电接触理论了解

电接触理论是与电连接器、开关、继电器等产品有关的一门基础研究理论，它以材料科学为基础，以现代电子技术为手段，研究金属与金属之间、金属与气体、液体之间通电后，其接触界面的微观机理及宏观状态。接触有静止接触和滑动摩擦两种情况，后者与机械学中的摩擦和磨损有关。由于通电后情况显得更加复杂，再加上大气环境中有害物质的影响，使电接触的研究涉及到很多方面，比如：接触表面微观形貌对电接触的影响；环境因素对接触表面膜层的生成作用机理；接触表面的金属镀覆层的作用；滑动接触表面的润滑及润滑材料研究；接触表面的微振腐蚀等等。

电接触理论创始至今只有50多年的历史，其创始人是德国人霍姆博士(R. Holm)，他毕生从事电接触研究，于1958年发表《电接触手册》，首次系统地阐述了电接触理论，十年后又发表了《电接触理论与应用》，把当时的电子技术引入到电接触研究之中。国际上有影响的组织包括美国霍姆电接触学会，它是美国IEEE下属的一个机构，每年举行一次学术会议。其学术论文均在IEEE的系列出版物中刊登。此外1961年成立了国际电接触学会，该学会两年举行一次学术交流会。在我国，电接触研究最早在北京邮电大学机械电子工程系电接触科研室进行，多年来，在章继高教授的带领下，取得了不少研究成果，在国际上也有一定的影响。

电接触理论主要涉及以下几个方面：接触电阻和接触表面膜层；摩擦与磨损；润滑作用机理；弹性零件设计；接触表面镀层研究；微振对接触可靠性的影响。

现对上述几个方面作简要介绍：

1.1 接触电阻和接触表面膜层

    电接触学对接触电阻的形成和影响因素进行了广泛深入的研究。当两个洁净的金属表面接触时，从微观上看，是多个微小的“凸起”接触，这些点在文献中常常形象地称为“A”点，当电流通过此点时，电流线发生弯曲和收缩，使电流通过的路径增长，而截面缩小，形成一个附加电阻，叫收缩电阻或集束电阻。总收缩电阻等于多个这种小收缩电阻的并联值。如果在接触时施加外力，则还要考虑微观粗糙接触点即上述A点会产生弹性变形甚至塑性变形。电接触理论中对不同的电接触模型都有相应的收缩电阻计算公式。

实际接触表面会受到大气中有害物质的侵蚀，如气体吸附在表面形成氧化物，SO2、H2S及CI2等造成电化学腐蚀，灰尘中的有害物质生成盐类等将会在接触表面生成膜层，形成膜层电阻。因而接触电阻应等于收缩电阻与膜层电阻之和。

由于膜层电阻在通电后会产生局部击穿→局部发热→膜层修复→再击穿的复杂现象，使膜层电阻呈现非线性，因而影响接触电阻的稳定。

为减小或避免膜层电阻的影响，电接触表面常进行镀覆。根据镀层的不同，其膜层生成情况也不同。金及其合金镀层不易生成膜层。钯的膜层很薄，极易击穿。而银及其合金镀层，会产生厚膜层。其它镀层如铜、镍等，其膜层击穿电压可达100V。

需要指出的是，在连接器产品规范中规定的接触电阻还应包括接触件自身的体电阻和连接导线产生的电阻，这是由测试方法所决定的。

1.2 摩擦与磨损

      连接器的插入和拔出实际上是一种接触件之间的滑动摩擦，而磨损则是接触表面之间由滑动摩擦导致表面材料损失的现象。连接器的寿命与摩擦和磨损密切相关。研究摩擦和磨损的目的是如何减小摩擦和磨损，保持良好的电接触，提高连接器的机械寿命。

连接器的插入力往往大于拔出力，这是因为插入时，插针要用力张开插孔，如针、孔之间同心度不好则更需要额外的力，这两种力与滑动摩擦力叠加在一起形成插入力。拔出力包括粘结(接触力作用下的局部塑性变形)和擦伤形成的摩擦力。

粘结磨损是滑动摩擦的主要磨损现象，其它还有擦伤磨损、微动磨损等。

电接触研究表明：

(1) 接触表面镀金层若提高硬度，可减小磨损；若降低延展性，则可减少粘结；

(2) 用镍作底镀层再镀金，比直接在铜上镀金时的磨损小，镍层越厚，镀金层越耐磨；

(3) 表面粗糙度越低，磨损越小。

1.3 润滑作用机理

      润滑作用是润滑剂在金属界面之间形成一层薄膜，使滑动在膜层与少量金属之间进行，减少金属间粘结的机会，从而减小摩擦力和磨损。对连接器而言，涂抹在接触件上的润滑剂应该不影响电接触，应该具有良好的导电性和化学稳定性。目前国内外导电润滑剂种类很多，使用时应先经过试验，以免造成接触不良。近年来有的研究人员采用导电润滑剂对那些经多次插拔造成接触件严重磨损的连接器进行修复，使连接器重新恢复连接功能，取得了显著效果。

