CN1965256A - 具有热塑性粘合剂的小形状因数光连接器 - Google Patents

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Abstract

一种用于端接光纤的光连接器，其包括外壳，该外壳配置用于紧密配合LC插座。该外壳包括在暴露到至少210℃的温度时不变形的聚合物材料。该光连接器还包括套圈组件。该套圈组件包括套圈部分和套管部分。该套圈组件预装载有热塑性粘合剂材料。该热塑性材料可以是聚酰胺基热熔粘合剂。该热塑性材料可以是超高温热熔粘合剂。这些光连接器可以在短时间内在现场端接。

Description

具有热塑性粘合剂的小形状因数光连接器
技术领域
本发明涉及光连接器。
背景技术
用于电信产业的机械光纤连接器是已知的。近年来，重点已放在小形状因数(SFF)光纤连接器的使用上。例如，在美国专利No.5,481,634；5,719,977和6,318,903中已描述了LC(“Lucent Connectors”)光学式连接器。这些连接器用于将光纤段在其末端连接起来，并用于将光纤电缆连接到有源或无源设备。LC的形状因数比诸如ST、FC和SC等其他常规光连接器的形状因数小～50％。
然而，可商业购得的LC连接器并不特别适于现场安装。常规的粘合剂材料包括热、厌氧或UV固化粘合剂以及双组分环氧树脂和丙烯酸酯的使用。例如，LC连接器通常使用环氧基树脂(例如双组分环氧树脂)来用于连接器的套圈(ferrule)部分中的纤维保持。这些环氧树脂在施加之后需要10到15分钟来热固化。一旦设置，在不使纤维破裂的情况下，就不能将纤维从套圈中移除，从而不能进行套圈中光纤的重新配置。
发明内容
根据本发明的第一方面，一种用于端接(terminate)光纤的光连接器包括外壳，该外壳配置用于紧密配合LC插座。该外壳包括在暴露到至少210℃的温度时不变形的聚合物材料。该光连接器还包括套圈组件。该套圈组件包括套圈部分和套管部分。该套圈组件预装载有热塑性粘合剂材料。该热塑性材料可以是聚酰胺基热熔粘合剂。该热塑性材料可以是超高温热熔粘合剂。
根据另一实施例，用于端接光纤的光连接器包括外壳，该外壳包括在暴露到至少210℃的温度时不变形的材料。该连接器还包括套圈组件。该套圈组件具有套圈部分和套管部分。该套圈组件预装载有超高温热熔粘合剂。
本发明的以上概述并不是要描述每一个示出的实施例或本发明的每一种实施。附图和随后的详细说明更具体地举例说明了这些实施例。
附图说明
参考附图对本发明作进一步的描述，其中：
图1示出LC连接器的分解视图；
图2A和2B示出预装载的套圈-套环-套管组件的替代的示例性实施例；
图3示出在光纤的现场端接之前安装在装载适配器中的LC连接器的透视图；
图4示出常规的SC连接器；以及
图5示出常规的FC连接器。
尽管本发明服从各种修改和替换形式，借助于附图中的例子示出了其具体情况，并将进行详细描述。然而，应该理解，并不意图将本发明限于所描述的特定实施例。相反，意图覆盖落入由所附权利要求限定的本发明的范围的所有修改、等效物和替代。
具体实施方式
本发明针对小形状因数光连接器，其适于使用热塑性粘合剂(特别是超高温热塑性粘合剂)来用于光纤保持、插入和端接。
根据本发明的示例性实施例，小形状因数或LC型光纤连接器包括预装载的热塑性粘合剂。使用具有热塑性粘合剂的光纤连接器会提供实用的现场端接能力。所用的热塑性粘合剂可以是热塑性树脂，如在美国专利No.4,984,865中所描述的，该专利全文结合于此作为参考。另外，热塑性粘合剂可以是超高温(UHT)热塑性粘合剂材料，其提供高的软化点并能满足在环境方面要求严格的Telcordia GR-326规范。在一个方面，能够实现在现场端接应用中降低组装次数。在替代的实施例中，较大形状因数的光纤连接器可包括用于更极端环境条件的UHT热塑性粘合剂材料。
图1在分解视图中示出了LC型光纤连接器10。连接器10包括外壳30，外壳30具有锁定臂32和用于容纳套圈组件11的轴向或中心孔。外壳30和锁定臂32被形成或模制以容纳在LC插座中。
