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motres            




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接触电阻的形成与影响因素

作用原理
    在显微镜下观察连接器接触件的表面,尽管镀金层十分光滑,则仍能观察到5-10微米的凸起部分。会看到插合的一对接触件的接触,并不整个接触面的接触,而是散布在接触面上一些点的接触。实际接触面必然小于理论接触面。根据表面光滑程度及接触压力大小,两者差距有的可达几千倍。实际接触面可分为两部分;一是真正金属与金属直接接触部分。即金属间无过渡电阻的接触微点,亦称接触斑点,它是由接触压力或热作用破坏界面膜后形成的。部分约占实际接触面积的5-10%。二是通过接触界面污染薄膜后相互接触的部分。因为任何金属都有返回原氧化物状态的倾向。实际上,在大气中不存在真正洁净的金属表面,即使很洁净的金属表面,一旦暴露在大气中,便会很快生成几微米的初期氧化膜层。例如铜只要2-3分钟,镍约30分钟,铝仅需2-3秒钟,其表面便可形成厚度约2微米的氧化膜层。即使特别稳定的贵金属金,由于它的表面能较高,其表面也会形成一层有机气体吸附膜。此外,大气中的尘埃等也会在接触件表面形成沉积膜。因而,从微观分析任何接触面都是一个污染面
    综上所述,真正接触电阻应由以下几部分组成;
1) 集中电阻
    电流通过实际接触面时,由于电流线收缩(或称集中)显示出来的电阻。将其称为集中电阻或收缩电阻
2) 膜层电阻
    由于接触表面膜层及其他污染物所构成的膜层电阻。从接触表面状态分析;表面污染膜可分为较坚实的薄膜层和较松散的杂质污染层。故确切地说,也可把膜层电阻称为界面电阻
3) 导体电阻
    实际测量电连接器接触件的接触电阻时,都是在接点引出端进行的,故实际测得的接触电阻还包含接触表面以外接触件和引出导线本身的导体电阻。导体电阻主要取决于金属材料本身的导电性能,它与周围环境温度的关系可用温度系数来表征
    为便于区分,将集中电阻加上膜层电阻称为真实接触电阻。而将实际测得包含有导体电阻的称为总接触电阻
    在实际测量接触电阻时,常使用按开尔文电桥四端子法原理设计的接触电阻测试仪(毫欧计),其专用夹具夹在被测接触件端接部位两端,故实际测量的总接触电阻R由以下三部分组成,可由下式表示:
    R= RC + Rf + Rp,式中:RC—集中电阻;Rf—膜层电阻;Rp—导体电阻
    接触电阻检验目的是确定电流流经接触件的接触表面的电触点时产生的电阻。如果有大电流通过高阻触点时,就可能产生过分的能量消耗,并使触点产生危险的过热现象。在很多应用中要求接触电阻低且稳定,以使触点上的电压降不致影响电路状况的精度
    除用毫欧计外,也可用伏-安计法,安培-电位计法
    在连接微弱信号电路中,设定的测试数条件对接触电阻检测结果有一定影响。因为接触表面会附有氧化层,油污或其他污染物,两接触件表面会产生膜层电阻。由于膜层为不良导体,随膜层厚度增加,接触电阻会迅速增大。膜层在高的接触压力下会机械击穿,或在高电压、大电流下会发生电击穿。但对某些小型连接器设计的接触压力很小,工作电流电压仅为mA和mV级,膜层电阻不易被击穿,接触电阻增大可能影响电信号的传输
    在GB5095“电子设备用机电元件基本试验规程及测量方法” 中的接触电阻测试方法之一,“接触电阻-毫伏法” 规定,为防止接触件上膜层被击穿,测试回路交流或直流的开路峰值电压应不大于20mV,交流或直流的测试中电流应不大于100mA
