国产光纤连接器用氧化锆陶瓷套筒的技术进步

王鸿娟*，严庆云*，宋先玉*，司文捷，
*深圳市爱尔创科技有限公司, 清华大学新型陶瓷及精细工艺国家重点实验室

行业及产品概述：

    氧化锆陶瓷插芯及套筒是光纤活动连接器中的核心部件，2000年以前国际上只有京瓷（Kyocera）、东陶（Toto）等几家日本公司掌握氧化锆陶瓷插芯及套筒的完整生产技术。近十年来，我国大陆和台湾十几家企业从国外引进陶瓷插芯生产线，现在陶瓷插芯已形成了月产2000万只以上的生产能力。日本一直未向我国转让氧化锆陶瓷套筒技术，国内企业和研究单位经过数年的研制，已掌握了从氧化锆粉体到精密加工的陶瓷套筒全套生产技术，产品已大部分取代进口产品，现在国产陶瓷套筒已形成了月产1500万只以上的生产能力，成为最大的陶瓷套筒生产国。

    国内从事氧化锆套筒研究的单位主要有上海硅酸盐研究所及清华大学陶瓷国家重点实验室等。精密加工套管的工业基础是钟表元件加工业，我国有很好的工业基础，并且在加工中要使用大量的劳动力，我国进行陶瓷套筒生产有很大的优势。我国最早从事套筒规模的生产企业有天津超科公司、北京紫光方大陶瓷公司、天津高石陶瓷公司及深圳爱尔创科技有限公司等。深圳爱尔创技术有限公司现在是国内最大的氧化锆陶瓷套筒生产企业，2001年开始采用国产氧化锆粉体进行陶瓷套筒生产的研发， 2002年初取得成功。现在氧化锆陶瓷套筒成品的生产量已达到月产500万只，产量占国产套管的30％以上，产品质量得到国内外主流用户认可，并已部分取代日本产品，使用在重大工程的光纤主干线上。

    我国对氧化锆陶瓷插芯及套筒的国产化非常重视，在“十五”国家“863”高技术发展计划中，分别对“光纤连接器陶瓷插芯用氧化锆粉体”(承担单位：上海硅酸盐研究所)及“光纤连接器用氧化锆陶瓷套筒大规模国产化技术”（承担单位：深圳爱尔创科技有限公司，清华大学）进行了支持，经过几年的努力，我国从氧化锆粉体到插芯、套筒的生产技术都取得了很大进展，成为了世界上最大的光纤连接器用氧化锆陶瓷插芯及套筒生产国。国内已经有氧化锆粉体生产厂家研究出了可用于光纤连接器插芯及套筒的粉体，质量达到了日本TOSOH公司的水平，为我国氧化锆插芯及套筒的大规模国产化打下了良好基础。

    一般要求活动连接器的插入损耗小于0.20dB，必须使陶瓷套筒的技术指标满足以下要求（以某一型号为例）：

氧化锆陶瓷套筒：

外径：Φ3.20±0.01mm, 内径：Φ2.495±0.002mm，长：11.4±0.1mm。

氧化锆套筒工艺流程为: 

    原料—混料—造粒—成型（注射成型或等静压成型）—烧结—端面加工—粗修孔—同心度加工—精磨内孔—精磨外园—开槽—刷棱—清洗

氧化锆套筒的技术关键如下：

(1)氧化锆陶瓷生产技术。主要包括：氧化锆原料制备，配和料制备，成型技术。

(2)陶瓷件的精密加工技术。内孔精加工、外园精加工、开槽、刷棱。

国产氧化锆纳米粉体进展：
近年来陶瓷套筒的技术进步主要体现在国产氧化锆纳米粉体的质量的大幅度提高及氧化锆陶瓷套筒在使用过程中破损的降低及使用寿命的提高。

图1  氧化锆陶瓷插芯长期使用后的端面情况

    (a)采用一般氧化锆超细粉体制造的插芯长期使用后的端面情况（由于相变，表面粗糙度下降）  (b) 采用专用氧化锆插芯粉体制造的氧化锆插芯长期使用后情况（表面粗糙度无变化）

