5G時(shí)代下氧化鋯陶瓷的應(yīng)用概述

摘要：氧化鋯陶瓷具有熔點(diǎn)和沸點(diǎn)高、硬度大、常溫下為絕緣體、而高溫下則具有導(dǎo)電性等優(yōu)良性質(zhì)。因?yàn)槠鋬?yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于人工智能、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和電子通信領(lǐng)域，本文以5G發(fā)展現(xiàn)狀為背景，探究氧化鋯陶瓷材料在與5G相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用情況及市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：5G;通信;氧化鋯;電子

5G，即第五代移動(dòng)通信技術(shù)，是4G的升級(jí)，是對(duì)現(xiàn)有通信技術(shù)的發(fā)展，5G時(shí)代將在人與人互聯(lián)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的相互關(guān)聯(lián)。5G時(shí)代的發(fā)展將帶動(dòng)電信、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)等一眾行業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)新舊產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型，帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇， 在眾多的變化當(dāng)中，氧化鋯陶瓷產(chǎn)業(yè)也將迎來(lái)爆發(fā)式的增長(zhǎng)，本文將以5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展為切入點(diǎn)，探討氧化鋯陶瓷材料在通信、電子、人工智能等方面的應(yīng)用。

一、光纖接插件上的應(yīng)用

（一）光纖接插件套管

在光纖通信中，光纖連接器中的光纖陶瓷套管對(duì)于整個(gè)光纖通信的質(zhì)量有著舉足輕重的作用，陶瓷套筒主要有以下優(yōu)勢(shì)：良好的同軸度和內(nèi)孔圓筒度、插入損耗低、插拔次數(shù)高、插拔力集中等。

（二）光纖陶瓷插芯

光纖插芯材料主要有氧化鋯陶瓷、玻璃陶瓷、液晶高分子材料、C a T iO3 和C eO2-Z rO2 插針材料和合成樹脂材料，其中，氧化鋯陶瓷材料為重要的應(yīng)用材料。在插針的生產(chǎn)早期，金屬作為試用材料被大量使用，但其具有耐腐蝕性差、拔插損耗大等缺點(diǎn)。隨后，三氧化二鋁陶瓷被用于插針的制作，但由于其高耐磨性和高硬度的特性，導(dǎo)致其在后續(xù)的研磨拋光等加工難度加大，尺寸精度不好把握。隨后，氧化鋯材料受到到光纖接插件插針研究人員的關(guān)注。相較于其它材料的插芯，氧化鋯陶瓷插芯的有良好的同軸度和尺寸精度，強(qiáng)度高、耐磨損、抗老化性能好;插入損耗低、插拔次數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。

5G 是一個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)互通的時(shí)代。從主要網(wǎng)絡(luò)功能要求上來(lái)說(shuō)，我國(guó) IMT-2020（5G）推進(jìn)組定義了5G的主要的應(yīng)用場(chǎng)景：連續(xù)廣覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時(shí)延高可靠。而由于5G時(shí)代微波傳輸過(guò)程中損耗較大，要達(dá)到以上的效果需要大量的基站，在現(xiàn)有4G 基站的基礎(chǔ)上，需要新增基站。根據(jù)工信部2018發(fā)布的數(shù)據(jù)，我國(guó)目前基站數(shù)量為639萬(wàn)個(gè)，其中3G/4G基站數(shù)量為479萬(wàn)個(gè)[1]。在2018世界光纖光纜大會(huì)上，中國(guó)工程院院士鄔賀銓指出：“5G將要求更密集的基站，而且5G基站的密集組網(wǎng)需要大量光纖，特別是5G基站數(shù)將是4G的4-5倍”。中國(guó)電信科技委主任韋樂(lè)平表示，5G的競(jìng)爭(zhēng)是一場(chǎng)光纖基礎(chǔ)設(shè)施的競(jìng)爭(zhēng)，光纖基礎(chǔ)設(shè)施資源成為5G差異化競(jìng)爭(zhēng)的主要點(diǎn)，基站的數(shù)量的劇增將引起光纜鋪設(shè)數(shù)量的爆發(fā)式增長(zhǎng)。光纖連接器在光通信系統(tǒng)、光信息處理系統(tǒng)、光學(xué)儀器儀表中被廣泛應(yīng)用， 它常用來(lái)實(shí)現(xiàn)從光源到光纖、從光纖到光纖以及光纖與探測(cè)器之間的光藕合， 特別是在光通信系統(tǒng)中， 光纖連接器是使用量最大的光源器件。[2]光纖連接器中有幾個(gè)部位可能用到氧化鋯陶瓷材料，特別是光纖接插件套管和光纖陶瓷插芯，市場(chǎng)對(duì)于光纖陶瓷套管和陶瓷插芯的需求日益攀升。

二、手機(jī)外殼材料

手機(jī)作為移動(dòng)終端，經(jīng)歷了幾代的更迭，從智能手機(jī)誕生起，外殼主要采用塑料材質(zhì)到后期金屬材質(zhì)占領(lǐng)主導(dǎo)地位。隨著5G時(shí)代到來(lái)，對(duì)通信設(shè)備的材質(zhì)有了新的要求。由于5G信號(hào)傳播過(guò)程中使用的是毫米波，頻率高，波段長(zhǎng)，波的穿透性能差，所以要求手機(jī)材質(zhì)不能屏蔽手機(jī)電磁信號(hào)。因?yàn)榻饘俨馁|(zhì)對(duì)電磁信號(hào)有屏蔽作用，從而導(dǎo)致金屬外殼遭到淘汰，玻璃和陶瓷外殼被廣泛使用。氧化鋯陶瓷多具有優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)，常溫下為絕緣體，高溫下具有導(dǎo)電性。能夠用于手機(jī)后蓋制作的氧化鋯陶瓷介電常數(shù)高，電信號(hào)靈敏。具有無(wú)電磁干擾，不具備磁性，接收信號(hào)的能力強(qiáng)的特點(diǎn)。其在手機(jī)背殼中應(yīng)用可表現(xiàn)出較為優(yōu)異的物理性能，表現(xiàn)在機(jī)械強(qiáng)度高，在常溫下無(wú)塑性變形、抗壓強(qiáng)度大、耐磨耐腐蝕、抗氧化性好、膨脹系數(shù)可調(diào)、熱穩(wěn)定性好、熱傳導(dǎo)性好等方面[3]。

