陶瓷插針材料的制備及應(yīng)用

1光纖連接器的未來世界通信領(lǐng)域發(fā)生了深刻變化。光纖通信技術(shù)的發(fā)展是推動這一變革的動力。光纖通信已經(jīng)成為新時代最著名的“朝陽產(chǎn)業(yè)”。這種光纖通信設(shè)備是使用最大的無源裝置。據(jù)美國凱斯勒p.kieferece預(yù)測，1998年，世界單模和多模光纖設(shè)備產(chǎn)量超過8200萬元，年增長率為23%。在2002年，可達到2300億。北美和亞太地區(qū)是世界上最需要光纖設(shè)備的地區(qū)。在中國，隨著“八縱八橫”光纖輸出網(wǎng)絡(luò)和高速寬帶接入網(wǎng)的建設(shè)，以及計算機網(wǎng)絡(luò)的普及，未來幾年的光纖輸出網(wǎng)絡(luò)需求將增長30%。光纖連接器是通過兩個插針的精密對接來實現(xiàn)光纖中光信號的連續(xù)傳輸.插針應(yīng)具有極高的尺寸精度和使用穩(wěn)定性,其關(guān)鍵的生產(chǎn)技術(shù)主要掌握在日本人的手里,Kyocera、Toto、Adamant為世界上陶瓷插針的三大供應(yīng)商,而部分穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷PSZ(PartiallyStabilizedZirconia)插針約占整個插針市場的95%以上.2氧化鋯陶瓷插針20世紀(jì)70年代中期,日本人最早使用氧化鋁作為制造插針的材料,主要用于連接多模光纖,當(dāng)時作為世界上最大用戶的AMP公司,每年的需求量也不過25萬只.由于加工工藝的限制,尺寸精度只能達到±5μm.1978年NTT發(fā)明了氧化鋯陶瓷插針,并確定了今天大量應(yīng)用的長度為L=10.5mm,外徑為D=2.5mm的插針的標(biāo)準(zhǔn).照片圖1所示為ZS-3A型光纖連接器所使用的氧化鋯陶瓷插針結(jié)構(gòu)簡圖.圖2為實際產(chǎn)品.氧化鋯陶瓷插針在剛剛開始生產(chǎn)時的價格已達到每個10美元,因此引發(fā)了尋求代替品的努力.目前,塑料、玻璃及金屬插針在市場上均有售,但是其數(shù)量與氧化鋯插針相比卻極為有限.從20世紀(jì)90年代中期開始,用于單模光纖連接的插針成為插針生產(chǎn)的主流,單模插針的同軸度小于或等于1μm,而多模光纖的同軸度為1～3μm.為了獲得低插入損耗及高回波損耗的光纖連接,對插針的端面形狀也提出了很高的要求,根據(jù)不同的端面形狀(如圖3)產(chǎn)生了不同的連接方法,如PC(PhysicalContact)、UPC(UltraPhysicalContact)、APC(AngledPhysicalContact).3氧化鋯陶瓷為了實現(xiàn)光信號在光纖接頭處的精確傳輸,對光纖連接器中的插針體材料提出了苛刻的要求:(1)光纖要能夠很容易地穿過插針體的微孔.(2)插針體材料應(yīng)能夠獲得高的機械加工精度,特別是內(nèi)孔和同軸度的加工精度應(yīng)保證在1μm以內(nèi).(3)插針體材料應(yīng)該具有足夠的強度和耐磨性,在安裝、拆卸及使用過程中不發(fā)生失效;在受到意外沖擊時不發(fā)生斷裂.(4)插針體材料應(yīng)具有與光纖相似的線膨脹系數(shù)(5×10-6/°С),當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化的時候,插針的收縮與膨脹和光纖基本相同,以保證光纖端面的緊密接觸,防止光信號的損失.