    用于制造陶瓷插芯及套筒的纳米氧化锆原料长期以来被日本所垄断，日本Tosoh公司及住友大阪水泥公司生产的氧化锆粉体具有纯度高、烧结温度低、密度高、材料强度高等特点，而过去我国生产的氧化锆粉体质量上与日本产品友较大差距，无法用于生产插芯和套筒。采用不合格氧化锆粉体生产陶瓷插芯或套筒时，产品长期使用以后，插芯端面会变粗糙，使插芯的插入损耗大幅度增加（如图1所示）；而套筒由于老化强度会大幅度下降，套筒会产生破损。深圳爱尔创公司的前身为北京爱尔创精密陶瓷技术有限公司，2001年1月成立于北京中关村上地科技园，开始与国内相关厂家合作，致力于用于陶瓷插芯及套筒氧化锆粉料地研发工作。用于陶瓷套筒氧化锆粉料的基本要求为烧结温度小于1500℃，烧结密度大于6.0g/cm3，三点弯曲强度大于900MPa；用于陶瓷插芯氧化锆粉料的基本要求为烧结温度小于1400℃（最好为1350℃），烧结密度大于6.0g/cm3，三点弯曲强度大于800MPa。几年来开发了多个系列的粉体，可以分别满足陶瓷插芯及套筒的要求，其中2002年开发成功ultra-2氧化锆粉体在1450℃的烧结密度达到6.02 g/cm3， 强度和外观都达到陶瓷套筒的要求，为陶瓷套筒国产化打下了基础。经过进一步研究攻关，2003年开发成功ultra-3氧化锆粉体，1350℃的烧结密度达到6.03 g/cm3，1450℃的烧结密度达到6.05 g/cm3，粉料的烧结特性及其烧结后材料强度都达到了日本Tosoh公司的水平。图3为几种国产纳米氧化锆陶瓷粉料与日本粉料烧结特性的比较。从图中可知我们采用的ultra-3粉体的烧结性能已经达到了日本粉料的水平。

图2  国产氧化锆粉体烧结温度与日本产品比较
（烧结密度为6.0g/cm3时的烧结温度）

图3  国产与日本氧化锆粉料烧结特性比较

    图4为氧化锆陶瓷粉体老化性能的比较。氧化锆陶瓷老化性能分别决定在长期使用条件下，插芯的使用精度及套筒的使用寿命。从图中可以看出，采用抗老化国产粉体在1450℃烧结下的老化性能与日本抗老化粉体的性能相当，在140℃水热情况下，24小时的表面相变量小于20%，即相当于在正常工作温度下，可以工作20年以上，材料的强度不会有大幅度下降。而对于普通氧化锆粉体，在140℃水热情况下，24小时的表面相变量会达到80&，材料的强度会大幅度下降，甚至由于大量产生的单斜相的体积膨胀，氧化锆套筒会产生自发破损。

图4  国产氧化锆粉料老化性能与日本粉体的比较

氧化锆陶瓷套筒的破损分析：

    陶瓷套筒在实际使用过程中的破损是影响产品质量的最大问题。陶瓷套筒在使用过程中的破碎原因非常复杂，归纳起来有以下几种情况：（1）陶瓷套筒的强度过低，经受不住插芯插入时所产生的应力。（2）陶瓷套筒由于静态疲劳而产生破碎。（3）长期在高温潮湿情况下，氧化锆陶瓷套筒产生大量四方相到单斜相的自发马氏体相变，从而产生老化导致套筒强度大幅度降低。(4) 人为非正常插拔，使陶瓷套筒产生局部应力集中。(5) 金属或非金属法兰质量不合格。

    从上面的分析可知，抗老化国产氧化锆粉体的使用可以排除老化引起的陶瓷套筒的破坏。陶瓷套筒本身的强度成为影响套筒破损的主要因素。

    由表1可知，不同厂家的陶瓷套筒的抗压破坏荷载一般为13至25公斤之间，计算可知氧化锆陶瓷材料的断裂强度范围为500至1200MPa之间。爱尔创陶瓷套筒第三代产品的强度已与日本产品相当。

表1 国产陶瓷套筒抗压破坏荷载与日本产品的比较

    另外对氧化锆材料的动态疲劳和循环疲劳实验结果表明，氧化锆陶瓷中都存在着裂纹缓慢扩展行为，即陶瓷套筒存在疲劳破坏的可能性。对强度－断裂几率－寿命预测图（SPT图，见图5）的研究表明，当假设国产氧化锆套筒的最大受力为200MPa时（实际通过有限元分析表明，套筒在正常使用过程中的受力小于100MPa），陶瓷套筒使用20年的破损几率只有万分之一以下。

 图5 国产套筒的强度－断裂几率－寿命预测图

小结
    近十年来，我国光纤活动连接器用氧化锆插芯及套筒的生产能力、生产技术及产品质量有了非常大的提高，国产氧化锆粉体原材料质量的提高，促进了陶瓷配合料的国产化及全面掌握插芯套筒精密加工的全套生产技术，产品质量已基本达到日本产品的水平，采用国产陶瓷套筒生产的各种型号的适配器完全可以满足光通信从高端到低端各种场合的需要。