Стекольный завод: как Corning создала ультратонкий, сверхпрочный материал будущего

-   Дизайн хочет быть свободным   Дон Стоуки знал, что провалил эксперимент - Дизайн хочет быть свободным

Дон Стоуки знал, что провалил эксперимент. Однажды в 1952 году химик Corning Glass Works поместил образец светочувствительного стекла в печь и установил температуру 600 градусов Цельсия. В какой-то момент во время пробега неисправный контроллер позволил температуре подняться до 900 градусов С. Ожидая расплавленного сгустка стекла и разрушенной печи, Стооки открыл дверь, чтобы обнаружить, что, странным образом, его силикат лития превратился в молочно-белую пластину , Когда он попытался удалить его, образец выскользнул из щипцов и рухнул на пол. Вместо того, чтобы разбиться, он отскочил.

Будущий новичок в Зале Славы Национального Изобретателя не знал об этом, но он только что изобрел первую синтетическую стеклокерамику, материал, который Корнинг позже назвал бы Pyroceram. Легче алюминия, тверже высокоуглеродистой стали и во много раз прочнее обычного натриево-кальциевого стекла, Pyroceram в конечном итоге нашел свой путь во всем - от конусов носа ракеты до химических лабораторий. Он также может быть использован в микроволновых печах, и в 1959 году Pyroceram дебютировал как линейка блюд космической эры: Corningware.

Этот материал стал благом для Корнинга, и вскоре компания запустила Project Muscle - масштабную научно-исследовательскую работу по исследованию других способов укрепления стекла. Прорыв произошел, когда ученые компании разработали недавно разработанный метод армирования стекла, который заключался в погружении его в ванну с горячей калиевой солью. Они обнаружили, что добавление оксида алюминия к данной стеклянной композиции перед погружением приведет к замечательной прочности и долговечности. Вскоре ученые бросили укрепленные тумблеры со своего девятиэтажного здания и бомбардировали стекло, известное внутри как 0317, замороженными цыплятами. Перед переломом его можно было согнуть и изогнуть в необычайной степени, и он мог выдержать 100 000 фунтов давления на квадратный дюйм. (Обычное стекло может выдержать около 7000). В 1962 году Corning начал продавать стекло как Chemcor и подумал, что оно может работать для таких продуктов, как телефонные будки, тюремные окна и очки.

Тем не менее, хотя было много первоначального интереса, продажи были медленными. Некоторые компании делали небольшие заказы на такие продукты, как защитные очки. Но они были вызваны из-за боязни того, что стекло может взорваться. Казалось, что Chemcor создаст хорошее автомобильное ветровое стекло, и хотя оно появилось в нескольких Javelins производства American Motors, большинство производителей не были убеждены в том, что платить больше за новое мускульное стекло стоило того - особенно когда ламинированные вещи, которые они использовали с 30-х годов, казалось, работали нормально.

Corning изобрел дорогой апгрейд, который никто не хотел. Не помогло то, что краш-тесты обнаружили, что «лобовое замедление было значительно выше» на ветровых стеклах - Chemcor может остаться нетронутым, но человеческие черепа - нет.

После неудачных попыток Ford Motors и других автопроизводителей Project Muscle был закрыт, а Chemcor был отложен на полку в 1971 году. Это было решение, которое должно было ждать, пока возникнет нужная проблема.

Когда стекло закалено и укреплено, оно может выдержать огромное усилие от нажатия рычага.

Фото: Макс Агилера-Хеллвег

Сверху, штаб-квартира Corning в северной части штата Нью-Йорк выглядит как инопланетянин из Space Invaders : спроектированный архитектором Кевином Рошем в начале 90-х, конструкция разветвлена ​​в шахматном порядке. Однако с земли тонированные окна и удлиненные карнизы делают здание больше похожим на глянцевый футуристический японский дворец.