與玻璃材質(zhì)的后蓋相比，氧化鋯陶瓷背板可以一體成型、更美觀實(shí)用，表面顏色和花紋更豐富，氧化鋯陶瓷更硬，日常生活中基本沒(méi)有劃傷的可能性。氧化鋯陶瓷陶瓷材料的密度大、介電常數(shù)高、彈性模量與維氏硬度僅次于藍(lán)寶石材料，擁有出色的力學(xué)性能、良好的耐磨抗刮性以及極佳的光澤度，高介電常數(shù)有利于指紋識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用。目前，小米手機(jī)、一加、VIVO、OPPO等品牌都推出了陶瓷手機(jī)后蓋。

2017年手機(jī)陶瓷材料的滲透率預(yù)計(jì)為0.2%，2018年為1%，目前，氧化鋯陶瓷后蓋處在需求爆發(fā)的前期，而隨著未來(lái)手機(jī)陶瓷工藝的成熟及單價(jià)的降低，預(yù)計(jì)2020年陶瓷機(jī)身滲透率將達(dá)到10%，全球市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)220億元，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到60億元，2016-2020年復(fù)合年均增長(zhǎng)率分別為165.55%和144.66%。[4]

但氧化鋯陶瓷手機(jī)殼發(fā)展遇到了瓶頸，主要原因是加工成本高和良品率不高。目前的生產(chǎn)工藝主要有注射成型、干壓法和流延法。其中注射成型和干壓法是一直以來(lái)主要的生產(chǎn)工藝，但原材料使用量大、后期加工量大、成品率低，直接導(dǎo)致氧化鋯陶瓷手機(jī)后蓋的售價(jià)較玻璃材質(zhì)的高。雖然流延法工藝不夠成熟，但是最有發(fā)展?jié)摿?，目前有一些公司已?jīng)對(duì)該工藝進(jìn)行研發(fā)并開始量產(chǎn)。相信該技術(shù)的突破將進(jìn)一步助推氧化鋯陶瓷在手機(jī)外殼領(lǐng)域的應(yīng)用。

三、穿戴式智能設(shè)備

“穿戴式智能設(shè)備”是應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，對(duì)日常穿戴產(chǎn)品進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，從而開發(fā)出的設(shè)備的總稱，通常用于人的日常穿戴。它不僅包括眼鏡、手套、手表、服飾及鞋等大眾日用品，還包括智能手表、智能手環(huán)、智能首飾等。是傳統(tǒng)產(chǎn)品與高技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。穿戴式智能設(shè)備能不依賴手機(jī)完成全部或者部分的特殊通能，與手機(jī)等其它設(shè)備結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)人體監(jiān)測(cè)、健康大數(shù)據(jù)搜集與分析等功能。隨著5G的發(fā)展，萬(wàn)物互聯(lián)已經(jīng)近在咫尺，隨著該技術(shù)的發(fā)展，可穿戴式智能設(shè)備的形態(tài)與應(yīng)用熱點(diǎn)也不斷的變化，也會(huì)因?yàn)樾屡f產(chǎn)品的迭代，引發(fā)新一輪的消費(fèi)熱潮。

氧化鋯陶瓷因?yàn)槠渫庥^美觀、不容易引起過(guò)敏等不適反應(yīng)，溫潤(rùn)如玉等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于智能穿戴設(shè)備的外殼件中，如智能手表的表殼及表帶部分，陶瓷戒指、陶瓷手環(huán)等產(chǎn)品也相繼問(wèn)世。目前，智能穿戴設(shè)備并沒(méi)有普及開來(lái)，使用人群比較少，以青少年、電子發(fā)燒友居多，只是一種潮流的引領(lǐng)。但隨著人們生活水平的提高、需求的變化，以及物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，可穿戴式智能設(shè)備將在各個(gè)年齡段普及開來(lái)。根據(jù)麥肯錫、IHS、GSMA等提供的資料顯示，可穿戴是智能設(shè)備在2018年實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2022年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到54億美金。

相較于塑料、金屬、玻璃等材料，氧化鋯陶瓷有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和性能，在電子產(chǎn)品及其它5G相關(guān)的設(shè)備中應(yīng)用廣泛，具有很好的使用價(jià)值。相信隨著5G技術(shù)的發(fā)展，氧化鋯陶瓷材料將迎來(lái)更大的發(fā)展機(jī)遇。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李鵬，羅發(fā)，徐潔，王曉艷，周萬(wàn)城，朱冬梅.部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷的力學(xué)及介電性能[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2008（03）：306-310.

[2]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部，《2018年9月份通信業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況》。

[3]馬天、黃勇、楊金龍，《光纖連接器用插針材料》，清華大學(xué)新型陶瓷與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

[4]新材料在線，《2018年手機(jī)新材料研究報(bào)告》

作者簡(jiǎn)介：

付青青（1987.06-），女，漢，山東，碩士，工程師，研究方向：戰(zhàn)略管理。