5G時代下氧化鋯陶瓷的應用概述

摘要：氧化鋯陶瓷具有熔點和沸點高、硬度大、常溫下為絕緣體、而高溫下則具有導電性等優良性質。因為其優良特性，被廣泛應用于人工智能、醫學領域和電子通信領域，本文以5G發展現狀為背景，探究氧化鋯陶瓷材料在與5G相關領域的應用情況及市場前景。

關鍵詞：5G;通信;氧化鋯;電子

5G，即第五代移動通信技術，是4G的升級，是對現有通信技術的發展，5G時代將在人與人互聯的基礎上實現人與物、物與物的相互關聯。5G時代的發展將帶動電信、人工智能、互聯網等一眾行業的發展，促進新舊產業的轉型，帶來新的發展機遇， 在眾多的變化當中，氧化鋯陶瓷產業也將迎來爆發式的增長，本文將以5G產業發展為切入點，探討氧化鋯陶瓷材料在通信、電子、人工智能等方面的應用。

一、光纖接插件上的應用

（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于整個光纖通信的質量有著舉足輕重的作用，陶瓷套筒主要有以下優勢：良好的同軸度和內孔圓筒度、插入損耗低、插拔次數高、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用材料。在插針的生產早期，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。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，導致其在后續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，強度高、耐磨損、抗老化性能好;插入損耗低、插拔次數高等優點。

5G 是一個萬物互聯互通的時代。從主要網絡功能要求上來說，我國 IMT-2020（5G）推進組定義了5G的主要的應用場景：連續廣覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠。而由于5G時代微波傳輸過程中損耗較大，要達到以上的效果需要大量的基站，在現有4G 基站的基礎上，需要新增基站。根據工信部2018發布的數據，我國目前基站數量為639萬個，其中3G/4G基站數量為479萬個[1]。在2018世界光纖光纜大會上，中國工程院院士鄔賀銓指出：“5G將要求更密集的基站，而且5G基站的密集組網需要大量光纖，特別是5G基站數將是4G的4-5倍”。中國電信科技委主任韋樂平表示，5G的競爭是一場光纖基礎設施的競爭，光纖基礎設施資源成為5G差異化競爭的主要點，基站的數量的劇增將引起光纜鋪設數量的爆發式增長。光纖連接器在光通信系統、光信息處理系統、光學儀器儀表中被廣泛應用， 它常用來實現從光源到光纖、從光纖到光纖以及光纖與探測器之間的光藕合， 特別是在光通信系統中， 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，市場對于光纖陶瓷套管和陶瓷插芯的需求日益攀升。

二、手機外殼材料

手機作為移動終端，經歷了幾代的更迭，從智能手機誕生起，外殼主要采用塑料材質到后期金屬材質占領主導地位。隨著5G時代到來，對通信設備的材質有了新的要求。由于5G信號傳播過程中使用的是毫米波，頻率高，波段長，波的穿透性能差，所以要求手機材質不能屏蔽手機電磁信號。因為金屬材質對電磁信號有屏蔽作用，從而導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良的電學性質，常溫下為絕緣體，高溫下具有導電性。能夠用于手機后蓋制作的氧化鋯陶瓷介電常數高，電信號靈敏。具有無電磁干擾，不具備磁性，接收信號的能力強的特點。其在手機背殼中應用可表現出較為優異的物理性能，表現在機械強度高，在常溫下無塑性變形、抗壓強度大、耐磨耐腐蝕、抗氧化性好、膨脹系數可調、熱穩定性好、熱傳導性好等方面[3]。

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

2017年手機陶瓷材料的滲透率預計為0.2%，2018年為1%，目前，氧化鋯陶瓷后蓋處在需求爆發的前期，而隨著未來手機陶瓷工藝的成熟及單價的降低，預計2020年陶瓷機身滲透率將達到10%，全球市場規模超過220億元，國內市場規模將達到60億元，2016-2020年復合年均增長率分別為165.55%和144.66%。[4]

但氧化鋯陶瓷手機殼發展遇到了瓶頸，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主要的生產工藝，但原材料使用量大、后期加工量大、成品率低，直接導致氧化鋯陶瓷手機后蓋的售價較玻璃材質的高。雖然流延法工藝不夠成熟，但是最有發展潛力，目前有一些公司已經對該工藝進行研發并開始量產。相信該技術的突破將進一步助推氧化鋯陶瓷在手機外殼領域的應用。

三、穿戴式智能設備

“穿戴式智能設備”是應用先進的科學技術，對日常穿戴產品進行智能化設計，從而開發出的設備的總稱，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、智能首飾等。是傳統產品與高技術結合的產物。穿戴式智能設備能不依賴手機完成全部或者部分的特殊通能，與手機等其它設備結合，可以實現人體監測、健康大數據搜集與分析等功能。隨著5G的發展，萬物互聯已經近在咫尺，隨著該技術的發展，可穿戴式智能設備的形態與應用熱點也不斷的變化，也會因為新舊產品的迭代，引發新一輪的消費熱潮。

氧化鋯陶瓷因為其外觀美觀、不容易引起過敏等不適反應，溫潤如玉等特點，被廣泛應用于智能穿戴設備的外殼件中，如智能手表的表殼及表帶部分，陶瓷戒指、陶瓷手環等產品也相繼問世。目前，智能穿戴設備并沒有普及開來，使用人群比較少，以青少年、電子發燒友居多，只是一種潮流的引領。但隨著人們生活水平的提高、需求的變化，以及物聯網、人工智能等技術的發展，可穿戴式智能設備將在各個年齡段普及開來。根據麥肯錫、IHS、GSMA等提供的資料顯示，可穿戴是智能設備在2018年實現爆發式增長，預計到2022年市場規模將達到54億美金。

相較于塑料、金屬、玻璃等材料，氧化鋯陶瓷有其獨特的優點和性能，在電子產品及其它5G相關的設備中應用廣泛，具有很好的使用價值。相信隨著5G技術的發展，氧化鋯陶瓷材料將迎來更大的發展機遇。

參考文獻：

[1] 李鵬，羅發，徐潔，王曉艷，周萬城，朱冬梅.部分穩定氧化鋯陶瓷的力學及介電性能[J].硅酸鹽學報，2008（03）：306-310.

[2]中華人民共和國工業和信息化部，《2018年9月份通信業經濟運行情況》。

[3]馬天、黃勇、楊金龍，《光纖連接器用插針材料》，清華大學新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室。

[4]新材料在線，《2018年手機新材料研究報告》

作者簡介：

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