
電接觸的主要目的就是讓電流無干擾地通過接觸面。而這一目的只有在金屬與金屬很好的接觸時才能實現。但實際發生在接觸區域的接觸過程很復雜,雖然這些過程的表現也許不同,但它們都有共同的基本作用,即接觸表面的劣化,以及相應的接觸電阻、載荷、溫度和多點接觸的其他參數的變化。盡管很多大牛就各種參數對電接觸的影響做了廣泛的研究,但是仍然不能對發生在接觸區域的復雜作用過程給出一個統一的模型。
接觸失效影響電力連接器的可靠性,我們只要找到失效的原因,也就找到了影響電接觸的根本原因(root cause)。
什么是失效?這里簡單的定義為:連接器不再具有設計它來實現功能的狀況。再直白一點,就是指連接器基體溫度在正常的電流傳導時升至遠高于允許接觸運行溫度的情況。
什么是失效機理?指的是失效背后實際的物理現象。電力連接器中復雜的失效機理可以簡單總結為下圖,你會發現一個有趣的現象,這是一個循環的機理圖,比如說常見的溫度升高,影響到后面導致電阻增大,而電阻增大后,又會進一步導致溫度升高。類似于一個自我強化的過程。
各個因素之間相互影響,不是單獨作用。電接觸失效,大致可以劃分成如下八個方面。限于篇幅,每個方面的機理這里做個簡單的描述。
接觸面積
當電流被限制在導電點(a斑點)流通時,接觸點溫度可能會比基體溫度要高。因此一個好的連接,接觸面的溫度只比基體溫度略高。劣質的連接,溫升會提高基體溫度并加速接觸區域的磨損,接觸面積較小,導致較高的電阻。磨損積累進一步提高溫升,最終造成接觸失效。
在特殊惜況下,例如短路,接觸區域熔化的現象即使在設計軟好的連接器上也可能發生,導致熔化金屬的橋接。當出現進一步的磨損時,這些熔化的地帶聚合在一起形成能產生電弧的大區域,使整個連接部件過熱。最終同樣導致接觸面積減小,引起接觸失效。
氧化
氧化是賤金屬中氧含量增大的化學過程,氧化的結果是賤金屬或賤基失去電子。金屬-金屬接觸中,接觸面內的氧化反應被公認為機械連接器最為嚴重的失效作用。
腐蝕
腐蝕是金屬和周圍環境發生的化學或電化學反應,它引起金屬一些可察覺的改變,使金屬材料的性能和功能惡化。它從暴露的金屬表面開始,逐漸改變受腐蝕材料的幾何形狀,而不涉及其化學組成和微觀結構。惡化從腐蝕層的生成開始。一直持續到只要有一種反應物能夠通過腐蝕層擴散并維持反應的進行。腐蝕層的組成和特性對腐蝕的速率有很大作用。通常腐蝕的形成對電力設備的金屬元件都有潛在的影響,而在眾多的腐蝕中大氣腐蝕、局部腐蝕、裂隙腐蝕、點蝕、電蝕最為常見。
微動磨損
微動磨損定義為發生在接觸界面材料產生微小往復運動而導致加速表面損壞的過程。微動磨損發生的兩個基本條件是相對運動或滑動以及足以導致損壞的振幅。實驗表明,振幅在 10的負八次方厘米(<100pm)的量級就能夠產生微動磨損。
由此來看,實際上幾乎沒有哪些表面滑動的幅度是可以小到不產生微動磨損的。普遍認為微動磨損會隨著微動幅度的增大而增大,接觸材料的力學性能對微動磨損發生的起始值有很大的影響。
金屬間化合物
雙金屬焊接,尤其是鋁-銅越來越多的廣泛應用在電氣中。由摩擦焊、壓焊、擴散和輥壓接合、火花焊和爆炸焊等構成的連接,特點是有相對穩定的結合面,并可忽路生成的金屬化合物。在使用時,由于網絡間頻繁電流波動為金屬間的相互擴散提供了條件。于是擴散的金屬在最初接觸面上或周圍集結成核,生長成金屬間化合物。因為金屬中間相具有較高的電阻和較低的機械強度,反過來又嚴重損害了雙金屬連接的電氣穩定性和完整性。
電子遷移
電子遷移是金屬離子在電場作用下的受迫運動,它被認為是大規模集成微電子電路內部連接中最有害的失效機理之一。遷移主要是通過晶界發生的,最終導致在晶界三相點附近形成空隙或沖塞,造成整個電路的失效。
應力松弛和蠕變