根据本发明的示例性实施例，LC外壳30由高温材料形成或模制，所述高温材料为如高温聚合物(例如塑料)材料。高温聚合物材料能够耐受至少190℃的温度。在示例性实施例中，高温聚合物材料能够耐受至少210℃的温度，优选能耐受210℃至约270℃范围的温度，而没有主体尺寸的变形。变形会导致妨碍连接器与另一连接器或设备的配合性(matability)。例如，可以使用如由纽约的General Electric(通用电气公司)生产的UltemXH 6050M高温材料。
连接器10还包括套圈组件11。该套圈组件可设计为包括套圈14、套环(collar)12和套管(barrel)16。套环12可用作法兰，以提供对弹簧20的阻挡，从而维持套圈组件在外壳30中的位置。套圈14可由陶瓷、玻璃、塑料或金属材料形成，以支撑插入其中的光纤。套管16的构造在下面进一步详细描述。
光纤(未示出)可通过套管16插入，使得纤维末端稍微从套圈14的端面突出或者与该端面重合或共面。如下面更详细描述的，根据本发明的示例性实施例，在光纤端接之前，热塑性材料，在此称之为“热熔”粘合剂或超高温(UHT)热熔粘合剂，可装载到套圈组件之内，用于现场端接和其他应用。一旦在现场加热，操作者就可将光纤插入到期望的位置。当热量从连接器主体除去时，纤维快速(约2分钟或更短时间)设置在套圈中。当需要对纤维重定位时，可再次加热连接器，并能够将纤维再次设置在套圈中。
连接器10还可包括插件或连接器主体25，其为外壳30中的弹簧20和套圈组件11提供保持。连接器主体25可在套圈组件上滑动，并可由外部的连接器外壳30紧固在适当的位置。卷环40为光缆或光纤/套筒提供额外的轴向保持和应变消除。还可使用保护罩45来保护光纤电缆不受与弯曲相关的应力损失。
图2A和2B示出了套圈组件11的替代实施例。在图2A中，套管16’被拉长(例如，具有约0.25”到约0.65”的长度)。套管16’包括预装载量的热塑性粘合剂50，其同时存在于套管和套圈14中。如下所述，将热塑性粘合剂加热至足以产生更大流动性(例如，液化)的温度。可使用注射系统通过套管末端55注入热塑性粘合剂。拉长的套管16’可由导热材料形成，如金属或高温聚合物。由于套圈组件需要在现场再加热，以供纤维插入、保持和端接，拉长的套管16’能给制造工艺带来帮助，并能耐受更高的温度。套管16’可以是对套圈套环的压配合组件或是螺纹组件。作为替换，套管16’和套环12可包括注射成型的一体材料。在另一替换方案中，可由适合的金属来机械加工连在一起的套环-套管部件。
在图2B中，套管包括两个主部件，较短的套管部分15和延伸部分17。套管部分15可由导热材料形成，例如金属或高温聚合物，并且在长度上短于拉长的套管16’。延伸部分17可以是刚性或柔性的。例如，金属或高温聚合物材料(如含氟聚合物管)可压配合到套管部分15上。存在于套管和套圈中的预装载量的热塑性粘合剂50可注射到套管末端55。
如上所述，LC型光纤连接器包括预装载的热塑性粘合剂。预装载包括将热熔粘合剂加热并将足够量(例如，体积为约0.000157立方英寸至约0.00024立方英寸，或更大)注射到套圈组件中。通常，注射一定量的液化热熔物，以使得少量或液珠在套圈的端面露出。然后冷却热熔材料(例如，通过将套圈组件从热源移开)，使其硬化。为了在现场进行纤维端接，可使用装载适配器(如图3所示的装载适配器75)来加热LC光纤连接器。装载适配器75由具有高导热率的材料构成。在该示例性实施例中，LC光纤连接器10装载有足够量的热塑性粘合剂，如在此所述的聚酰胺基热熔材料或UHT热熔材料。然后，将装载适配器75置于小烤炉中，该烤炉配置用于容纳并支撑装载适配器。当烤炉被加热时，热通过装载适配器传递到LC连接器的套圈和套管部分。在达到足够的温度后，热熔粘合剂快速软化或液化(例如在约60秒内)，使得剥开的裸露光纤现在能够通过连接器10的套管部分插入。纤维插入到该纤维端面与套圈端面共面或从套圈端面突出的距离。当完成正确的插入时，停止加热，并且随着热熔粘合剂硬化，纤维保持(设置)在套圈中。然后对纤维和套圈进行抛光，以从套圈和纤维端面去除过剩的热熔物。
