电接触条件下的微动磨损性能影响因素研究

摘要

电连接是电力、电子设备与系统中必不可少且大量存在的关键零部件，在移动电子产品中应用甚广，电子产品的可靠性使用一直是消费群体最关心的话题。通过电子领域的故障调查报告和判定中，由于电连接触头故障导致设备失效是其重要原因之一，所以，电连接服役性能退化导致的故障引起了电接触问题的普遍关注。 本论文基于自主研发的电接触微动磨损试验设备，真实模拟电连接件的实际服役工况，并对接触损伤区域进行微观分析，研究表明接触区域的微动行为可导致严重的电接触失效(接触电阻骤升、断路)。通过大量的预实验研究发现：电接触的失效行为影响因素具有普遍性和通用性，故本论文选取电子产品中最常用的“点/平面”接触方式，通过深入分析接触表面产生的剥层、磨屑、氧化物、污染物、化合物等，结合实验过程中表面生成的磨屑、剥层等对接触电阻的影响。通过微观分析测试手段，揭示了微动过程中不同试验参数（载荷、微动幅值、电流）对接触电阻的基本影响规律。同时分析不同环境下接触电阻的演变规律以及导电性能衰减机理。以上的研究成果可用于改善和提高电气连接的可靠性、为延长导电连接件的导电服役性能提出科学设计依据和优化手段。 本研究获得的主要结论可归纳如下： (一) 电接触条件下的微动磨损机理基本影响规律 微动条件下，不同的试验参数对电接触微动磨损性能的影响。研究发现：接触区域的界面变化及其表面产物（磨屑、腐蚀物、剥层等）是影响接触电阻波动以及上升的主要原因。微动条件下，不同的工况对接触电阻的影响主要表现在： (1) 相对较大载荷(接触区域的预紧力)下接触区域匹配良好，由于导电斑面积相对较大，有效导电面积也随之增加，电流可用路径增加，接触电阻相对较低。其次，空气中的腐蚀类气体、污染物、尘土等难以进入导电接触界面，无法引起消极的作用，故大载荷下触头导电性能要优于小载荷工况下。 (2) 载荷不变时，接触区域相对较大的位移幅值可在接触副的接触界面产生磨屑，磨屑的产生量与位移幅值成正比。接触界面发生严重的摩擦磨损及氧化行为并导致接触电阻急剧上升并影响导电性能的稳定和可靠性。 (3) 载荷和相对位移幅值不变时，大电流下接触电阻的要低于小电流条件下，这是由于大电流易于击穿接触界面各种氧化物形成的膜电阻，从而大大降低了接触电阻。 (二) 环境因素对电接触微动磨损性能的影响 (1) 接触区域的温升可加速接触界面的摩擦氧化行为。接触区域由于外界环境温度的上升而引起的氧化腐蚀，氧化速度由于微动而加速。接触区域的自身电阻极高，并反复生成、积累变成绝缘膜层，随着绝缘层逐渐积累到一定厚度，使两金属表面分离，接触电阻急剧升高甚至导致电路断开。通过微观分析手段判定表面产物的成分，进而分析不同外界环境温度下的表面产物差异，以及对导电性能的影响本质。 (2) 不同的气氛环境下的微动磨损试验中，富氧环境下在相对位移幅值达到/超过一个过渡值时，发生电路间歇性断开现象，其中发生电路断开的时间随着位移幅值的增加而缩短。借助化学成分分析手段判定导致电路间歇性断路的原因是接触区域的CuO/Cu2O的反复生成、积累并随着微动的进行排出接触区域造成的。无氧环境下接触电阻保持在较低的稳定值，接触界面的损伤较为严重。这是由于无氧环境下接触界面的成分主要是未发生明显化学反应的原始基体材料，因此保持良好的导电性能。 (3) 在一定的时间内，较高的相对湿度可降低接触电阻。随着外界环境相对湿度的增加，接触副的导电性能也随之增加，这是在较高的湿度环境下，水分子进入接触区域改变了接触区域磨屑累积方式和连接方式，并且具有凝聚磨屑之间的缝隙的作用，从而增加了接触区域的有效导电斑点的面积，降低了接触电阻。 (4) 导电性能失效本质是磨屑的生成并持续积累在接触区域并阻碍电流的顺利通过。根据这个理论建立电接触性能失效物理模型。基于数学方法建立电连接接触副表面磨屑形成的物理模型，建立了每一次微动作用接触表面磨屑形成的物理模型，最后导致电接触失效的使用次数，获得了电连接件的使用寿命和最大接触电阻的预测方法。 (三) 表面粗糙度对电接触微动磨损性能的影响 (1) 不同的表面粗糙度对电接触性能影响是从始至终的：在初始阶段，粗糙表面接触区接触斑点的面积差异导致导电性差异。而随着微动的进行，表面初始粗糙度被破坏，粗糙度较大的表面易于产生磨屑，滞留在接触表面难以排出并导致接触电阻上升。 (2) 相对光滑的接触区域，接触界面产生的氧化磨屑易于随着微动进行排出接触区域，磨屑参与导电的几率大大降低，故其接触电阻保持在较低的值。接触界面的磨屑是否参与导电是影响接触电阻的主要原因之一。

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