Офис Wendell Weeks, генерального директора Corning, находится на втором этаже с видом на реку Chemung. Именно здесь Стив Джобс дал 53-летней Неделе казалось бы невозможное задание: сделать миллионы квадратных футов ультратонкого, сверхпрочного стекла, которого еще не было. Ох, и сделай это через шесть месяцев. История их сотрудничества - в том числе попытка Джобса читать лекции по принципам стекла и его настойчивость в том, что такой подвиг может быть совершен - хорошо известна. Как на самом деле справился Корнинг, это не так.

Недели присоединился к Корнинг в 1983 году; прежде чем занять высшую должность в 2005 году, он курировал как телевизионные, так и специализированные компании. Поговорите с ним о стекле, и он описывает его как нечто экзотическое и красивое - материал, потенциал которого только начинает раскрываться учеными. Он будет хлестать о присущей ему осязаемости и подлинности, только чтобы перейти к лекции о радиочастотной прозрачности. «В конструкторской ценности стекла есть некая фундаментальная истина», - говорит Уикс, держа в руках чистую гальку. «Это как найденный объект; он холодный на ощупь; он гладкий, но имеет поверхность. Что бы вы действительно хотели, чтобы это ожило. Это был бы идеальный продукт».

Недели и Джобс поделились оценкой дизайна. Оба мужчины одержимы деталями. И оба тяготеют к большим вызовам и идеям. Но в то время как Джобс был диктаторским в своем стиле управления, Недели (как и многие его предшественники в Корнинге) склонны поощрять степень неповиновения. «Разделения между мной и кем-либо из ученых-испытателей не существует», - говорит он. «Мы можем работать в этих небольших командах очень расслабленно и по-прежнему гиперинтенсивно».

Действительно, несмотря на то, что это большая компания - 29 000 сотрудников и доход в 7,9 млрд. Долл. США в 2011 году - Corning по-прежнему думает и ведет себя как небольшая компания, что облегчается благодаря ее относительно удаленному расположению, годовому уровню отсева, составляющему около 1%, и обширная институциональная память. (Стоуки, которому сейчас 97 лет, и другие легенды до сих пор бродят по залам и лабораториям парка Салливан, научно-исследовательского центра Corning.) «Мы все здесь пожизненно», - говорит Уикс, улыбаясь. «Мы знали друг друга уже давно, добились успеха и потерпели неудачу вместе несколько раз».

Один из первых разговоров между Неделями и Джобсом на самом деле не имел никакого отношения к стеклу. Ученые из Корнинга возились с технологиями микропроекции, в частности, с лучшими способами использования синтетических зеленых лазеров. Мысль состояла в том, что люди не захотят смотреть на крошечные экраны мобильных телефонов, чтобы смотреть фильмы и телепередачи, и проекция казалась естественным решением. Но когда Недели поговорили об этом с Джобсом, глава Apple назвал эту идею глупой. Однако он упомянул, что работает над чем-то лучшим - устройством, вся поверхность которого была дисплеем. Он назывался iPhone.

Джобс, возможно, отклонил зеленые лазеры, но они представляли инновацию ради инновации, которая определяет Corning. Это почтение к экспериментам настолько сильно, что компания регулярно инвестирует 10% своего дохода в исследования и разработки. И это в хорошие и плохие времена. Когда в 2000 году лопнул телекоммуникационный пузырь, и цены на оптоволокно резко упали, к 2002 году акции Corning поднялись со 100 до 1,50 долл. На акцию, тогда как его генеральный директор заверил ученых, что Corning не только занимается исследованиями, но и исследованиями и разработками станут путем к процветанию. ,

«Это одна из немногих технологических компаний, которые смогли регулярно изобретать себя», - говорит Ребекка Хендерсон, профессор Гарвардской школы бизнеса, изучавшая историю инноваций Corning. «Это так легко сказать, и это так трудно сделать». Частично этот успех заключается в способности компании не только разрабатывать новые технологии, но и выяснять, как сделать их массовыми. Тем не менее, даже когда Corning преуспевает в обоих направлениях, часто производителям требуются десятилетия, чтобы найти подходящий и достаточно прибыльный рынок для своих инноваций. Как отмечает Хендерсон, инновации в Corning - это, в основном, желание и возможность брать неудачные идеи и применять их в других местах.

