPhone i Apple Watch postanowił podzielić się tym gadaniem o tym, z jakiego materiału jest firma planuje wykorzystać w swojej elektronice po aluminium. Przedstawiamy fragmenty z artykułu tego utalentowanego autora.
Podróż Apple, którego efektem było przyjęcie cyrkonu, jako podstawowego materiału można opisać jako epicka fabuła filmu. Zaczniemy od końca i w pierwszej kolejności skupić się na naukowo-technicznej stronie zagadnienia.
Co jest cyrkon?
Циркониевая ceramika charakteryzuje się najwyższą wytrzymałością mechaniczną i twardość w temperaturze pokojowej. Dwutlenek cyrkonu posiada wysoką odporność na pękanie (lepkość zniszczenia) w porównaniu z każdej zaawansowanej technicznie ceramiki. Poziom twardości, właściwości mechaniczne i odporność na korozję czynią go idealnym pod wpływem wysokiego ciśnienia.
Obecnie dwutlenek cyrkonu znalazł zastosowanie przemysłowe w biurze штамповании, w kablach i przewodach rozciągniętych, w prowadnicach i różnych rolkach, narażonych na zużycie, zaworach ciśnienia i materiałach, uczestniczących w produkcji łożysk. Jego współczynnik rozszerzalności cieplnej jest bardzo zbliżony do stali, ta cecha sprawia, że циркониевую ceramikę idealnym tłokiem do użytku w wiercenia. Cyrkon ma doskonałą odporność na ścieranie, odporność chemiczną i odporność na korozję, a także niską przewodność cieplną.
W porównaniu z większością innych materiałów, циркониевая ceramika charakteryzuje się wysoką odpornością na zarysowania. W przeciwieństwie do aluminium, który praktycznie we wszystkich formach jest podatny na zarysowania i zadrapania. Przy tym циркониевая ceramika może mieć dowolny kolor bez użycia zewnętrznej farby.
Fizyka jądrowa: jak NASA wykorzystuje ceramikę
Циркониевая ceramika posiada również szczególną skutecznością dyspersją ciepła, chyba lepiej dowolnego innego materiału. Ciepła niezbędna do ochrony elektroniki. W kosmicznych promów kosmicznych кремниевую ceramikę Li900 stosowany jako układ ochrony termicznej, barierę, która chroni prom kosmiczny przy wejściu w atmosferę (u NASA również bardziej zaawansowana wersja Li-2200 – ok. tłumacza), rozpraszania ~1650°C zgromadzonego ciepła, dla porównania, aluminiowa obudowa chroni przed gradienty temperatury nie wyższej niż 177°C. NASA na początku badania z wykorzystaniem ceramiki na termalnych warstwach (wysokotemperaturowa izolacja wielokrotnego użytku) na początku 1960 r. dla statków kosmicznych entry-level. Badania przeprowadzone przez NASA, stały się podstawą dla wszystkich nowoczesnych metod, w tym ideę korzystania z cyrkonu.
Cyrkon + tlenek glinu lub azotek aluminium = przewodność cieplna
Krzemowa ceramika Li900 ma jeden efekt uboczny, który może się przydać w najbardziej nowoczesnych urządzeniach elektronicznych, głównie w celu odprowadzania ciepła. W czystej postaci jest bardzo słaby теплопроводником, ale to można naprawić. W elektronice jest praktykowane korzystanie z tlenku glinu lub azotku glinu, które współczynnika przewodzenia ciepła mogą przewyższyć czyste aluminium. Co prawda, to może zrobić циркониевую ceramikę krucha, jednak ten problem został rozwiązany za pomocą skutecznego równowagi.
Przezroczysta циркониевая ceramika
Циркониевая ceramika może być również przejrzysty. W 2012 roku wieżowiec Tokyo naukowo-badawcza laboratorium opublikowała przełomowe pracy [3] pod nazwą: “Tworzenie высокопрозрачной cyrkonu”. Przejrzysty ona może stać się materiałem do nowego bardzo wytrzymałego ekranu.
Материаловедческая odyseja Apple
Apple jest stale w poszukiwaniu najbardziej zaawansowanych komponentów do swoich urządzeń. W całej swojej historii firma zrewolucjonizował w użyciu aluminium, od wytopu do obrabiarek CNC mikro-milimetrowej precyzji. Apple awansowała w zastosowaniu aluminium tak daleko, że osiągnęła maksymalnie możliwych wyników, aż do “przezroczystego aluminium” (оксинитрида aluminium) [4].
