光纤陶瓷插芯技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

由于国内厂家介入的时间比较短，因此无论在超精密加工的基础知识、实际生产工艺等方面都面临许多不足，导致国内技术品质控制能力的提高受到局限，表现在产品上就是合格产品分布的游移和临界，因此产品品质的保障空间就小，进而提供给用户的使用余地就显得很小。在临界处的上下变动将使用户、尤其是国外用户对产品的可靠性产生怀疑。相比日本厂家十几年的研究和发展，中国厂家在陶瓷插芯的技术和品质控制能力方面还有许多功课要做，对大多数中国厂家而言，这是现在最重要的课题，而非扩大生产。可以说技术进步和品质控制能力是中国厂家进入国际市场的关键课题。

1、拥有自主知识产权陶瓷插芯打破国外垄断

关系到百姓家庭的电话、因特网、有线电视甚至音响的“最后一公里”是否畅通和平稳，插芯这个部件至关重要。而清一色进口光纤陶瓷插芯“垄断”的市场，已被中国科学院上海硅酸盐研究所和宁波韵升集团组成的“产研联盟”成功打破。日前获悉，由两家共同承担的国家高技术产业化项目“光连接器用关键陶瓷材料高技术产业化示范工程”日前顺利通过验收，年销售额达3000万元，已占领近三成的国内市场。

2、陶瓷注射成型技术

陶瓷粉末注射成型技术（CeramicInjectionMolding,CIM）是近代粉末注射成型技术的一个分支，它源于20世纪20年代的一种热压铸成型技术。该技术通过加入一定量的聚合物及添加剂组元,赋予金属粉末、陶瓷粉末跟聚合物相似的流动性，采用注射成型技术根据需要制成各种形状的材料制品，可以对工艺过程进行精确的控制；特别是对于尺寸精度高、复杂形状陶瓷制品的大批量生产来说，陶瓷的注射成形（CIM）更有着显著的优势，它可一次性成形复杂形状制品，产品尺寸精度高，无需机械加工或只需微量加工，易于实现生产自动化且产品性能优异。

第二节 产品工艺特点或流程

为了保证插芯能够加工到极高的精度和相当的表面光洁度，套筒能够加工成具有高的强度、足够弹性的对中部件，要求陶瓷坯体致密度高，显微组织均匀一致。目初只有采用纳米级超纯、超细粉体制备的相变增韧氧化铝，可以达到这样的要求。但是，仅仅确定了材料种类还远远不够，制备光纤连接器用陶瓷部件还有许多技术难点。

高性能陶瓷的基本工艺流程包括粉料合成、粉料调整、成型、烧结前预处理和烧结。为了保证内含0.11mm内孔插芯毛坯、壁厚仅为0.5mm套筒毛坯的圆度、同心度等尺寸精度，粉体在成型制成素还时就必须有足够高的精度，并且素还在烧结过程中，这一精度能够得到保持。

1、粉体的处理

直接从市场上购买的粉体只能进行干压成型。只有经过和有机物混合，制成塑性物料，才能适合塑性成型，制造复杂形状的还体。日本有混合好的塑性物料，但其为了保证陶瓷插芯、套筒的垄断地位，并不在市场供货或价格极其昂贵。国内至今还没有批量化塑性物料面市。通过筛选、对比，得到了一套适合国产粉料的有机配方，并能在中试条件下得到较低成本的塑性粉体，且其性能完全能够满足批量化生产插芯、套筒毛坯的需要。

2、成型

在一定温度下，将塑性粉体调制到较低的粘度，再通过压力将其压制再到精密的模具中，待素还在模具中冷却后，将其取出。此时的素还已经具有足够的强度和精度。这里，成型用的模具是保证产品尺寸精度的基础。利用现有设备、技术，在较低的成本下，获得了较高精度的量产套商用和试制插芯用的模具。此外，成型时温度，压力等工艺参数也会影响产品的性能和尺寸精度。

3、素烧

素还只有经过低温预烧，才能除去坯体中的有机物。素坯表面的有机物很容易烧失排出素还，但是素坯内部的有机物只有通过内部到表面的开气孔才能排出，因此只有较慢的素烧速度才能保证素还强度。但是，过于慢的素烧速度，不仅延长产品制造周期，也大大增加能耗。只有解决好素烧速度快与慢的矛盾，才有可能得到高性能低损耗的产品。此外，素烧后虽然素还没有大的尺寸变化，但是素烧过程中由于有机物先变软烧失，因此素还须经历一个塑性的过程，这个过程中，必须保证其不变形。

4、烧结

素坯烧结会有一定的收缩，因此这个过程对产品无论是性能还是外形尺寸都有很大的影响。而控制烧结的参数很多，如升温制度、气氛等，必须结合不同的产品制定特定的烧结工艺参数，才能保证产品的品质。

第三节 国内外技术未来发展趋势分析

制造插芯其原材料要求的是非金属高性能功能陶瓷。插芯精度要求极高，制造工艺十分复杂、难度极大。为适应光纤连接器及系列光通信产品使用环境的复杂性和接插的重复性，陶瓷插芯首选了以氧化锆非金属无机高性能的结构陶瓷材料为其制造材料，以保证插芯的质量技术要求。它必须要具备高温热稳定性以保证插芯毛坯在高温烧结过程中能耐受不变形、不开裂，热膨胀系数要与金属相接近，并应具有高韧性、高硬度(15GPa)、高耐化学腐蚀和机械磨损及良好的□热性，常温下要具有绝缘、防酸碱等优异的物化性能。

氧化锆陶瓷插芯的精度要求极高，在只有1㎝长短、直径1.25—2.5㎜的陶瓷圆柱体上，要有一个内径只有0.1mm相当于头发丝粗细的二端同心度一致的内孔，以便插穿单根光纤，故制造技术、工艺十分复杂。插芯体的氧化锆材料必须要具有与光纤相似的线膨胀系数(/℃)，以保证当环境温度发生变化时，插芯的收缩与膨胀和光纤能基本相同，这样才能保证光纤端面的紧密接触，防止光信号的损失。为使光纤材料与插芯体实现良好的匹配，要做到插芯的表面粗糙度Ra<0.1μm，线膨胀系数为/℃。

为制造上述要求的高精度、高质量的氧化锆陶瓷插芯体，目前国内和以日本为主的世界各国均是以日本的注射成型法生产氧化锆陶瓷插芯，其核心技术为单向定位和热熔注射成型生产插芯毛坯。

日本的这种注射成型工艺生产陶瓷插芯，沿用至今已20多年，并在国际范围内垄断着技术、工艺、氧化锆原材料、模具和成型设备。日本、韩国和台湾地区以及国内几家主要的陶瓷插芯生产企业或以进口日本的毛坯进行来料后道精加工，或进口日本的原材料、模具和成型设备以注射成型法生产陶瓷插芯，有的企业还处于研究开发注射法生产的阶段。

连接器是把实现光纤端面之间结合的无源光器件，是光纤通信系统使用最多的光无源器件。目前通常使用的是2.5mm陶瓷插针的FC、ST和SC型连接器，体积较大，价格较贵，为适应光纤接入网的要求，国外已在开发新一代的光纤连接器。瑞士Diamond公司的连接器具有独特的技术，采用独有的双质料插芯，外层为陶瓷，内层为铜镍合金，利用合金的延伸特点，配合独有的纤芯对中工艺(ActiveCoreAlignment)，透过改变合金的形状，调节纤芯在插芯中的位置，以减少纤芯与轴心间的偏离，确保每一个连接器的极好的插入损耗。