在替代实施例中，可将已有的热熔材料或在此所述的UHT热熔材料预装载到其他小形状因数和多纤维连接器中，如MU型连接器或MT型连接器。
下面描述本发明的示例性实施例的热塑性粘合剂材料。
例如，在美国专利No.4,984,865中描述了已有的热熔粘合剂。这些热熔材料可在从0到+60℃的温度范围发挥作用，这符合用于如建筑物(校园或企业)内部等环境的TIA/EIA 568-B.3光纤布线元件标准(Optical Fiber Cabling Components Standard)。由于这些聚酰胺基化学物质中一些的特性，在65℃以上的温度，随着粘合剂软化，在连接器内可能发生纤维的活塞现象(pistoning)。
根据本发明进一步的示例性实施例，可以使用更高温度的热塑性粘合剂，在此称为UHT热熔材料或UHT热熔粘合剂。对于更宽的温度操作环境，如中心局和外部设备，粘合剂必须具有-40℃到+85℃的作用范围，以符合Telcordia GR-326 CORE和GR-1435-CORE标准。传统上，认为粘合剂需要具有高于作用温度范围的上限的玻璃转化温度(“Tg”)  (即，环氧树脂粘合剂)。此外，通常认为并由经验证实，使Tg处于作用温度范围的中间会导致不一致的光学性能，这是由于在高于Tg的温度时粘合剂的物理特性(如粘合剂的热膨胀系数和流动特性)非线性变化，从而导致纤维的活塞现象。然而，下面测试的示例性实例不会表现出这种活塞现象，这是由于它们的抗蠕变特性。
本发明的示例性实施例提供UHT热熔光纤连接器用于更多数量的应用中，这是由于其增强的耐热和耐湿性。这些特性使得安装者能够在外部设备应用中以直接了当的方式快速进行光纤连接。UHT材料可用在LC连接器中，如图1示出的。根据替代实施例，UHT材料可预装载在较大形状因数的连接器中，如SC连接器80和FC连接器90(分别在图4和5中示出)，以及ST连接器。
UHT热熔材料可包括聚酰胺和可能具有半结晶性质的聚酯。例如，UHT热熔粘合剂可从诸如以下的材料中选择：Macromelt聚酰胺树脂(可从Henkel获得的TPX-12-692，6300，TPX-16-346或TPX-16-192)，可从Loctite或Hysol获得的其他类似聚酰胺(PA)；聚醚酰亚胺或聚酯，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，或其共聚物(可从Creanova获得的Dynapol S394(PET)和DynapolS361、Dynapol S341或Dynapol S341HV(PBT)或可从Bostik获得的Vitel 4255(PBT))。下面在表1中示出了几种不同类型的UHT热熔粘合剂的物理特性。还列出了对比的热熔材料，类似于在美国专利No.4,984,865中所述的。
表1
结晶度   聚合物 软化点   抗蠕变性 Tg 邵氏硬度 吸水性 粘性 在85C的模量G’
  (％)     (℃)    (℃)   (℃)     2天     7天     (P)   (Pa)
TPX-12-692 少许 PA 206-216 178-184 -14 73/62 0.2％+ 0.4％ 25-60在240℃
Macromelt6300 少许 PA 190-200 185-190 -23 62 0.1％+ 0.3％ 25-50在240℃ 1.1E+07
TPX-16-346 少许 PA 185-195 165-175 -20 70-74 0.2％+ 0.5％ 25-50在210℃
TPX-16-192 少许 PA 167-170 167-162 -17 68-70 0.3％+ 0.6％ 35-50在210℃
DynapolS 394 高 28 PET 182-189 -16 50 0.9％ 0.9％ 100在200℃ 1.1E+07