Стекло представляет собой смесь очень мелких порошков, таких как известняк, песок и борат натрия.

Фото: Макс Агилера-Хеллвег

Идея стереть образцы Chemcor фактически возникла в 2005 году, еще до того, как Apple вошла в картину. Motorola недавно выпустила Razr V3, раскладной телефон со стеклянным экраном вместо типичного ударопрочного пластика. Корнинг сформировал небольшую группу, чтобы проверить, можно ли восстановить стекло, подобное 0317, и применить его к таким устройствам, как сотовые телефоны и часы. Старые образцы Chemcor были толщиной 4 миллиметра. Но, может быть, они могли бы быть тоньше. После некоторых исследований рынка руководители компании решили, что компания может даже заработать немного денег на этом специализированном продукте. Проект был под кодовым названием Gorilla Glass.

К тому времени, как в феврале 2007 года поступил звонок от Джобса, эти начальные набеги не зашли слишком далеко. Внезапно Apple потребовала огромного количества 1,3-мм химически упрочненного стекла, чего раньше никогда не создавалось, тем более не производилось. Может ли Chemcor, который никогда не выпускался серийно, жениться на процессе, который привел бы к таким масштабам? Может ли стекло, специально предназначенное для таких применений, как лобовое стекло автомобиля, быть ультратонким и при этом сохранять свою прочность? Будет ли процесс химического упрочнения эффективно работать на таком стекле? Никто не знал. Таким образом, Недели сделали то, что сделал бы любой генеральный директор со склонностью к риску. Он сказал да.

Для материала, который настолько знаком, что он практически невидим, современное промышленное стекло чрезвычайно сложно. Стандартное натриево-натриевое стекло прекрасно работает для бутылок и лампочек, но ужасно для других применений, потому что оно может разбиться на острые осколки. Боросиликатное стекло, такое как Pyrex, может отлично противостоять тепловому удару, но для его расплавления требуется много энергии. В то же время, в действительности существует только два способа производства плоского стекла в больших масштабах, так называемый процесс литья под давлением и процесс флоат-стекла, при котором расплавленное стекло наливается в слой расплавленного олова. Одна из проблем, с которой сталкивается стекольная компания, заключается в подборе композиции со всеми ее желаемыми характеристиками к процессу производства. Одно дело придумать формулу. Другое дело - производить из него продукт.

Corning работает над новыми гибкими составами стекла, которые будут поставляться на катушках.

Фото: Макс Агилера-Хеллвег

Независимо от состава, основным компонентом почти всего стекла является диоксид кремния (он же песок). Поскольку у него такая высокая температура плавления (1720 градусов Цельсия), другие химические вещества, такие как оксид натрия, используются для понижения температуры плавления смеси, что облегчает работу с ней и делает ее более дешевой в производстве. Многие из этих химических веществ также придают стеклу особые свойства, такие как устойчивость к рентгеновским лучам, устойчивость к высоким температурам или способность преломлять свет и рассеивать цвета. Проблемы возникают, однако, когда состав меняется; малейшее изменение может привести к совершенно другому материалу. Например, добавление плотного элемента, такого как барий или лантан, приведет к снижению температуры плавления, но вы рискуете не получить однородную смесь. Увеличение максимальной прочности стекла означает, что вы также повышаете вероятность его сильного разрушения, когда оно выходит из строя. Стекло - это материал, управляемый компромиссами. Вот почему композиции, особенно те, которые точно настроены для конкретного производственного процесса, являются строго охраняемыми секретами.

