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国产光纤连接器用陶瓷部件的研制与开发

2/14/2005来源:光纤通信人气:9278

国产光纤连接器用陶瓷部件的研制与开发(施剑林) 摘要:本文对光纤连接器国产化的必要性和存在的问题进行了简要的分析,并结合 上海硅酸盐所陶瓷插芯、套筒毛坯研制近况,对其制备技术做一概括的介绍。 关键词:光纤活动连接器,陶瓷 前言 自1970年美国康宁公司(Corning Inc)成功研制出光纤以来,光纤通讯至今已 历经二十余年的发展,完整的产业体系已然成形。现在由于全球信息通信基础建设 (GII:GIO-bal Information Infrastructure)的热潮与互联网络(Internet) 的风行,3C(Computer、Communication、Consumer Electronics)整合及多媒体应 用的趋势更突显出网络光纤化的重要性、迫切性与必然性。光纤连接器与光纤跳接 线是光纤网路中应用面最广且需求量最大的光被动元件,据美国KMI公司高级分析家 Charles S.Xu最近的分析,1998年世界单模与多模光纤连接器的产量已超过8200万 套,到2002年可达2.83亿套。我国是亚太地区第二大单模光纤活动连接器市场,19 96-2002年,我国总的光纤活动连接器(含单、多模)市场将从274.7万套上升到 1363.7万套,市场之大可以想象。 自从武汉邮电科学研究院、原电子部23所和原电子部34所等几个单位开始研制 和小批量生产光纤活动连接器至今,我国光纤活动连接器的发展已经历了十多年的 历史,走过了很不平坦的道路。现在,我国已能生产FC、SC、ST等各种不同系列的 光纤活动连接器,且各系列连接器的性能指标和外观已经完全可以同国外同类产品 相媲美,但是作为连接器核心部件的氧化销陶瓷插针(ferrule)、套筒(sleeve) 仍依赖进口,因此严重削弱了产品的技术含量和利润。目前国际上只有日本等发达 国家具有生产氧化错插芯和套筒毛坯的技术,而我国仅有少量单位通过进口精密机 床加工毛坯,但是最关键的插芯和套筒毛坯生产技术在国内还是空白。本文在对光 纤连接器国产化的必要性和现状进行了概括和分析后,结合上海硅酸盐所在这方面 研制的近况,对该产品制备过程中的技术难点进行简述。 二、陶瓷插芯套管国产化的必要性 国产陶瓷插芯、套筒生产线的建立,最直接的必要性就是填补国内空白,创造 新增产值,节约外汇。以目前国内部分需量200多万套计算,每年可节约外汇数百万 美元。如果外销,按占领2002年世界需求量的2%即500万套计算,可新增产值近亿 元。 此外,陶瓷插芯、套管国产化更能带来很多间接经济效益。国产产品的推出, 可打破进口产品的垄断,理顺产品的价格,降低用户的成本。 最后,陶瓷插芯、套管的国产化能够带来广泛的社会效益。首先,对于国外具 有技术垄断性的产品,如果我们开发出完全自主产权的技术,必然提高我国该行业 的总体技术水平,增强本行业从业人员的民族自信心。其次,国产化将使特定规格 产品的研制成为可能,为我国将来开发自己的通信行业标准也打下基础,而一个标 准又可能是一个新的产品系列。 三、陶瓷插志、套管国产化面临的问题 连接器器件制造包含光纤插芯和套筒毛坯制造、毛坯加工和器件组装三个步骤。 在器件组装方面,由于投资小,工艺简单,所以全国已有五、六十家这样的企业, 总的生产能力已超过每年160万套。在毛坯加工方面,已有数家合资和独资企业通 过引进技术或技术改造,具有一定的加工能力。因此可以认为,光纤连接器在毛坯 加工和器件组装这两个方面,我国已具有一定的技术力量。因此光纤连接器国产化 的瓶颈还是在毛坯制备上。 光纤插芯和套简毛坯制备非常困难,这主要是因为,接头和套管的尺寸小,精 度要求高,一般的成型方活很难做到。只有在高的压力和精密的模具条件下通过塑 性成型方法才有可能制备高精度的还体。而这些技术在我国,一直处于研究阶段, 并没有投入到生产中。 光纤插芯和套筒毛坯的制备在我国滞后,也有我国陶瓷产业界科研和生产衔接 不足的原因。我国工业陶瓷以氧化铝居多,由于产品品种陈旧,因此生产技术水平 一直较低,但同时具有很强科研能力的院所过去却没有足够的支持从事此类产品开 发。此外,光纤连接器的制造还需要毛坯制造、加工和器件组装的合作,而我国目 前这三个方面的沟通还有待加强。 中国科学院上海硅酸盐所在我国结构陶瓷研究中具有领先地位,自从进入科学 院创新工程之后,所结构陶瓷工程中心更加大了知识、技术创新的力度。在过去研 究工作的基础上,初步突破了套简毛坯的制备技术,并已经有小批量产品投入市场。 插芯毛坯的样品也已研制成功,目前正在进行进一步的试验。 四、光纤连接器用陶瓷部件的制备 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。我所在多年研究工作的基础上,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。我们利用现有设备、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。 目前,我所已经根据上述工艺过程建设了一条中试生产线,可以初步满足小批 量生产和产品开发试验的需要。 五、小结 光纤插芯和套简是光纤连接器中的关键部件,是光纤连接器国产化的瓶颈。目 前上海硅酸盐研究所在其制备方面已经取得了一定的进展。需要的毛坯加工和器件 组装厂的共同努力,就能够制造出完全自主产权的光纤连接器。而这是追踪世界前 沿,开发新标准、新产品的基础。