1.4 弹性零件设计

从电接触的观点看，要保证良好的电接触，必须有低而稳定的接触电阻，其中弹性零件的结构设计至关重要。在连接器接触件的结构中，悬臂梁结构，包括简单的悬臂梁、变截面悬臂梁等用得很多。设计中应遵循的原则是：①弹性零件的最大变形不应达到其屈服极限。常用的磷青铜和铍青铜材料在其应力-应变图中，屈服极限不明显，通常以应变为0.2%处的应力作为屈服极限。②接触时的最大压力不应造成过大的插拔力。在电接触研究中，比较具有实用价值的是接触电阻与正压力(即垂直于接触界面的力)的关系。在这方面进行了大量的研究。正压力增大，其接触电阻减小，且耐振动和冲击能力强，但插拔力会增大，因而选择合适的正压力十分重要。当然，接触电阻与接触面镀层结构和电镀质量也有关系。

1.5 接触表面镀层研究

在电接触研究中，对各种镀层，包括金及其合金、银及其合金、锡铅合金、钯镍合金以及近年出现的钯钴合金的性能都进行了大量的研究。

(1) 金镀层  在金的沉积过程中常会形成镀层通往基底金属的微小通道，这就是微孔。微孔会在金与基底金属材料之间形成微电池(金为阳极，基底铜为阴极，空气中的水和杂质在微孔内形成电解液)。微电池产生腐蚀，使接触失效。微孔率是检查镀层质量的重要指标，它定义为每平方厘米表面的微孔数，在连接器基本试验方法如GJB1217中有相应的检测方法规定。要防止或减轻微孔腐蚀，首先要防止灰尘、氧化物等沉积在待镀表面，清除镀液中的杂质，减小形成微孔的机会。 这就要求净化环境，在镀前清洁表面，并定期过滤镀液。其次，由于基底表面粗糙度会影响微孔率，因而提高基底表面光洁度是减小微孔率的有效方法。研究表明，基底表面材料的铜原子在较高环境温度时会扩散到金镀层表面，产生氧化，使接触失效；用镍作底镀层，致密的镍镀层起阻挡和隔离作用，可防止铜扩散到镀层表面。

(2) 银镀层  银及其合金镀层对含硫气体很敏感，容易形成较厚的硫化银膜层。曾经流行的在银底镀层上镀金，虽然其导电性能优良，但硫化银会从金层的微孔中蔓延到表面。近年来银镀层已基本淘汰。

(3) 锡镀层  锡镀层最大的优越性是价格低廉，且质地很软。虽然在空气中容易生成氧化锡，但氧化物很脆，在压力下很容易破裂，可重新形成接触，因而在较大的接触压力和电接触要求不高时，采用锡镀层是适宜的。实际应用中为防止产生锡须而造成相邻的接触件短路，常采用锡铅镀层(铅含量低于4%)。由于锡铅合金镀层与镀金层接触时会在潮气作用下产生腐蚀，故应避免采用锡铅合金镀层与镀金层接触。

(4) 钯镍合金镀层  钯镍合金镀层硬度较高，耐磨损，插拔寿命较长，且减小用金量。但其接触电阻较高。实用中常采用在钯镍合金镀层上镀薄金(0.025μm～0.125μm)的办法。

(5) 钯钴合金镀层  近年来AMP公司与其它材料公司联合开发的镀层材料，其优点是硬度高于钯镍合金镀层，其插拔寿命比钯镍合金高2～4倍，而其接触电阻和耐腐蚀能力与钯镍合金相近。另一优点是成本上的节省。由于镍底镀层的存在，钯镍合金镀层厚度的测量精度受到影响，为保证镀层性能，常常使钯镍合金镀层的实际厚度增加，提高了成本，而钯钴合金则不存在这种问题，因此，钯钴合金被认为是下一代接触件镀层材料。

1.6 微振对接触可靠性的影响

微振是电接触界面的小幅振动，其产生原因是背景振动和温度的变化。这种容易忽视的微小振动累积到一定程度时，就有可能影响电接触的可靠性。微振引起的电气失效是指由微振磨损、微振腐蚀和有机膜层的摩擦聚合等导致接触电阻的急剧增加。大量的研究表明，接触件的镀层结构、接触正压力的大小、电流的大小等都对接触界面的微振产生很大的影响。而最具实用价值的研究之一是使用合适的导电润滑剂可以明显改善连接器接触件的微振性能。

电接触理论虽然应用性较强，但它毕竟不同于工程设计，更不能代替具体的产品设计。目前，困扰电接触理论研究的一个问题是：如何把理论研究与工程实践结合起来，把研究成果转化为生产力。要解决这个问题并非易事，需要各方面专家和技术人员的共同努力。虽然如此，一个无可辩驳的事实是：在连接器的设计制造和性能测试等方面已经大量采用了几十年来电接触研究的成果，例如，弹性接触件的设计；接触件镀层的确定；导电润滑剂的使用等等。

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