    在GJB1217“电连接器试验方法” 中规定有“低电平接触电阻” 和“接触电阻” 两种试验方法。其中低电平接触电阻试验方法基本内容与上述GB5095中的接触电阻-毫伏法相同。目的是评定接触件在加上不改变物理的接触表面或不改变可能存在的不导电氧化薄膜的电压和电流条件下的接触电阻特性。所加开路试验电压不超过20mV,试验电流应限制在100mA。在这一电平下的性能足以表现在低电平电激励下的接触界面的性能。而接触电阻试验方法目的是测量通过规定电流的一对插合接触件两端或接触件与测量规之间的电阻。通常采用这一试验方法施加的规定电流要比前一种试验方法大得多。如军标GJB101“小圆形快速分离耐环境电连接器总规范”中规定;测量时电流为1A,接触对串联后,测量每对接触对的电压降,取其平均值换算成接触电阻值。主要受接触件材料、正压力、表面状态、使用电压和电流等因素影响
1) 接触件材料
    电连接器技术条件对不同材质制作的同规格插配接触件,规定了不同的接触电阻考核指标。如小圆形快速分离耐环境电连接器总规范GJB101-86规定,直径为1mm的插配接触件接触电阻,铜合金≤5mΩ,铁合金≤15mΩ
2) 正压力
    接触件的正压力是指彼此接触的表面产生并垂直于接触表面的力。随正压力增加,接触微点数量及面积也逐渐增加,同时接触微点从弹性变形过渡到塑性变形。由于集中电阻逐渐减小,而使接触电阻降低。接触正压力主要取决于接触件的几何形状和材料性能
3) 表面状态
    接触件表面一是由于尘埃、松香、油污等在接点表面机械附着沉积形成的较松散的表膜,这层表膜由于带有微粒物质极易嵌藏在接触表面的微观凹坑处,使接触面积缩小,接触电阻增大,且极不稳定。二是由于物理吸附及化学吸附所形成的污染膜,对金属表面主要是化学吸附,它是在物理吸附后伴随电子迁移而产生的。故对一些高可靠性要求的产品,如航天用电连接器必须要有洁净的装配生产环境条件,完善的清洗工艺及必要的结构密封措施,使用单位必须要有良好的贮存和使用操作环境条件
4) 使用电压
    使用电压达到一定阈值,会使接触件膜层被击穿,而使接触电阻迅速下降。但由于热效应加速了膜层附近区域的化学反应,对膜层有一定的修复作用。于是阻值呈现非线性。在阈值电压附近,电压降的微小波动会引起电流可能二十倍或几十倍范围内变化。使接触电阻发生很大变化,不了解这种非线性电阻,就会在测试和使用接触件时产生错误
5) 电流
    当电流超过一定值时,接触件界面微小点处通电后产生的焦耳热()作用而使金属软化或熔化,会对集中电阻产生影响,随之降低接触电阻
影响接触电阻的因素
    当两个金属导体相接触时,在接触区域内存在着一个附加电阻,称为接触电阻。接触电阻由收缩电阻和膜电阻组成。即:
Rj=Rs+Rb      ……(1)
Rs:收缩电阻
Rb:表面膜电阻
导体总电阻R为:R=Rl+Rj    ……(2)
Rl—导体固有电阻
Rj—接触电阻(R1=ρ.l/s;ρ为电阻系数;l为导体长度;s为截面面积)
Rs=(ρ/2)(πξHB/n/F)^(1/2)     ……(3)
F—加于两导体的机械压力(N)
HB—材料的布氏硬度
ξ—与材料变形情况有关的系数,一般情况为0.3~1,当接触面较平,弹性变形是主要的,则取小值,接触点全部是塑性变形时,ξ=1
n—接触点数目
    表面膜电阻Rb则与表面覆盖层的性质有关
    可见,通过上面的3个公式分析得出,对于一个已设计好的产品,R1是相对固定的,导体总电阻R因Rj的变化而变,而Rj又因Rs和Rb的变化而变。其Rs由公式(3)得出,一是导体材料选定,则其大小由F和n决定,在我厂所生产的电器中,往往由于这些质量问题接触电阻Rj增大,从而使的温升升高
    接触电阻Rj由两部分组成,即收缩电阻Rs和表面膜电阻Rb。收缩电阻是电流在流经电接触区域时,从原来截面较大的导体突然转入截面很小的接触点,电流发生剧烈收缩现象,此现象所呈现的附加电阻称为收缩电阻。表面膜电阻为在电接触的接触面上,由于污染而覆盖着一层导电性很差的物质,这就是接触电阻的另一部分——膜电阻。很多现场勘查人员对插片、插座烧毁的痕迹习惯归结为接触不良、接触电阻过大所致,其实导致接触电阻增大有很多原因
1 接触形式
