电接触的主要目的就是让电流无干扰地通过接触面。而这一目的只有在金属与金属很好的接触时才能实现。但实际发生在接触区域的接触过程很复杂,虽然这些过程的表现也许不同,但它们都有共同的基本作用,即接触表面的劣化,以及相应的接触电阻、载荷、温度和多点接触的其他参数的变化。尽管很多大牛就各种参数对电接触的影响做了广泛的研究,但是仍然不能对发生在接触区域的复杂作用过程给出一个统一的模型。
接触失效影响电力连接器的可靠性,我们只要找到失效的原因,也就找到了影响电接触的根本原因(root cause)。
什么是失效?这里简单的定义为:连接器不再具有设计它来实现功能的状况。再直白一点,就是指连接器基体温度在正常的电流传导时升至远高于允许接触运行温度的情况。
什么是失效机理?指的是失效背后实际的物理现象。电力连接器中复杂的失效机理可以简单总结为下图,你会发现一个有趣的现象,这是一个循环的机理图,比如说常见的温度升高,影响到后面导致电阻增大,而电阻增大后,又会进一步导致温度升高。类似于一个自我强化的过程。
各个因素之间相互影响,不是单独作用。电接触失效,大致可以划分成如下八个方面。限于篇幅,每个方面的机理这里做个简单的描述。
接触面积
当电流被限制在导电点(a斑点)流通时,接触点温度可能会比基体温度要高。因此一个好的连接,接触面的温度只比基体温度略高。劣质的连接,温升会提高基体温度并加速接触区域的磨损,接触面积较小,导致较高的电阻。磨损积累进一步提高温升,最终造成接触失效。
在特殊惜況下,例如短路,接触区域熔化的现象即使在设计软好的连接器上也可能发生,导致熔化金属的桥接。当出现进一步的磨损时,这些熔化的地带聚合在一起形成能产生电弧的大区域,使整个连接部件过热。最终同样导致接触面积减小,引起接触失效。
氧化
氧化是贱金属中氧含量增大的化学过程,氧化的结果是贱金属或贱基失去电子。金属-金属接触中,接触面内的氧化反应被公认为机械连接器最为严重的失效作用。
腐蚀
腐蚀是金属和周围环境发生的化学或电化学反应,它引起金属一些可察觉的改变,使金属材料的性能和功能恶化。它从暴露的金属表面开始,逐渐改变受腐蚀材料的几何形状,而不涉及其化学组成和微观结构。恶化从腐蚀层的生成开始。一直持续到只要有一种反应物能够通过腐蚀层扩散并维持反应的进行。腐蚀层的组成和特性对腐蚀的速率有很大作用。通常腐蚀的形成对电力设备的金属元件都有潜在的影响,而在众多的腐蚀中大气腐蚀、局部腐蚀、裂隙腐蚀、点蚀、电蚀最为常见。
微动磨损
微动磨损定义为发生在接触界面材料产生微小往复运动而导致加速表面损坏的过程。微动磨损发生的两个基本条件是相对运动或滑动以及足以导致损坏的振幅。实验表明,振幅在 10的负八次方厘米(<100pm)的量级就能够产生微动磨损。
由此来看,实际上几乎没有哪些表面滑动的幅度是可以小到不产生微动磨损的。普遍认为微动磨损会随着微动幅度的增大而增大,接触材料的力学性能对微动磨损发生的起始值有很大的影响。
金属间化合物
双金属焊接,尤其是铝-铜越来越多的广泛应用在电气中。由摩擦焊、压焊、扩散和辊压接合、火花焊和爆炸焊等构成的连接,特点是有相对稳定的结合面,并可忽路生成的金属化合物。在使用时,由于网络间频繁电流波动为金属间的相互扩散提供了条件。于是扩散的金属在最初接触面上或周围集结成核,生长成金属间化合物。因为金属中间相具有较高的电阻和较低的机械强度,反过来又严重损害了双金属连接的电气稳定性和完整性。
电子迁移
电子迁移是金属离子在电场作用下的受迫运动,它被认为是大规模集成微电子电路内部连接中最有害的失效机理之一。迁移主要是通过晶界发生的,最终导致在晶界三相点附近形成空隙或冲塞,造成整个电路的失效。
应力松弛和蠕变