Życzenie firmy poszerzyć granice nauki o materiałach, być może, przyczynił się kryzys z “Bendgate”. Kiedy iPhone stał się cieńsze, łatwiej zginać, z czym do czynienia niektórzy użytkownicy. Istnieją korygujące sposoby wykorzystania elementów wewnątrz iPhone dla utrzymania integralności strukturalnej, jednak Apple, wygląda na to, że już osiągnął limit.
“Obwodnicy” szafir sposób Apple
1 października 2013 roku Apple podpisała gumtree umowę z GT Advanced Technologies produkcji szafir szkieł do ekranów i nowych obudów iPhone, wykonanych głównie z szafiru. Informacja prasowa był optymistyczny, ale w tym samym czasie u autora Quora głębokie zaniepokojenie wywołał fakt, że Apple nie przejął firmę, tworząc zamiast tego wyjątkowe stosunki produkcji:
31 października 2013 roku GTAT (spółka zależna spółka GT Advanced Technologies) i Apple wnioskowali umowa generalna o rozwoju i dostaw, zgodnie z którym GTAT będzie dostarczać szafirowe materiały wyłącznie dla elektroniki Apple. GTAT również dostarczyła Apple pewne prawa własności intelektualnej związane z technologią uprawy szafirów.
Takie wyjątkowe relacje zajęło, aby GT Advanced Technologies mógł produkować optycznie przezroczyste i nieskalani kryształy na skalę przemysłową, szczególne warunki zostały dostarczone GTAT w fabryce Apple w Arizonie. Ale związek szybko się rozpadł: jakość i ilość produktów były dalekie od planowanych, przy kosztach, kilka razy przekracza wszelkie oczekiwania. Firma Apple zerwała stosunki i w październiku 2014 roku GT Advanced Technologies rozpoczęcia postępowania upadłościowego.
Szafirowy ekran powinien był stać się główną atrakcją iPhone 6 i znacznie zwiększyć jego wytrzymałość. Apple pozostało około 5 miesięcy do premiery nowego iPhone ‘ a więc firma musiała szukać kompromisowy projekt. To był tragiczny obrót wydarzeń, poważnie ударивший w Apple, i po dziś dzień отражающийся w projektowaniu iPhone 7. Zwykle Apple opracowuje projekt iPhone 2 lata. Upadek projektu z GT Advanced Technologies zmusił firmę zwrócić uwagę na inne materiały. W Apple podjął decyzję w przyszłości nigdy nie polegać na zewnętrznych dostawców dla krytycznych technologii. Nie pozostało nic innego, jak wrócić do deski kreślarskiej i zacząć wszystko od nowa.
Z powrotem do deski kreślarskiej lub śladami patentów Apple
Po nieudanej próbie nawiązania masowej produkcji wysokiej jakości szafirów, Apple postanowiła się przyjrzeć układzie okresowym Mendelejewa w poszukiwaniu materiałów, które mogą być odtwarzane w bardzo dużych ilościach, a przy tym mają podobne, z aluminium i szafir właściwości. Apple przetestował setki pomysłów, ale w końcu zatrzymał się na циркониевой ceramice z powodu maksymalnej odległości do pożądanego wyniku. Patentowa historia Apple mówi o tym, że pierwsze doświadczenia znajomości i stosowania ceramiki w firmie pochodzi z 2006 roku, więc to był naturalny sposób do ich kolejnego wielkiego kroku w dziedzinie inżynierii materiałowej.
Najlepiej materiał do produkcji iPhone musi być радиопрозрачным [6], pozwalający na urządzenia do przeprowadzenia nieograniczonego dystrybucja szerokiego widma częstotliwości radiowych. Obecnie iPhone ma linii do anten, nawet iPhone 7 ma ich w minimalnej ilości, choć nie są one wbudowane w metalową obudowę. Aluminium skutecznie blokuje prawie wszystkie krótkie częstotliwości radiowej i cieńszy urządzenia, tym większe staje się wpływ na zakres częstotliwości radiowych.
iPhone staje się радиопрозрачным
Około 6 miesięcy przed tym, jak iPhone został ogłoszony Steve ‘ a Jobsa (9 stycznia 2007 roku), w sierpniu 2006 roku, naukowcy-материаловеды Apple Stephen Задески (Stephen Zadesky) i Stephen Lynch (Stephen Lynch) złożyli wnioski patentowe na “przenośne urządzenie komputerowe, które wiążą się z obudowy i mająca strukturalne ścianki, wykształceni z радиопрозрачного materiału ceramicznego” [7].
