國產光纖連接器用氧化鋯陶瓷套筒的技術進步

王鴻娟*，嚴慶云*，宋先玉*，司文捷，
*深圳市愛爾創科技有限公司, 清華大學新型陶瓷及精細工藝國家重點實驗室

行業及產品概述：

    氧化鋯陶瓷插芯及套筒是光纖活動連接器中的核心部件，2000年以前國際上只有京瓷（Kyocera）、東陶（Toto）等幾家日本公司掌握氧化鋯陶瓷插芯及套筒的完整生產技術。近十年來，我國大陸和臺灣十幾家企業從國外引進陶瓷插芯生產線，現在陶瓷插芯已形成了月產2000萬只以上的生產能力。日本一直未向我國轉讓氧化鋯陶瓷套筒技術，國內企業和研究單位經過數年的研制，已掌握了從氧化鋯粉體到精密加工的陶瓷套筒全套生產技術，產品已大部分取代進口產品，現在國產陶瓷套筒已形成了月產1500萬只以上的生產能力，成為最大的陶瓷套筒生產國。

    國內從事氧化鋯套筒研究的單位主要有上海硅酸鹽研究所及清華大學陶瓷國家重點實驗室等。精密加工套管的工業基礎是鐘表元件加工業，我國有很好的工業基礎，并且在加工中要使用大量的勞動力，我國進行陶瓷套筒生產有很大的優勢。我國最早從事套筒規模的生產企業有天津超科公司、北京紫光方大陶瓷公司、天津高石陶瓷公司及深圳愛爾創科技有限公司等。深圳愛爾創技術有限公司現在是國內最大的氧化鋯陶瓷套筒生產企業，2001年開始采用國產氧化鋯粉體進行陶瓷套筒生產的研發， 2002年初取得成功?，F在氧化鋯陶瓷套筒成品的生產量已達到月產500萬只，產量占國產套管的30％以上，產品質量得到國內外主流用戶認可，并已部分取代日本產品，使用在重大工程的光纖主干線上。

    我國對氧化鋯陶瓷插芯及套筒的國產化非常重視，在“十五”國家“863”高技術發展計劃中，分別對“光纖連接器陶瓷插芯用氧化鋯粉體”(承擔單位：上海硅酸鹽研究所)及“光纖連接器用氧化鋯陶瓷套筒大規模國產化技術”（承擔單位：深圳愛爾創科技有限公司，清華大學）進行了支持，經過幾年的努力，我國從氧化鋯粉體到插芯、套筒的生產技術都取得了很大進展，成為了世界上最大的光纖連接器用氧化鋯陶瓷插芯及套筒生產國。國內已經有氧化鋯粉體生產廠家研究出了可用于光纖連接器插芯及套筒的粉體，質量達到了日本TOSOH公司的水平，為我國氧化鋯插芯及套筒的大規模國產化打下了良好基礎。

    一般要求活動連接器的插入損耗小于0.20dB，必須使陶瓷套筒的技術指標滿足以下要求（以某一型號為例）：

氧化鋯陶瓷套筒：

外徑：Φ3.20±0.01mm, 內徑：Φ2.495±0.002mm，長：11.4±0.1mm。

氧化鋯套筒工藝流程為: 

    原料—混料—造粒—成型（注射成型或等靜壓成型）—燒結—端面加工—粗修孔—同心度加工—精磨內孔—精磨外園—開槽—刷棱—清洗

氧化鋯套筒的技術關鍵如下：

(1)氧化鋯陶瓷生產技術。主要包括：氧化鋯原料制備，配和料制備，成型技術。

(2)陶瓷件的精密加工技術。內孔精加工、外園精加工、開槽、刷棱。

國產氧化鋯納米粉體進展：
近年來陶瓷套筒的技術進步主要體現在國產氧化鋯納米粉體的質量的大幅度提高及氧化鋯陶瓷套筒在使用過程中破損的降低及使用壽命的提高。

圖1  氧化鋯陶瓷插芯長期使用后的端面情況

    (a)采用一般氧化鋯超細粉體制造的插芯長期使用后的端面情況（由于相變，表面粗糙度下降）  (b) 采用專用氧化鋯插芯粉體制造的氧化鋯插芯長期使用后情況（表面粗糙度無變化）