DynapolS 341HV 中 22 PBT 150-155 -28 56 0.7％ 0.6％ 4.3E+07
Vitel共聚多酯4255 中 22 PBT 156 -8 53 0.3％ 0.3％ 750在215℃ 1.1E+07
当前的热熔粘合剂 无 PA 170-190 65 61 0.6％ 0.9％ 20在190℃ 7.0E+06
+在1天后的吸水性
如上所示，这些示例性UHT热熔材料不限于聚酰胺材料。这些UHT材料还可具有以下属性中的一种或多种：
a)在工作温度范围(210-250℃)中熔融粘度为1000-20,000cp；
b)在室温邵氏D硬度(Shore D hardness)为50-85；
c)在粘合剂中15-35％的结晶度，以在光纤连接器中提供较高的粘合剂稳定性；
d)在连接器的操作温度内杨氏模量(Young’s Modulus)大于约1×107psi；以及
e)增强的抛光特性导致较少的粘合剂污点和对纤维-套圈侧面(profile)更精确的控制。
上面所述的邵氏D硬度属性表现出，与某些邵氏D硬度值大于60的聚酰胺基热熔材料相比，邵氏D硬度范围大幅度增长。例如，这里所述的一些示例性UHT热熔材料具有约50到约57的邵氏D硬度。另外，示例性实施例的UHT热熔粘合剂可用在较宽的操作温度范围中，实现了大范围的使用。
根据一个实施例，示例性UHT热熔粘合剂在结构中可以是半结晶的，具有在标准操作窗(operating window)中的Tg。除了具有适当的热性能外，示例性实施例的UHT热熔粘合剂相对于其他热熔粘合剂还可具有增强的抛光特性。
另外，示例性UHT热熔粘合剂展现出极低的抗蠕变水平。结果，能够放松纤维突出要求，使得抛光处理更具鲁棒性(robust)。作为例子，对于较低软化点热熔粘合剂的目标纤维突出范围是约0.5μm到1.5μm，这确保了充分的光接触。该突出范围可限制在现场进行的抛光量。一旦已有的热熔珠从连接器端面去除，可能会出现过抛光(overpolishing)。
UHT热熔材料提供直接抛光。例如，使用示例性的UHT热熔材料，目标纤维突出范围可类似于环氧树脂基纤维连接器所共同采用的范围：+50nm至-125nm，如在Telcordia GR-326(& IEC ConnectorsSpecs)中所述的。该突出范围被认为是实质上“共面的”(-125nm是稍微下陷)，具有在陶瓷套圈端面上得到的曲率半径。结果，陶瓷套圈端面可作为抛光截止面。利用适当的最终抛光介质，诸如20nm的SiO2抛光膜(或精细氧化铝抛光膜)，在不超过125nm的最大纤维下陷规格的情况下，可以进行许多额外的抛光行程(polishing stroke)以去除划痕。另外，UHT热熔材料(在固化时)提供足够硬的材料，其在抛光时能够快速去除，而不会碎裂或剥离。
由此，通过在小形状因数光纤连接器中使用UHT热熔材料，在现场安装抛光方面，UHT热熔材料的直接抛光和快速去除率的结合(与常规环氧树脂相比)相对于当前的技术水平提供了改进。目前，诸如LC或MU的小形状因数陶瓷套圈连接器提供有小的平的端面(例如～0.7到0.9mm)，其垂直于套圈的轴，没有半径。通过用一系列的抛光膜从粗糙抛光至精细，这是去除环氧树脂型(即，硬的)粘合剂所需要的，形成半径并且随后纤维被抛光至精细的表面光洁度。当为满足在Telcordia GR-326(& IEC Connector Specs.)中所述的规范而抛光时，使用常规的1.5”直径现场抛光夹具(polishing jig)通过手工难以控制所需的顶点偏移(Apex Offset)(最大50μm)。另外，抛光的纤维末端的曲率半径可小于7mm(在GR-326 & IEC Connector Specs.中最小的半径要求)，因为通过抛光夹具的常规的套圈延伸是过量的，其导致半径小至3mm，而顶点偏移高至80μm。
其他的抛光技术可用于UHT热熔光纤连接器。例如，可在一级2μm Al2O3多模式处理或两级SM处理中去除UHT热熔材料，在两级SM处理中使用20nm SiO2作为第二级。由此，陶瓷套圈可以在工厂预先圆角化(pre-radiused)至期望的目标范围：大约8～15mm，并具有最大30μm的顶点偏移。可使用精确的抛光夹具，其控制通过该夹具的底部的套圈延伸，由此，可在现场抛光处理中与顶点偏移一起维持曲率半径。