W memorandum patentu mówi się całkiem sporo.
Wynalazek, w jednym z wariantów realizacji, odnosi się do przenośnych urządzeń obliczeniowych, w stanie realizować łączność bezprzewodową. To przenośne urządzenie komputerowe obejmuje obudowę, która otacza i chroni wewnętrzne komponenty. Obudowa zawiera strukturalne ścianki, uformowane z materiału ceramicznego, który przepuszcza przez siebie komunikacji bezprzewodowej. Komunikacji bezprzewodowej może odpowiadać, na przykład, częstotliwości komunikacji, a w przyszłości ceramiczny materiał może stać się радиопрозрачным, co pozwoli RF-fale bez przeszkód przechodzić przez niego.
Kiedy autor oryginalnego tekstu Brian Rommel po raz pierwszy przeczytałem tę wniosek o patent w 2006 roku, on już wiedział na pewno, że w pewnym momencie циркониевая ceramika będzie dla Apple jednym z takich podstawowych kierunków w projektowaniu materiałów (tu i dalej wypowiada się czysto osobista opinia autora artykułu – ok.red.).
Радиопрозрачность rozwiązuje mnóstwo problemów. iPhone chcesz wysyłać i/lub odbierać sygnał za pomocą pięciu podstawowych systemów łączności, w tym sieci komórkowych, Wi-Fi, Bluetooth, mieć wsparcie technologii NFC, GPS, itp. i to jest ogromną zaletą korzystania z płyt obudowy, która przy tym радиопрозрачным.
W lutym 2014 roku Apple kontynuowała opatentować poprawy w produkcji cyrkonu z “wtryskowe formy z ceramicznych elementów” [7]. Zgłoszenie patentowe, opisuje technologię, która znacznie podnosi jakość produktów, z wyłączeniem procesy, które stawały się przyczyną wad.
Słynny patent Apple o циркониево-ceramicznych, iPhone, MacBook i Apple Watch
3 sierpnia 2015 r. spółka złożyła w Urzędzie patentów i znaków towarowych USA (USTPO) historycznie ważny rzecznik dokument, pokazujący przyszłość kierunek produktów Apple, nazwany jako “CO-MOLDED CERAMIC AND POLYMER STRUCTURE” (Wspólnie jak ceramiczne i polimerowa konstrukcja). 8 września 2016 roku, dzień po oficjalnej premiery iPhone ‘ a 7 i Apple Watch Series 2, patent stał się publicznym. USTPO nałożyła zakaz jego publikacji z sierpnia 2015 r. do dnia następnego po prezentacji, aby nie dać konkurencji przekierować na pomysł w przyszłości.
Patent odnosi się na takie podstawy:
Jako jednego konkretnego przykładu, materiały ceramiczne charakteryzują się wieloma cechami, które czynią je użytecznymi do stosowania w obudowach urządzeń elektronicznych. Na przykład, mogą one być bardzo odporne na zarysowania, co czyni je szczególnie odpowiednie dla urządzeń elektronicznych, które często cierpią z powodu uderzenia, odpryski i zarysowania, takie jak przenośne urządzenia elektroniczne (np. inteligentne zegarki, okulary, itp.), mechaniczne zegarki i inne produkty konsumenckie (w tym, ale nie ograniczając się do, media odtwarzaczami, telefonami i komputerami, tabletami innymi urządzeniami, itp.). Jako konkretny przykład, wysoka twardość i optyczna przejrzystość szkła szafirowego wykonanie (przezroczysty materiał ceramiczny) bardzo dobrze nadaje się jak szyba ochronna dla ekranu dotykowego noszony urządzenia elektronicznego. Materiały ceramiczne mogą też być stosunkowo lekkie, co ułatwia przechowywanie, posiadanie i korzystanie z przenośnych lub przenośnych urządzeń elektronicznych. Ponadto, materiały ceramiczne mogą osiągnąć wysoki stopień polerowania powierzchni, co sprawia, że ich estetycznie bardzo atrakcyjne.