    用于制造陶瓷插芯及套筒的納米氧化鋯原料長期以來被日本所壟斷，日本Tosoh公司及住友大阪水泥公司生產的氧化鋯粉體具有純度高、燒結溫度低、密度高、材料強度高等特點，而過去我國生產的氧化鋯粉體質量上與日本產品友較大差距，無法用于生產插芯和套筒。采用不合格氧化鋯粉體生產陶瓷插芯或套筒時，產品長期使用以后，插芯端面會變粗糙，使插芯的插入損耗大幅度增加（如圖1所示）；而套筒由于老化強度會大幅度下降，套筒會產生破損。深圳愛爾創公司的前身為北京愛爾創精密陶瓷技術有限公司，2001年1月成立于北京中關村上地科技園，開始與國內相關廠家合作，致力于用于陶瓷插芯及套筒氧化鋯粉料地研發工作。用于陶瓷套筒氧化鋯粉料的基本要求為燒結溫度小于1500℃，燒結密度大于6.0g/cm3，三點彎曲強度大于900MPa；用于陶瓷插芯氧化鋯粉料的基本要求為燒結溫度小于1400℃（最好為1350℃），燒結密度大于6.0g/cm3，三點彎曲強度大于800MPa。幾年來開發了多個系列的粉體，可以分別滿足陶瓷插芯及套筒的要求，其中2002年開發成功ultra-2氧化鋯粉體在1450℃的燒結密度達到6.02 g/cm3， 強度和外觀都達到陶瓷套筒的要求，為陶瓷套筒國產化打下了基礎。經過進一步研究攻關，2003年開發成功ultra-3氧化鋯粉體，1350℃的燒結密度達到6.03 g/cm3，1450℃的燒結密度達到6.05 g/cm3，粉料的燒結特性及其燒結后材料強度都達到了日本Tosoh公司的水平。圖3為幾種國產納米氧化鋯陶瓷粉料與日本粉料燒結特性的比較。從圖中可知我們采用的ultra-3粉體的燒結性能已經達到了日本粉料的水平。

圖2  國產氧化鋯粉體燒結溫度與日本產品比較
（燒結密度為6.0g/cm3時的燒結溫度）

圖3  國產與日本氧化鋯粉料燒結特性比較

    圖4為氧化鋯陶瓷粉體老化性能的比較。氧化鋯陶瓷老化性能分別決定在長期使用條件下，插芯的使用精度及套筒的使用壽命。從圖中可以看出，采用抗老化國產粉體在1450℃燒結下的老化性能與日本抗老化粉體的性能相當，在140℃水熱情況下，24小時的表面相變量小于20%，即相當于在正常工作溫度下，可以工作20年以上，材料的強度不會有大幅度下降。而對于普通氧化鋯粉體，在140℃水熱情況下，24小時的表面相變量會達到80&，材料的強度會大幅度下降，甚至由于大量產生的單斜相的體積膨脹，氧化鋯套筒會產生自發破損。

圖4  國產氧化鋯粉料老化性能與日本粉體的比較

氧化鋯陶瓷套筒的破損分析：

    陶瓷套筒在實際使用過程中的破損是影響產品質量的最大問題。陶瓷套筒在使用過程中的破碎原因非常復雜，歸納起來有以下幾種情況：（1）陶瓷套筒的強度過低，經受不住插芯插入時所產生的應力。（2）陶瓷套筒由于靜態疲勞而產生破碎。（3）長期在高溫潮濕情況下，氧化鋯陶瓷套筒產生大量四方相到單斜相的自發馬氏體相變，從而產生老化導致套筒強度大幅度降低。(4) 人為非正常插拔，使陶瓷套筒產生局部應力集中。(5) 金屬或非金屬法蘭質量不合格。

    從上面的分析可知，抗老化國產氧化鋯粉體的使用可以排除老化引起的陶瓷套筒的破壞。陶瓷套筒本身的強度成為影響套筒破損的主要因素。

    由表1可知，不同廠家的陶瓷套筒的抗壓破壞荷載一般為13至25公斤之間，計算可知氧化鋯陶瓷材料的斷裂強度范圍為500至1200MPa之間。愛爾創陶瓷套筒第三代產品的強度已與日本產品相當。

 

表1 國產陶瓷套筒抗壓破壞荷載與日本產品的比較

    另外對氧化鋯材料的動態疲勞和循環疲勞實驗結果表明，氧化鋯陶瓷中都存在著裂紋緩慢擴展行為，即陶瓷套筒存在疲勞破壞的可能性。對強度－斷裂幾率－壽命預測圖（SPT圖，見圖5）的研究表明，當假設國產氧化鋯套筒的最大受力為200MPa時（實際通過有限元分析表明，套筒在正常使用過程中的受力小于100MPa），陶瓷套筒使用20年的破損幾率只有萬分之一以下。

 圖5 國產套筒的強度－斷裂幾率－壽命預測圖

小結
    近十年來，我國光纖活動連接器用氧化鋯插芯及套筒的生產能力、生產技術及產品質量有了非常大的提高，國產氧化鋯粉體原材料質量的提高，促進了陶瓷配合料的國產化及全面掌握插芯套筒精密加工的全套生產技術，產品質量已基本達到日本產品的水平，采用國產陶瓷套筒生產的各種型號的適配器完全可以滿足光通信從高端到低端各種場合的需要。