金属作为导体的最重要的缺陷之一是它有蠕变和应力松弛的倾向。当金属经受一段时间的恒定外力作用后就会发生蠕变或冷变形。蠕变速度取决于应力和温度,铝的蠕变速度比铜要高。应力松弛也与时问、温度和应力有关,和蠕变不同的是,它不伴随尺寸的改变。应力松驰发生在高应力情况下,并被因金相组织结构的改变而造成接触压力的缩减证实。从弹性应变到塑性应变的转变会明显减小连接中残留的按触压力,导致接触电阻增大,并可能使接触电阻增大到失效点。
温升会进一步加速初始接触压力的丧失,使接触面积在相对短时间内减少。因此一些没为按触面提供有效的机械加载的连按器系统会产生过度的导体变形和高应力,加快应力松驰,最终导致连接失效。
热膨胀
铝铜热膨胀系数的不同是铝-铜连接劣化机理的另一个非常重要的因素。当溫不高时,铝膨胀率比铜要高。结果导致接触区域发生 大的横向运动,切断金屏间的差接桥,导致接触面积的减小;或者在邻近接触面的区域产生塑性变形。这些损伤使法触电阻增大,而电阻的增大又进一步提高了连接的温度。
在较高温度时,应力可能会由于基体的恢复而释放。然而冷却时,热应力又重萧形成,并进一步剪切交界面和/或产生塑性形变,这是由 于在较低温度时基体饮复非小,因此只有很少的应力被消除。当这一过程重复发生多次后,如果产生的热应批铝的屈服应力大,接触区域会有明显的塑性形变发生。最终的结果是层叠效果加遮量接的劣化,直至失效。
最后,在我们平时工作中,碰到电接触失效,做的最多的是测量接触电阻。不过,上面提到的金属间化合物,相对比较好检测,通过打磨放大界面,还是能比较清晰的辨认。
腐蚀是金属和周围环境发生的化学或电化学反应,它引起金属一些可察觉的改变,使金属材料的性能和功能恶化。它从暴露的金属表面开始,逐渐改娈受腐蚀材料的几何形状,而不涉区其化学组成和微观结构。恶化从腐蚀层的生成开始,一直持续到只要有一种反应物能够通过腐蚀层扩散并维持反应的进行。腐蚀层的组成和特性对腐蚀的速率有很大作用。
电化学腐蚀
金属或合金与比它惰性大的金属在同一电解液中接触产生的一种加速腐蚀。在双金属组织中,这种形式的腐蚀是最严重的劣化作用之一。无论什么时候,只要不同的金属共存于含有盐离子的浴液中就会发生电化腐他。电化腐蚀的条件:
1.材料具有不同的表面电势
2.共同的电解液
3.共同的电流路径
电子流动的动力是两种金属之间不同的电势,而流动的方向则取决于哪一种金属更活跃。腐蚀发生时较活泼的金属(情性小的)为阳极,不太活泼的金属是阴极。
以铝-铜连接为例,铝(阳极元件)溶解并在铜(阴极)上沉淀复杂的氢氧化铝。同时,在阴板(铜)上析出氢气。尽管生成的腐蚀物会抑制表面腐蚀的速率,但只要有电解液存在且铝还没有被完全耗尽,这一过程就不会停止。
腐蚀对铝-铜连接的作用主要有两方面
1,接触区域严重减小造成电气失效
2,连按器被严重腐蚀造成机械失效
多数情况下失效受这两方面因素共同作用。彰响电化腐体的因素复杂多样,但最重要的因素应该是湿度。分了抑制腐蚀环境中电化学反应的不利影响和保持较低接触电阻,可以采取很多减缓措施,如用一种中间电势能的金属作为镀层,使用辅助接触元件和过渡垫片等。如下图中,增加润滑剂以后,能有效地阻止金属间的电子流动。
尘士腐蚀
发生是由于尘士中含有水溶性的盐,其溶液构成电解液从而导致金属腐蚀。这个问题已经进行了广泛的研究。结果表明,相对湿度和 pH值是影响尘土腐蚀最重要的两个因素。金属的腐蚀与相对湿度几乎成线性增长。
应力腐蚀
裂纹是由拉应力和腐蚀环境共同作用形成的破裂。所需的拉应力可能是直接应力也可能是由于冷变形冷加工、焊接、热处理、机加工和磨削等过程中形成的残余应力。这些应力值及其影响常常是可估计的。焊接过程中产生的残余应力趋近于材料的屈服强度。同样,在有限的空间中腐蚀产物的生成可能导致产生巨大的不容忽视的应力。
由于侦测细微裂缝和预测初始损坏非常困难,所以应力腐蚀裂纹被认为是一种灾难性的腐蚀。严重的失效也许就在极少材料损失的情况下意想不到地发生了。