5G时代下氧化锆陶瓷的应用概述

摘要：氧化锆陶瓷具有熔点和沸点高、硬度大、常温下为绝缘体、而高温下则具有导电性等优良性质。因为其优良特性，被广泛应用于人工智能、医学领域和电子通信领域，本文以5G发展现状为背景，探究氧化锆陶瓷材料在与5G相关领域的应用情况及市场前景。

关键词：5G;通信;氧化锆;电子

5G，即第五代移动通信技术，是4G的升级，是对现有通信技术的发展，5G时代将在人与人互联的基础上实现人与物、物与物的相互关联。5G时代的发展将带动电信、人工智能、互联网等一众行业的发展，促进新旧产业的转型，带来新的发展机遇， 在众多的变化当中，氧化锆陶瓷产业也将迎来爆发式的增长，本文将以5G产业发展为切入点，探讨氧化锆陶瓷材料在通信、电子、人工智能等方面的应用。

一、光纤接插件上的应用

（一）光纤接插件套管

在光纤通信中，光纤连接器中的光纤陶瓷套管对于整个光纤通信的质量有着举足轻重的作用，陶瓷套筒主要有以下优势：良好的同轴度和内孔圆筒度、插入损耗低、插拔次数高、插拔力集中等。

（二）光纤陶瓷插芯

光纤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 插针材料和合成树脂材料，其中，氧化锆陶瓷材料为重要的应用材料。在插针的生产早期，金属作为试用材料被大量使用，但其具有耐腐蚀性差、拔插损耗大等缺点。随后，三氧化二铝陶瓷被用于插针的制作，但由于其高耐磨性和高硬度的特性，导致其在后续的研磨抛光等加工难度加大，尺寸精度不好把握。随后，氧化锆材料受到到光纤接插件插针研究人员的关注。相较于其它材料的插芯，氧化锆陶瓷插芯的有良好的同轴度和尺寸精度，强度高、耐磨损、抗老化性能好;插入损耗低、插拔次数高等优点。

5G 是一个万物互联互通的时代。从主要网络功能要求上来说，我国 IMT-2020（5G）推进组定义了5G的主要的应用场景：连续广覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠。而由于5G时代微波传输过程中损耗较大，要达到以上的效果需要大量的基站，在现有4G 基站的基础上，需要新增基站。根据工信部2018发布的数据，我国目前基站数量为639万个，其中3G/4G基站数量为479万个[1]。在2018世界光纤光缆大会上，中国工程院院士邬贺铨指出：“5G将要求更密集的基站，而且5G基站的密集组网需要大量光纤，特别是5G基站数将是4G的4-5倍”。中国电信科技委主任韦乐平表示，5G的竞争是一场光纤基础设施的竞争，光纤基础设施资源成为5G差异化竞争的主要点，基站的数量的剧增将引起光缆铺设数量的爆发式增长。光纤连接器在光通信系统、光信息处理系统、光学仪器仪表中被广泛应用， 它常用来实现从光源到光纤、从光纤到光纤以及光纤与探测器之间的光藕合， 特别是在光通信系统中， 光纤连接器是使用量最大的光源器件。[2]光纤连接器中有几个部位可能用到氧化锆陶瓷材料，特别是光纤接插件套管和光纤陶瓷插芯，市场对于光纤陶瓷套管和陶瓷插芯的需求日益攀升。

二、手机外壳材料

手机作为移动终端，经历了几代的更迭，从智能手机诞生起，外壳主要采用塑料材质到后期金属材质占领主导地位。随着5G时代到来，对通信设备的材质有了新的要求。由于5G信号传播过程中使用的是毫米波，频率高，波段长，波的穿透性能差，所以要求手机材质不能屏蔽手机电磁信号。因为金属材质对电磁信号有屏蔽作用，从而导致金属外壳遭到淘汰，玻璃和陶瓷外壳被广泛使用。氧化锆陶瓷多具有优良的电学性质，常温下为绝缘体，高温下具有导电性。能够用于手机后盖制作的氧化锆陶瓷介电常数高，电信号灵敏。具有无电磁干扰，不具备磁性，接收信号的能力强的特点。其在手机背壳中应用可表现出较为优异的物理性能，表现在机械强度高，在常温下无塑性变形、抗压强度大、耐磨耐腐蚀、抗氧化性好、膨胀系数可调、热稳定性好、热传导性好等方面[3]。