    接触电阻的形式可分为三类:点接触、线接触和面接触。接触形式对收缩电阻Rs的影响主要表现在接触点的数目上。一般情况下,面接触的接触点数n最大而Rs最小;点接触则n最小,Rs最大;线接触则介于两者之间。接触形式对膜电阻Rb的影响主要是看每一个接触点所承受的压力F。一般情况下,在对触头外加压力F相同的情况下,点接触形式n最小,单位面积承受压力F1最大,容易破坏表面膜,所以有可能使Rb减到最小;反之,面接触的F1就最小,对Rb的破坏力最小,Rb值有可能最大。在实际情况中,需要综合以上两个因素,对接触电阻的大小进行具体的分析判断
2 接触压力
    接触压力F对收缩电阻Rs值和表面膜电阻Rb值的影响最大,F的增加使接触点的有效接触面积增大,即接触点数n增加,从而使Rs减小。当加大F超过一定值时,可使触头表面的气体分子层吸附膜减少到2~3个;当超过材料的屈服压强时,产生塑性变形,表面膜被压碎出现裂缝,从而增加了接触面积,这就使收缩电阻Rs因表面膜电阻Rb的减小而下降,Rs和Rb同时减小,从而使接触电阻大大下降。相反,当接触不到位、接触触头失去了弹性变形等原因使接触压力F下降时,接触面积减小,收缩电阻Rs增大,表面膜电阻Rb受F的破坏作用减弱或不受其影响,从而使表面膜电阻Rb增大。同时因Rb增大,使接触面积减小,从而使Rj增大,二者的综合作用使接触电阻整体上升
3 接触表面的光洁度
    接触表面的光洁度对接触电阻有一定的影响,这主要表现在接触点数n的不同。接触表面可以是粗加工、精加工,甚至是采用机械或电化学抛光。不同的加工形式直接影响接触点数n的多少,并最终影响接触电阻的大小
4 接触电阻在长期工作中的稳定性
    电阻接触在长期工作中要受到腐蚀作用:
    (1)化学腐蚀。电接触的长期允许温度一般都很低,虽然接触面的金属不与周围介质接触,但周围介质中的氧会从接触点周围逐渐侵入,并与金属起化学作用,形成金属氧化物,从而使实际接触面积减小,使Rj增加,接触点温度上升。温度越高,氧分子的活动力越强,可以更深地侵入到金属内部,这种腐蚀作用变得更为严重;
    (2)电化学腐蚀。不同的金属构成电接触时,能够发生这种腐蚀。它使负极金属溶解到电解液中,造成负电极金属的腐蚀
5 温度
    当接触点温度升高时,金属的电阻率就会有所增大,但材料的硬度有所降低,从而使接触点的有效面积增大。前者使Rs增大,后者使Rs减小,结果是两者互为补偿,故接触电阻变化甚微。但是,发热使接触面上生成氧化层薄膜,增加了接触电阻,这种接触电阻可成百成千倍地增大。其氧化速度与触头表面温度有关,当发热温度超过某一临界温度时,这个过程就会加速进行,这就限制了接触面的极限允许温度。否则,则将使接触电阻剧增,会引起恶性循环。另外,当发热温度超过一定值时,弹簧接触部分的弹性元件会被退火,使压力降低,也会使接触电阻增加,恶性循环加剧,最后会导致连接状态遭到破坏
6 材料性质
    构成电接触的金属材料的性质,直接影响接触电阻Rj的大小,比如:电阻率ρ、材料的布氏硬度HB、材料的化学性质、材料的金属化合物的机械强度等。以我国普遍使用的铜为例,铜有良好的导电和导热性能,其强度和硬度都比较高,熔点也较高,易于加工。因此铜线接头在接触良好的情况下,温度低于无接头部位的温度;但在高温下,其在大气或变压器油中也能氧化,生成CU2O,其导电性很差,氧化膜厚度随着时间和温度的增加而不断地增加,接触电阻也成倍地增加,有时甚至使用闭合电路出现断路现象。因此铜不适合于做非频繁操作电器的触头材料,对于频繁操作的接触器,电流大于150A时,氧化膜在开闭时产生电弧的高温作用下分解,可采用铜触头。从整体减小接触电阻Rj的角度看,可在铜上镀银、镶银或锡,后两者的优点是ρ及HB值小,氧化膜机械强度很低,因此铜件上采取此措施可减小Rj
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2010-12-13              
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