Одним из ключевых этапов в производстве стекла является охлаждение. При крупномасштабном изготовлении стандартного стекла материал должен постепенно и равномерно охлаждаться, чтобы минимизировать внутренние напряжения, которые в противном случае могли бы облегчить его разрушение. Это называется отжигом. Однако цель с закаленным стеклом состоит в том, чтобы добавить напряжение между внутренним и внешним слоем материала. Как это ни парадоксально, это может сделать стекло более прочным: нагреть лист стекла до тех пор, пока оно не станет мягким, а затем быстро охладить или охладить его внешние поверхности. Эта внешняя оболочка быстро сжимается, а внутренняя часть остается расплавленной. Когда центр стекла остывает, он пытается сжаться, натягивая внешнюю оболочку. В центре образуется зона растяжения, а внешние поверхности еще более плотно сжаты. Закаленное стекло в конечном итоге сломается, если вы пробьетесь через этот закаленный внешний сжимающий слой в зону натяжения. Но даже у термического отпуска есть свои пределы. Степень усиления, которую вы можете достичь, зависит от того, насколько стекло сжимается при охлаждении, и большинство композиций будут сжиматься лишь незначительно.

Взаимодействие сжатия и напряжения лучше всего демонстрируется тем, что называется каплей Принца Руперта. Быстро остывшие и сжатые головки этих капелек в форме головастика, образованные в результате капания шариков расплавленного стекла в ледяную воду, выдерживают огромное количество наказаний, включая повторные удары молотком. Тем не менее, тонкое стекло на конце хвоста более уязвимо, и если вы сломаете его, трещина будет распространяться через каплю со скоростью 2000 миль в час, освобождая внутреннее напряжение. Насильно. В некоторых случаях капля Принца Руперта может взорваться с такой силой, что она действительно испустит вспышку света.

Химическое упрочнение, метод обогащения стекла, разработанный в 60-х годах, также создает слой сжатия благодаря так называемому ионному обмену. Алюмосиликатные композиции, такие как Gorilla Glass, содержат диоксид кремния, алюминий, магний и натрий. Когда стакан погружают в горячую ванну с расплавленной калиевой солью, он нагревается и расширяется. И натрий, и калий находятся в одном столбце периодической таблицы элементов, что означает, что они ведут себя одинаково. Тепло от ванны увеличивает миграцию ионов натрия из стекла, и подобные ионы калия легко всплывают и занимают свое место. Но поскольку ионы калия больше, чем натрий, они плотнее упаковываются в пространство. (Представьте себе, что вы взяли гараж, полный Fiat 500 и заменили большинство из них на Chevy Suburbans.) Когда стекло остывает, они сжимаются в этом теперь тесном пространстве, и на поверхности стекла образуется слой сжимающего напряжения. (Corning обеспечивает равномерный ионный обмен, регулируя такие факторы, как тепло и время.) По сравнению с термически упрочненным стеклом эффект «набивки» или «скученности» в химически упрочненном стекле приводит к более высокому сжатию поверхности (в четыре раза сильнее). и это можно сделать со стеклом любой толщины и формы.

Инженеры Corning используют множество устройств для пыток, чтобы проверить пределы своих продуктов.

Фото: Макс Агилера-Хеллвег

К концу марта Корнинг приблизился к своей формуле. Но компания также нуждалась в его производстве. Об изобретении нового производственного процесса не могло быть и речи, так как это может занять годы. Чтобы уложиться в сроки Apple, двум композиторам из Corning, Адаму Эллисону и Мэтту Дейнеке, было поручено выяснить, как адаптировать и устранять неполадки в процессе, который уже использовалась компанией. Им нужно было нечто, способное выплеснуть огромное количество тонкого, чистого стекла за считанные недели.

На самом деле был только один выбор: фьюжн-дро. В этой технике расплавленное стекло наливается из резервуара в желоб, называемый изопайп. Стекло переливается с каждой стороны, затем два потока возвращаются под изопайп. Это опущено с предписанной скоростью роликами, чтобы сформировать непрерывный лист. Чем быстрее оно нарисовано, тем тоньше стекло.