金屬作為導體的最重要的缺陷之一是它有蠕變和應力松弛的傾向。當金屬經受一段時間的恒定外力作用后就會發生蠕變或冷變形。蠕變速度取決于應力和溫度,鋁的蠕變速度比銅要高。應力松弛也與時問、溫度和應力有關,和蠕變不同的是,它不伴隨尺寸的改變。應力松馳發生在高應力情況下,并被因金相組織結構的改變而造成接觸壓力的縮減證實。從彈性應變到塑性應變的轉變會明顯減小連接中殘留的按觸壓力,導致接觸電阻增大,并可能使接觸電阻增大到失效點。
溫升會進一步加速初始接觸壓力的喪失,使接觸面積在相對短時間內減少。因此一些沒為按觸面提供有效的機械加載的連按器系統會產生過度的導體變形和高應力,加快應力松馳,最終導致連接失效。
熱膨脹
鋁銅熱膨脹系數的不同是鋁-銅連接劣化機理的另一個非常重要的因素。當溫不高時,鋁膨脹率比銅要高。結果導致接觸區域發生 大的橫向運動,切斷金屏間的差接橋,導致接觸面積的減小;或者在鄰近接觸面的區域產生塑性變形。這些損傷使法觸電阻增大,而電阻的增大又進一步提高了連接的溫度。
在較高溫度時,應力可能會由于基體的恢復而釋放。然而冷卻時,熱應力又重蕭形成,并進一步剪切交界面和/或產生塑性形變,這是由 于在較低溫度時基體飲復非小,因此只有很少的應力被消除。當這一過程重復發生多次后,如果產生的熱應批鋁的屈服應力大,接觸區域會有明顯的塑性形變發生。最終的結果是層疊效果加遮量接的劣化,直至失效。
最后,在我們平時工作中,碰到電接觸失效,做的最多的是測量接觸電阻。不過,上面提到的金屬間化合物,相對比較好檢測,通過打磨放大界面,還是能比較清晰的辨認。
腐蝕是金屬和周圍環境發生的化學或電化學反應,它引起金屬一些可察覺的改變,使金屬材料的性能和功能惡化。它從暴露的金屬表面開始,逐漸改孌受腐蝕材料的幾何形狀,而不涉區其化學組成和微觀結構。惡化從腐蝕層的生成開始,一直持續到只要有一種反應物能夠通過腐蝕層擴散并維持反應的進行。腐蝕層的組成和特性對腐蝕的速率有很大作用。
電化學腐蝕
金屬或合金與比它惰性大的金屬在同一電解液中接觸產生的一種加速腐蝕。在雙金屬組織中,這種形式的腐蝕是最嚴重的劣化作用之一。無論什么時候,只要不同的金屬共存于含有鹽離子的浴液中就會發生電化腐他。電化腐蝕的條件:
1.材料具有不同的表面電勢
2.共同的電解液
3.共同的電流路徑
電子流動的動力是兩種金屬之間不同的電勢,而流動的方向則取決于哪一種金屬更活躍。腐蝕發生時較活潑的金屬(情性小的)為陽極,不太活潑的金屬是陰極。
以鋁-銅連接為例,鋁(陽極元件)溶解并在銅(陰極)上沉淀復雜的氫氧化鋁。同時,在陰板(銅)上析出氫氣。盡管生成的腐蝕物會抑制表面腐蝕的速率,但只要有電解液存在且鋁還沒有被完全耗盡,這一過程就不會停止。
腐蝕對鋁-銅連接的作用主要有兩方面
1,接觸區域嚴重減小造成電氣失效
2,連按器被嚴重腐蝕造成機械失效
多數情況下失效受這兩方面因素共同作用。彰響電化腐體的因素復雜多樣,但最重要的因素應該是濕度。分了抑制腐蝕環境中電化學反應的不利影響和保持較低接觸電阻,可以采取很多減緩措施,如用一種中間電勢能的金屬作為鍍層,使用輔助接觸元件和過渡墊片等。如下圖中,增加潤滑劑以后,能有效地阻止金屬間的電子流動。
塵士腐蝕
發生是由于塵士中含有水溶性的鹽,其溶液構成電解液從而導致金屬腐蝕。這個問題已經進行了廣泛的研究。結果表明,相對濕度和 pH值是影響塵土腐蝕最重要的兩個因素。金屬的腐蝕與相對濕度幾乎成線性增長。
應力腐蝕
裂紋是由拉應力和腐蝕環境共同作用形成的破裂。所需的拉應力可能是直接應力也可能是由于冷變形冷加工、焊接、熱處理、機加工和磨削等過程中形成的殘余應力。這些應力值及其影響常常是可估計的。焊接過程中產生的殘余應力趨近于材料的屈服強度。同樣,在有限的空間中腐蝕產物的生成可能導致產生巨大的不容忽視的應力。
由于偵測細微裂縫和預測初始損壞非常困難,所以應力腐蝕裂紋被認為是一種災難性的腐蝕。嚴重的失效也許就在極少材料損失的情況下意想不到地發生了。