与玻璃材质的后盖相比，氧化锆陶瓷背板可以一体成型、更美观实用，表面颜色和花纹更丰富，氧化锆陶瓷更硬，日常生活中基本没有划伤的可能性。氧化锆陶瓷陶瓷材料的密度大、介电常数高、弹性模量与维氏硬度仅次于蓝宝石材料，拥有出色的力学性能、良好的耐磨抗刮性以及极佳的光泽度，高介电常数有利于指纹识别技术的应用。目前，小米手机、一加、VIVO、OPPO等品牌都推出了陶瓷手机后盖。

2017年手机陶瓷材料的渗透率预计为0.2%，2018年为1%，目前，氧化锆陶瓷后盖处在需求爆发的前期，而随着未来手机陶瓷工艺的成熟及单价的降低，预计2020年陶瓷机身渗透率将达到10%，全球市场规模超过220亿元，国内市场规模将达到60亿元，2016-2020年复合年均增长率分别为165.55%和144.66%。[4]

但氧化锆陶瓷手机壳发展遇到了瓶颈，主要原因是加工成本高和良品率不高。目前的生产工艺主要有注射成型、干压法和流延法。其中注射成型和干压法是一直以来主要的生产工艺，但原材料使用量大、后期加工量大、成品率低，直接导致氧化锆陶瓷手机后盖的售价较玻璃材质的高。虽然流延法工艺不够成熟，但是最有发展潜力，目前有一些公司已经对该工艺进行研发并开始量产。相信该技术的突破将进一步助推氧化锆陶瓷在手机外壳领域的应用。

三、穿戴式智能设备

“穿戴式智能设备”是应用先进的科学技术，对日常穿戴产品进行智能化设计，从而开发出的设备的总称，通常用于人的日常穿戴。它不仅包括眼镜、手套、手表、服饰及鞋等大众日用品，还包括智能手表、智能手环、智能首饰等。是传统产品与高技术结合的产物。穿戴式智能设备能不依赖手机完成全部或者部分的特殊通能，与手机等其它设备结合，可以实现人体监测、健康大数据搜集与分析等功能。随着5G的发展，万物互联已经近在咫尺，随着该技术的发展，可穿戴式智能设备的形态与应用热点也不断的变化，也会因为新旧产品的迭代，引发新一轮的消费热潮。

氧化锆陶瓷因为其外观美观、不容易引起过敏等不适反应，温润如玉等特点，被广泛应用于智能穿戴设备的外壳件中，如智能手表的表壳及表带部分，陶瓷戒指、陶瓷手环等产品也相继问世。目前，智能穿戴设备并没有普及开来，使用人群比较少，以青少年、电子发烧友居多，只是一种潮流的引领。但随着人们生活水平的提高、需求的变化，以及物联网、人工智能等技术的发展，可穿戴式智能设备将在各个年龄段普及开来。根据麦肯锡、IHS、GSMA等提供的资料显示，可穿戴是智能设备在2018年实现爆发式增长，预计到2022年市场规模将达到54亿美金。

相较于塑料、金属、玻璃等材料，氧化锆陶瓷有其独特的优点和性能，在电子产品及其它5G相关的设备中应用广泛，具有很好的使用价值。相信随着5G技术的发展，氧化锆陶瓷材料将迎来更大的发展机遇。

参考文献：

[1] 李鹏，罗发，徐洁，王晓艳，周万城，朱冬梅.部分稳定氧化锆陶瓷的力学及介电性能[J].硅酸盐学报，2008（03）：306-310.

[2]中华人民共和国工业和信息化部，《2018年9月份通信业经济运行情况》。

[3]马天、黄勇、杨金龙，《光纤连接器用插针材料》，清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室。

[4]新材料在线，《2018年手机新材料研究报告》

作者简介：

付青青（1987.06-），女，汉，山东，硕士，工程师，研究方向：战略管理。