Один из заводов Corning, способный к термоядерному синтезу в США, находится в Гарродсбурге, штат Кентукки. В начале 2007 года семь танков этого завода высотой 15 футов работали на полную мощность, каждый из которых производил более 1000 фунтов в час распроданных ЖК-стекол для телевизионных панелей. Один танк мог удовлетворить первоначальный запрос Apple. Но сначала нужно было переформулировать старые композиции Chemcor. Теперь стекло должно было не только 1,3 мм, но и визуально лучше, чем, скажем, панель в телефонной будке. У Эллисона и его команды было шесть недель, чтобы это закрепить. Чтобы быть совместимым с процессом плавления, стекло также должно быть очень эластичным, как жевательная резинка, при довольно низкой температуре. Проблема заключалась в том, что все, что вы делаете для увеличения клейкости стекла, также значительно затрудняет его плавление. Одновременно изменяя семь отдельных частей композиции - в том числе изменяя уровни нескольких оксидов и добавляя один новый секретный ингредиент - ученые-композиторы обнаружили, что им удалось увеличить вязкость, а также получить тонко настроенное стекло, способное к более высоким напряжениям сжатия и быстрее ионный обмен. Танк был запущен в мае 2007 года. К июню он выпустил достаточно Gorilla Glass, чтобы покрыть семь футбольных полей.

Всего за пять лет Gorilla Glass превратилась из материала в эстетику - бесшовную перегородку, отделяющую наши физические сущности от цифровых воплощений, которые мы носим в наших карманах. Мы касаемся внешнего слоя, и наше тело замыкает цепь между электродом под экраном и его соседом, превращая движение в данные. В настоящее время он представлен в более чем 750 продуктах и ​​33 брендах по всему миру, включая ноутбуки, планшеты, смартфоны и телевизоры. Если вы регулярно прикасаетесь к гаджету, смахиваете с него или ласкаете, скорее всего, вы общались с Gorilla.

Выручка Corning от производства стекла выросла с 20 миллионов долларов в 2007 году до 700 миллионов долларов в 2011 году. Есть и другие области применения, помимо сенсорных экранов. В этом году на лондонском фестивале дизайна Eckersley O'Callaghan, дизайнерская фирма, ответственная за некоторые из самых знаковых магазинов Apple, представила стеклянную скульптуру, похожую на змеевик, полностью изготовленную из стекла Gorilla Glass. Он может даже оказаться на лобовом стекле: компания ведет переговоры об установке его в будущих моделях спортивных автомобилей.

Сегодня две желтые руки-роботы захватывают панели Gorilla Glass площадью 5 футов со специальными присосками, ограничивающими остатки, и помещают их в деревянные ящики. Из Харродсбурга эти ящики доставляются в Луисвилл и загружаются на западный поезд. Как только они достигают побережья, листы загружаются на грузовые суда для их возможной даты на одном из заводов Corning в Китае, где они получают свои ванны расплавленного калия и режутся на осязаемые прямоугольники.

Конечно, при всех его магических свойствах, быстрое сканирование Интернета покажет, что Gorilla Glass действительно терпит неудачу, иногда так впечатляюще. Он ломается, когда телефоны падают, пауками, если они гнутся, трещит, когда они сидят. Gorilla Glass - это, в конце концов, стекло. Вот почему небольшая команда в Корнинге проводит большую часть дня, разбираясь с вещами.

«Мы называем это норвежским молотком», - говорит Джеймин Амин, вытаскивая металлический цилиндр из деревянной коробки. Инструмент обычно используется авиастроителями для проверки прочности алюминиевого фюзеляжа самолета. Но Амин, который наблюдает за всей новой разработкой стекла в семействе Gorilla, отводит подпружиненный ударный молот и высвобождает 2 Дж энергии удара на кусок стекла толщиной 1 мм, достаточный для того, чтобы положить большую вмятину в блок. дерево. Ничего не произошло.