实例与测试
在第一性能测试中，制备了样品UHT热熔粘合剂(在该测试中，Dynapol材料)。为了测试Dynapol热熔粘合剂在其操作环境中的性能，如下制备光纤电缆：通过去除1.25英寸的护套材料以暴露“Kevlar”纤维来制备几段Siecor 62.5多模式纤维电缆(长度为6m)。将Kevlar纤维分离，以暴露覆有缓冲层的(buffer coated)光纤。从光纤剥去约1.125英寸的缓冲层以暴露出裸露的玻璃纤维。用异丙醇擦拭纤维以清洁暴露的玻璃。然后将Kevlar纤维修剪成0.25英寸长，并重新均匀地分布在缓冲层周围。
将填有粘合剂的ST连接器置于烤炉(可从弗吉尼亚的Kitco获得)中并加热至约265℃，直到粘合剂熔化。然后通过陶瓷套圈中的轴向孔将裸露的光纤插入到纤维端面突出超过套圈端面的位置，并且Kevlar纤维和护套材料进入连接器的主体部分并接触粘合剂。注意到，在分裂处理(cleaving process)期间，套圈端面上热熔粘合剂的熔珠为纤维提供横向支撑。然后用2μm氧化铝抛光膜(可从3M公司获得，#60-6500-2346-2)将分裂的纤维抛光至规定的长度。可以进行抛光以产生与套圈端面共面的纤维端面。作为替换，可以进行抛光以产生高达约1.5μm的纤维突起。可以使用干涉仪(可从Direct Optical ResearchCorporation获得，DORC ZX-1 Mini PMS)来测量在抛光之后的纤维突起。
这些示例性UHT热熔粘合剂材料能够提供有利的抛光，部分上是因为在抛光期间UHT热熔粘合剂材料的局部加热不会超过材料的软化点。
在第一抛光测试中，使用预装载有示例性UHT热熔材料的SC连接器来进行共面抛光。表2示出了对于共面抛光的热塑性粘合剂材料的性能测试结果(合格次数/测试次数)：
表2
    材料       温度周期        湿度 加热阶梯
-10℃～+60℃ -40℃～+80℃ 40℃/95％RH4天 75℃/95％RH4天 60℃～120℃
Dynapol S394     5/5     5/5     5/5     5/5     4/5
Dynapol S361     5/5     5/5     5/5     5/5     5/5
这些样品经历以下测试时段：-10℃～+60℃温度周期，在95％RH40℃4天，-10℃～+60℃温度周期，在95％RH 75℃4天，-40℃～+80℃温度周期，以及最后的60℃～120℃加热阶梯(heat step)测试。在相同组的连接器上连续地进行表2的环境测试。如表2所示，所有温度循环和湿度样品都通过了测试，这些测试为TIA/EIA 568-B.3、Telcordia GR-326和甚至由测试到120℃的温度而超出GR-326的组合。
在第二抛光测试中，对通常允许套圈突出0.8mm的标准LC抛光夹具进行改型，使得套圈仅突出0.3mm。通过在抛光膜之下使用70Dur.(Shore A)的弹性抛光垫来完成抛光。测试样品上的半径保持在约7.5到11mm，顶点偏移范围为10～35μm。通过使用稍高的硬度计垫(Durometer Pad)或通过改变从夹具底座的套圈延伸，能够进一步调整半径。
在另一性能测试中，制备样品UHT热熔粘合剂(在该测试中，Henkel材料)。为了测试Henkel 12-692粘合剂的性能，对15对连接器化的(connectorized)SM SC/UPC连接器进行了完整的TelcordiaGR-326环境测试。所有的SM SC/UPC连接器都预装载有如上所述的UHT热熔材料，并且所有的光纤都以如上所述的方式端接。所有测试样品都符合损耗改变＜0.3dB并且反射＞55dB的光学要求。