Jednak, jak zwykle, z materiałów ceramicznych w porównaniu z plastikiem, trudniej tworzyć skomplikowane figury geometryczne. Odpowiednio, produkcja części obudowy z materiałów ceramicznych może okazać się bardziej skomplikowane, niż z innych materiałów. Zgodnie z powyższym wyżej wymieniony (produkt) może zawierać element tworzywo sztuczne z ceramicznym elementem dla kształtowania elementów obudowy, w tym ceramiczne i polimerowe materiały w określonych częściach. (Użyte tu określenia “polimer” i “tworzywo sztuczne” obejmują naturalne i syntetyczne polimery, tworzywa sztuczne, gumy, itp., itd.).
Zgodnie z tym, co zostało powiedziane powyżej, części, które obejmują zarówno ceramiczne, jak i polimerowe elementy mogą być wykonane w krótszym okresie czasu i z większą dokładnością, niż można to osiągnąć, jeśli elementy powinny być wykonane oddzielnie, a następnie połączone ze sobą za pomocą zaprawy klejącej substancji. W niektórych wariantach tworzywo sztuczne jest wtryskiwane w ceramiczny element. W niektórych połączeniach tworzywo sztuczne tworzy na powierzchni ceramicznych elementów z wykorzystaniem innych, niż odlewania pod ciśnieniem, metod, takich jak odlewy pod wpływem siły ciężkości lub innej odpowiedniej wspólnego formowania. W tym miejscu, gdzie jest to rozumowanie odnosi się dożylnie metodą odlewania, powinno być jasne, że inne metody odlewania mogą być stosowane w takich przypadkach, zamiast lub w uzupełnieniu do rzucania.
Apple stworzyła metodę, dzięki której odlewania pod ciśnieniem może być wykorzystane do stworzenia całego korpusu i efektywnego połączenia go z ekranem. Niektóre cechy tej technologii są już obecne w Apple Watch Series 2 w obudowie ceramicznej;.
Opis na stronie internetowej firmy Apple Watch w pełni zgodny z części opisowej niniejszego patentu i naszej historii:
Wyjątkowo elegancka. Doskonale odporny na zarysowania.
Smukły, lekki i bardzo wytrzymały, ceramika więcej niż 4 razy twardsze od stali nierdzewnej, z perłowej, błyszczącą powierzchnię, która nie jest porysowana i nie ściemnia.
Proces tworzenia obudowy Apple Watch Edition zaczyna się od wysokiej wytrzymałości циркониевого proszku, i, łącząc się z tlenkiem glinu, osiąga nasycenia koloru białego. Następnie każda obudowa powstaje przez prasowania, spiekania i polerowane za pomocą diamentowej zawieszenia, co prowadzi do niezwykle gładkiej powierzchni i znakomitej blasku. Z tak precyzyjnym poziomem umiejętności na produkcję każdego obudowy Apple Watch Edition trwa kilka dni.
Na podstawie tej informacji można sądzić o tym, że Apple wykorzystuje cyrkon proszek z tlenkiem glinu. Dla idealnego koloru, a także dla przenikania ciepła. Jak wspomniano wcześniej, to się pokrywa z tym, co napisano wyżej o zwiększenie przewodności cieplnej cyrkonu.
Apple Watch Series 2 za 1 $200 w obudowie ceramicznej; zastąpił w składzie Apple model pierwszej generacji z obudową z czystego złota za $17 000, a teraz to właśnie oni awansują jako płatnej wersji inteligentnych godzin.
Co to wszystko znaczy?
Jedno można stwierdzić na pewno: premia cena daje wyraźny sygnał o tym, że iPhone wykonany z cyrkonu, będzie o wiele bardziej kosztowne, na podstawie tego przykładu. Jednak po przeprowadzonej analizy, autor doszedł do wniosku, że stosunkowo niski koszt produkcji cyrkonu w wystarczających ilościach doprowadzi do tego, że całe obudowy w obudowie bieżącego iPhone 7 na skalę przemysłową będą mniej kosztowne, niż w bieżącym cyklu produkcyjnym w maszyny do produkcji solidnych aluminiowych obudów do iPhone 7.
W ten sposób, mamy podstawę nie tylko dla następnej generacji iPhone ‘ a, ale, być może, dla wszystkich urządzeń firmy Apple, takich jak iPad, laptopy MacBook, i tak dalej, tak dalej. O tym sądzić bardzo proste – korzyści cyrkonu doskonale nadają się do każdego nowoczesnego urządzenia komputerowego.
