DARPA печатает ферриты на 3D-принтере


Недавно патентное ведомство США опубликовало документ, который наглядно объясняет давний парадокс современной электроники. Если вы когда-нибудь удивлялись, почему смартфоны стали тонкими, а зарядки к мощным ноутбукам все еще остаются увесистыми «кирпичами» — даже несмотря на бум современных GaN-технологий — загляните внутрь блока питания. Там до сих пор лежит архаичный кусок черной магнитной керамики (феррита), обмотанный медью. Патент, профинансированный агентством DARPA и Управлением военно-морских исследований (ONR), пытается ликвидировать этот исторический тупик.

Источник изображения: Тг-канал «Секреты DARPA&CIA»

Разумеется, Пентагон не ставит своей целью выпустить легкую зарядку для вашего смартфона. Уставная задача DARPA — перебросить мост между фундаментальной наукой и прикладным прототипом. Военные чипы на карбиде кремния и оксиде галлия уже способны работать на запредельных частотах и коммутировать гигантские мощности. Но вся эта полупроводниковая мощь упирается в тяжелый, раскаленный и геометрически неповоротливый керамический сердечник.

Проблема кроется в технологии производства, которая не менялась с середины прошлого века. Ферриты до сих пор делают примерно как глиняную посуду: оксидный порошок прессуют в тяжелых стальных формах под давлением в десятки тонн и спекают при 1350 градусах. На выходе получается хрупкое кольцо примитивной формы. А если нужно изогнуть трансформатор по контуру фюзеляжа дрона или прорезать в нем внутренние каналы жидкостного охлаждения? Придется заказывать уникальную пресс-форму, платить огромные суммы и ждать ее с завода полгода.

Инженеры из Университета Питтсбурга предложили печатать сердечники на 3D-принтере методом струйного склеивания. Принтер раскатывает микронный слой ферритового порошка, а печатающая головка скрепляет нужные зоны каплями полимера. Но на выходе возникает тупик: напечатанная деталь получается рыхлой, как пемза или губка для мытья посуды. Ее плотность ниже 55%, а магнитные свойства стремятся к нулю.

Тогда авторы патента применили трюк, будто подсмотренный у кондитеров. Пористую заготовку помещают в вакуумную камеру и под давлением пропитывают жидким раствором с наночастицами — ровно так, как сухой бисквит пропитывают сиропом. Затем деталь повторно обжигают в печи. Наночастицы затекают в микроскопические поры, намертво срастаются с несущим каркасом, и рыхлая заготовка превращается в плотный монолит.

Этот метод позволяет соединять в одном изделии материалы, которые прежде считались несовместимыми. Каркас можно напечатать из никель-цинкового феррита, который держит колоссальные частоты, а поры заполнить марганец-цинковым нанопорошком, дающим мощную магнитную индукцию. В теории это архитектурно обходит знаменитый предел Снука — природный барьер, заставлявший инженеров выбирать либо мощность, либо высокую частоту.

Правда, пока технология находится на стадии лабораторного поиска. Разное тепловое расширение компонентов грозит микротрещинами, а спекание требует ювелирного контроля давления кислорода, иначе материал потеряет магнитные свойства. Патент описывает метод, но не дает данных о серийных испытаниях. Но судя по тому, что в патенте есть отмененные пункты 55–75, это намек на то, что часть сценариев не подтвердилась.

Но американские военные финансируют эту технологию не ради коммерческой выгоды. DARPA и флот оплачивают возможность напечатать редкий сердечник для радара прямо на военной базе, если им перережут логистику. Они создают материалы под дозвуковые дроны и полупроводники следующего поколения на алмазе и оксиде галлия. Выстрелит этот метод или нет — пока непонятно, но направление главного удара в борьбе за электромагнитный спектр будущего уже обозначено.

Секреты DARPA&CIA

Сообщение DARPA печатает ферриты на 3D-принтере появились сначала на NEWS-FRONT.