氧化鋯陶瓷能夠很好地滿足以上的要求.目前廣泛使用的是部分穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷(PSZ),其致密燒結(jié)體的各項性能指標(biāo)見表1.它可以實現(xiàn)微米級精密加工,不留任何毛刺,不發(fā)生塑性變形,表面粗糙度Ra<0.1μm;它的線膨脹系數(shù)為8.3×10-6/°C,與光纖材料可以實現(xiàn)良好的匹配;氧化鋯陶瓷的高強度、高耐磨性及優(yōu)異的抗腐蝕性能,使其能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的情況,多年來的實際應(yīng)用已經(jīng)充分證明了這一點.目前適用于插針生產(chǎn)的氧化鋯粉體(性能見表2)主要由日本住友大阪水泥和TOSOH公司生產(chǎn),其價格達到價格為8～9萬美元/噸,而國內(nèi)廠家生產(chǎn)的超細(xì)氧化鋯粉體不能滿足插針生產(chǎn)的要求.TOSOH公司是世界上最大的氧化鋯粉體生產(chǎn)商,為了適應(yīng)光纖連接器市場急劇增長的形勢,該公司氧化鋯年產(chǎn)量從1999年的370噸增加到了2000年的620噸,2001年生產(chǎn)能力又提高了250噸.該公司為插針生產(chǎn)專門開發(fā)的TZ-3YE粉體,粒度分布窄、純度高、V2O3的分散均一穩(wěn)定、燒結(jié)活性好(1350℃燒結(jié)),燒結(jié)體易于獲得微小晶粒(0.3μm)(如圖4所示).4psz粉體的制備陶瓷插針生產(chǎn)最早采用的是一種源于鐘表制造業(yè)的叫做Wirecenterless的工藝,這是一種處理鐘表軸的技術(shù),開始時工人手工用線來制作插針,為保證同軸度和內(nèi)孔之直徑,在軸的中心插入線來處理.Adamant、Kycera和Toto都使用這種工藝.現(xiàn)在采用的成型方法有干壓成型、擠制成型和注射成型.干壓成型設(shè)備工藝簡單,但成型坯體的尺寸精度低,燒結(jié)體難以達到均勻致密;擠制成型是將超細(xì)的PSZ粉體與粘結(jié)劑、潤滑劑充分混合,使粉料具有一定的流動性,在一定的壓力下通過擠出嘴擠出成型,其生產(chǎn)效率較高,但得到的坯體不具有光纖導(dǎo)入槽,需要機加工獲得,這樣既提高生產(chǎn)成本,又容易破壞陶瓷坯體;目前應(yīng)用最廣泛的是注射成型工藝,即將有塑性的陶瓷粉料在一定的壓力和溫度下注入模具(如圖5示),待固化后脫模獲得尺寸精度極高的陶瓷坯體.5機構(gòu)間定位工藝設(shè)計注射成型的生坯經(jīng)脫脂、燒結(jié)后獲得插針毛坯,其加工工藝包括:坯體→第一次外圓磨削→第一次長度加工→毛坯檢驗→內(nèi)孔加工(研磨)→第二次長度加工→外圓內(nèi)孔同軸度加工→第三次外圓加工→倒角→第三次長度加工→端面加工→成品檢驗(注:黑體字表示的為關(guān)鍵工序).陶瓷插針的內(nèi)孔加工需要專門的設(shè)備,它是將許多陶瓷坯體穿在一根很長的帶有微細(xì)梢度的鋼絲上,鋼絲上粘有金剛石磨料,它的細(xì)端先通過坯體的微孔,并逐漸向粗端過渡;與此同時,坯體在無心磨床的帶動下以5000r/min高速旋轉(zhuǎn),以達到磨削內(nèi)孔的目的.陶瓷插針外圓與內(nèi)孔的同軸磨削,因工件尺寸小、精度要求高、用普通設(shè)備無法完成.