在另一性能测试中，在7对连接器化的LC连接器的测试中使用样品UHT热熔粘合剂。这些连接器预装载有示例性UHT热熔粘合剂(在该测试中，Henkel材料)，并以如上所述的方式端接。所有测试样品都通过了Telcordia GR-326工程(筛选)测试，这些测试具有相同的温度限制，但为了加快反馈而缩短了测试持续时间。
不应认为本发明限于上述特定实例，而应理解为涵盖了如在所附权利要求中适当提出的本发明的所有方面。通过阅读本说明书，对于本发明所针对的本领域技术人员而言，各种修改、等效处理以及本发明可应用的大量结构都是显而易见的。权利要求书意图覆盖这样的修改和设备。

Claims (20)

1.一种用于端接光纤的光连接器，其包括：
外壳，配置用于紧密配合LC插座，所述外壳包括在暴露到至少210℃的温度时不变形的聚合物材料；和
套圈组件，所述套圈组件包括套圈部分和套管部分，所述套圈组件预装载有热塑性粘合剂材料。
2.如权利要求1的光连接器，其中，所述热塑性材料是聚酰胺基热熔粘合剂。
3.如权利要求1的光连接器，其中，所述热塑性材料是超高温热熔粘合剂。
4.如权利要求3的光连接器，其中，所述超高温热熔材料在从约200℃到约250℃的温度范围具有1000-20,000cp的熔融粘度。
5.如权利要求3的光连接器，其中，所述超高温热熔材料在室温具有约50到约85的邵氏D硬度。
6.如权利要求3的光连接器，其中，所述超高温热熔材料具有约50到约57的邵氏D硬度。
7.如权利要求3的光连接器，其中，所述超高温热熔材料包括半结晶材料，所述半结晶材料具有从约15％到约35％的结晶度。
8.如权利要求3的光连接器，其中，所述超高温热熔材料在约-40℃到约85℃的操作温度具有大于约1×107psi的杨氏模量。
9.如权利要求1的光连接器，其中，所述聚合物材料在暴露到约210℃至约270℃的温度时不变形。
10.如权利要求1的光连接器，还包括通过所述热塑性粘合剂在套圈中端接的光纤，其中，端接的连接器具有约-40℃到约85℃的操作温度范围。
11.如权利要求1的连接器，其中，所述套圈部分包括拉长的导热管。
12.如权利要求1的光连接器，还包括通过所述热塑性粘合剂在套圈中端接的光纤，其中，通过施加热然后去除热，所述光纤可在所述套圈组件中重新设置。
13.一种用于端接光纤的光连接器，其包括：
外壳，包括在暴露到至少210℃的温度时不变形的材料；和
套圈组件，所述套圈组件包括套圈部分和套管部分，所述套圈组件预装载有热塑性粘合剂材料，其中该热塑性材料是超高温热熔粘合剂，并且其中所述连接器包括LC型连接器、MT型连接器和MU型连接器之一。
14.如权利要求13的连接器，其中，所述超高温热熔材料在从约200℃到约250℃的温度范围具有1000-20,000cp的熔融粘度。
15.如权利要求13的连接器，其中，所述超高温热熔材料在室温具有约50到约85的邵氏D硬度。
16.如权利要求12的光连接器，其中，所述超高温热熔材料包括半结晶材料，所述半结晶材料具有约15％到约35％的结晶度。
17.如权利要求12的连接器，其中，所述外壳包括聚合物材料并且所述外壳配置用于紧密配合LC插座。
18.一种光纤连接器，其包括：
外壳，配置用于紧密配合LC插座；
套圈组件，所述套圈组件包括套圈部分和套管部分，所述套圈组件预装载有热塑性粘合剂材料；和
光纤，通过所述热塑性粘合剂端接在套圈中，其中，通过施加热然后去除热，所述光纤可在所述套圈组件中重新设置。
19.一种用于端接光纤的光连接器，其包括：
外壳，配置用于紧密配合MU型插座，所述外壳包括在暴露到至少210℃的温度时不变形的聚合物材料；和
套圈组件，所述套圈组件包括套圈部分和套管部分，所述套圈组件预装载有热塑性粘合剂材料。
20.一种用于端接光纤的光连接器，其包括：
外壳，配置用于紧密配合MT型插座，所述外壳包括在暴露到至少210℃的温度时不变形的聚合物材料；和
套圈组件，所述套圈组件包括套圈部分和套管部分，所述套圈组件预装载有热塑性粘合剂材料。
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