Co popycha Apple do korzystania z cyrkonu?
- Wytrzymałość
- Радиопрозрачность
- Przewodność cieplna/odprowadzanie ciepła (z dodatkiem tlenku glinu/azotku glinu)
- Odporność na zarysowania
- Prostota budowy
Jest oczywiste, że Apple posunęła się w produkcji aluminium tak daleko, jak to w ogóle było możliwe, i osiągnęła granice możliwości jego wykorzystania dla przyszłych iPhone. Jedną z przeszkód jest to, że urządzenia stają się coraz cieńsze i poprzeczna wytrzymałość na zginanie jest już na granicy. Zgodnie z hipotezą, Apple, nowe bardziej zaawansowane układy będą przeznaczyć znacznie więcej ciepła, które trzeba skutecznie rozproszyć. Ten problem dotyczy również iPad i MacBook. Wytrzymałość i odprowadzanie ciepła, dla których ważne są nie mniej. Jak wspomniano powyżej, NASA wybrała кремниевую (za jej waga, ale przy tym pozostaje bardzo kruche) ceramikę do 24 000 płytek LI-900 w systemach osłony termicznej, aby skutecznie rozproszyć ciepło. To działa bardzo dobrze, ale nie idealnie. Z циркониевой ceramiką i wprowadzeniem tlenku glinu i/lub azotku aluminium współczynnik przenikania ciepła będzie przekraczać aluminium, w ten sposób przekształcając iPhone do urządzenia o najlepszym współczynniku przenikania ciepła [8].
Obudowa iPhone — jeden duży jednoczęściowy akumulator. Poznaj litowo-ceramiczne baterii
Istnieje intrygująca prawdopodobieństwo, że w nowej litowo-ceramiczne [9] technologia produkcji baterii może być częścią obudowy przyszłości iPhone. Ta nowa technologia pozwala na całkowicie nowy i unikalny sposób zrezygnować z osobnej baterii i wdrożenie jej w aktualną strukturę iPhone. Niestety, póki co litowo-ceramiczne baterie nie są tak skuteczne, jak tego bym chciał.
Akumulator litowo-ceramiczna bateria, jako część obudowy iPhone ‘ a nowej generacji, może mieć znacznie większą pojemność niż rekompensuje mniejszą skuteczność. Ta metoda produkcji będzie rewolucyjny i sprawi, że iPhone cieńsze i lżejsze.
Akumulator litowo-ceramiczne baterie są tak elastyczne, że można je zgiąć na pół i będą pracować. Przy tym są one znacznie bezpieczniejsze i łatwiejsze w recyklingu. Obecnie kwestia bezpieczeństwa jest poważnym problemem: po incydencie z Samsung Galaxy Note7 jednostka otrzymała zakaz stosowania na drogach oddechowych, a Komisja bezpieczeństwa produktów konsumenckich wniosła go do listy łatwopalnych i wybuchowych materiałów. Akumulator litowo-ceramiczne baterie są jednymi z najbardziej bezpiecznych akumulatorów w użyciu.
Jubileuszowy iPhone 8, z okazji 10 rocznicy
We wrześniu 2017 roku Apple wyda jubileuszowy iPhone 8. Zdaniem autora, Apple na pewno skorzysta z tej chwili, aby przedstawić zupełnie nowy projekt iPhone ‘ a, który będzie przełomowy pod wieloma względami. Autor jest przekonany, że język projektowania będzie opierać się na bardziej organicznych form i estetyki. Płynne linie obudowy będą płynąć w nowy wyświetlacz AMOLED, pracujący dzięki dla chipa graficznego, który po prostu nie mógł by funkcjonować w termalnym wskaźników w tak małej przestrzeni bez sprawnej тепловыводящей cyrkonu.
iPhone 8 będzie nie tylko wodoodporny, odporny na wodę i пылезащищенность dojdzie do poziomu, wcześniej nie виданного w smartfonie. Lightning-port będzie podobny do MagSafe-system używany na urządzeniach MacBook Pro [10] i jako podstawowy będzie indukcyjne ładowanie. Oczywiście w nim również nie będzie 3,5 mm złącze słuchawkowe.
Ale autor ma nadzieję, że w jakiś sposób Apple zawsze znajdzie powód, aby zrobić coś z aluminium. Ci, mi i reszcie świata będzie brakować, kiedy Johnny Ive mówi słowo “aluminium”.
Na podstawie materiałów: Quora