生產(chǎn)中采取將無心磨床與外圓磨床的定位方式結(jié)合在一起的專門設(shè)計方法,上海理工大學(xué)徐增豪、上海麥依高新機電技術(shù)研究所徐友甫在此方面進行了研究.其具體方法為:工件驅(qū)動采用無心磨床結(jié)構(gòu)形式,但砂輪和導(dǎo)輪的軸線平行.工件置于砂輪與導(dǎo)輪之間,工件下面用硬質(zhì)合金托板支承(如圖6示).由于ZrO2硬度很高,故采用金剛石砂輪磨削,砂輪線速度達2400m/min.導(dǎo)輪采用高分子材料,它和工件之間摩擦系數(shù)很大,工件由導(dǎo)輪的摩擦力帶動旋轉(zhuǎn),導(dǎo)輪線速度為78m/min.因工件直徑僅為2.5mm,所以在加工中工件的轉(zhuǎn)速可達9900r/min.當(dāng)磨削時,工件中心高于砂輪與導(dǎo)輪連心線0.15～0.25d(d:工件直徑),這樣就使工件與砂輪和導(dǎo)輪的接觸相當(dāng)于在假想的V形槽中轉(zhuǎn)動.如果毛坯不圓,凸起部分與V型槽兩側(cè)面不可能對稱地接觸,因此可使工件在多次轉(zhuǎn)動中逐步被磨圓.但是,如果僅采用無心磨削方法,工件被磨削外圓的表面本身是定位基準(zhǔn)面,屬于基準(zhǔn)選擇的“自為基準(zhǔn)”原則,這種定位方式,只能修正工件尺寸精度和部分形狀精度,而無法提高外圓與內(nèi)孔的位置精度.于是同軸磨床需要精選與工件內(nèi)孔直徑尺寸一致的鋼絲,將其穿入已經(jīng)研磨過的內(nèi)孔,鋼絲兩端固定在工作臺夾具上,用氣缸拉緊(如圖6所示),拉緊力由氣動調(diào)壓回路控制.調(diào)定了的拉力不僅繃緊鋼絲,而且可以補償加工中因鋼絲與工件內(nèi)孔摩擦引起的熱伸長,使鋼絲始終處于恒拉力狀態(tài).這種貫穿于工件內(nèi)孔繃緊的鋼絲,即相當(dāng)于支撐在外圓磨床頭、尾架頂尖間的定位工藝芯棒,符合用已經(jīng)研磨過的工件內(nèi)孔定位、加工外圓的基準(zhǔn)選擇原則,因而可以修正工件外圓和內(nèi)孔的同軸度以及外圓形狀精度.6日本陶瓷插針市場的發(fā)展據(jù)報道,世界通信市場上每月對陶瓷插針的需求量是3000萬只,但產(chǎn)量只有2000萬只,缺口大約是30%.20世紀(jì)90年代中后期,以北美為代表的DWDM系統(tǒng)的迅速發(fā)展,全世界信息高速公路建設(shè)的迅速發(fā)展,帶來了對插針的巨大需求,導(dǎo)致了隨后的市場短缺.1998年每個插針約1美元,到2000年價格達到了3～4美元,雖然2001年由于受到北美經(jīng)濟衰退的影響,插針價格有所回落.但預(yù)計到2005年,又將會恢復(fù)到2000年的價格水平,到那時,全球年需求量將會達到15億只.目前生產(chǎn)陶瓷插針的關(guān)鍵技術(shù)還掌握在日本人手中.國內(nèi)有些企業(yè)進口日本的毛坯,再進行后序的機械加工.最有代表性的當(dāng)數(shù)上海太平洋藍登光器件有限公司,該公司是由中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、虹口區(qū)工業(yè)公司、中科集團公司與日本太平洋藍登株式會社于1995年共同投資創(chuàng)建的,注冊資本五億九仟萬日元.公司利用日本進口的毛坯,采用全套的日本進口設(shè)備,進行陶瓷插針的后序加工,生產(chǎn)規(guī)模已達到每月240～300萬只,約占世界銷售市場的20%,成