Успех Gorilla Glass представляет некоторые уникальные проблемы для Corning. Это первый раз, когда компания сталкивается с требованиями такой быстрой итерации: каждый раз, когда выпускается новая версия стакана, необходимо следить за тем, как он работает в полевых условиях, на надежность и надежность. Для этого команда Амина собирает сотни разбитых телефонов Gorilla Glass. «Почти все поломки, будь то большие или маленькие, начинаются в одном месте», - говорит старший научный сотрудник Кевин Рейман, указывая на почти невидимый чип на HTC Wildfire, одном из нескольких хрустящих телефонов на столе перед ним. Как только вы действительно найдете это место, вы можете начать измерять трещину, чтобы получить представление о том, как натяжение было приложено к стеклу; если вы можете воспроизвести разрыв, вы можете изучить, как он распространяется, и попытаться предотвратить его либо композиционно, либо путем химического усиления.

Вооружившись этой информацией, остальная часть группы снова и снова воссоздает этот точный вид отказа. Они используют рычажные прессы; тестеры падений с гранитными, бетонными и асфальтовыми поверхностями; свободный гравитационный шарик падает; и различные промышленные пытки устройства, вооруженные арсеналом алмазных наконечников. Есть даже высокоскоростная камера, способная снимать со скоростью 1 миллион кадров в секунду, чтобы изучать изгиб и распространение дефектов.

Все это разрушение и контролируемый хаос окупились. По сравнению с первой версией стекла Gorilla Glass 2 на 20 процентов прочнее (третья версия должна выйти в начале следующего года). Ученые состава Corning достигли этого, доведя сжимающее напряжение до предела - они были консервативны с первой версией Gorilla - при этом удалось избежать взрывной поломки, которая может сопровождаться этим увеличением. Тем не менее, стекло является хрупким материалом. И хотя хрупкие материалы имеют тенденцию быть чрезвычайно прочными при сжатии, они также чрезвычайно слабы при растяжении: если вы согните их, они могут сломаться. Ключом к Gorilla Glass является то, что компрессионный слой препятствует распространению трещин через материал и катастрофически позволяет натяжению завладеть. Бросьте телефон один раз, и экран может не сломаться, но вы можете нанести достаточно урона (даже микроскопический ник), чтобы критически истощить его последующую силу. Следующая капля, даже если она не такая серьезная, может быть смертельной. Это одно из неизбежных последствий работы с материалом, который связан с компромиссами, с попыткой создать совершенно незаметный материал.

Вернувшись на завод в Харродсбурге , мужчина в черной футболке Gorilla Glass проводит лист стекла толщиной 100 микрон (толщиной с алюминиевую фольгу) через ряд роликов. Машина выглядит как печатный станок, и, соответственно, стекло, которое она снимает, изгибается и изгибается, как гигантский мерцающий лист прозрачной бумаги. Этот удивительно тонкий, раскатывающийся материал называется ивой. В отличие от Gorilla Glass, который предназначен для использования в качестве брони, Ива больше похожа на плащ. Он прочный и легкий, и у него большой потенциал. Corning воображает, что это облегчит гибкие проекты смартфонов и сверхтонкие, свернутые OLED-дисплеи. Энергетическая компания также может использовать Уиллоу для гибких солнечных батарей. Corning даже предусматривает электронные книги со стеклянными страницами.

В конце концов, Уиллоу отправится на огромных катушках, таких как киноленты, каждая из которых держит до 500 футов стекла. То есть, когда кто-то размещает заказ. На данный момент стеклянные рулоны лежат на заводском этаже Harrodsburg - решение, которое ждет, когда возникнет нужная проблема.

Брайан Гардинер ( b[email protected] ) также пишет об анатомических моделях из боросиликата в этом выпуске.

Может ли Chemcor, который никогда не выпускался серийно, жениться на процессе, который привел бы к таким масштабам?
Может ли стекло, специально предназначенное для таких применений, как лобовое стекло автомобиля, быть ультратонким и при этом сохранять свою прочность?
Будет ли процесс химического упрочнения эффективно работать на таком стекле?