尘土颗粒对触点材料电接触性能的影响

尘土颗粒对触点材料电接触性能的影响
尹泉;许良军;孔志刚
【摘要】以75～150μm的二氧化硅颗粒为代表讨论分析接触压力对微动失效的影响.在不同的压力下进行了多组微动实验,对实验数据和结果进行了曲线拟合和加速度分析,结果表明在微动过程中,颗粒发生了破碎和推开,使得电压变化曲线不断波动,接触压力对微动失效的影响并不是单调的,存在容易引起失效的压力.
【期刊名称】《机电产品开发与创新》
【年(卷),期】2010(023)001
【总页数】3页(P1-2,23)
【关键词】微动;二氧化硅颗粒;接触电阻;接触压力
【作者】尹泉;许良军;孔志刚
【作者单位】北京邮电大学,电接触科研室,北京,100876;北京邮电大学,电接触科研室,北京,100876;北京邮电大学,电接触科研室,北京,100876
【正文语种】中文
【中图分类】X83
我国的经济发展目前还处在粗放型阶段，这种发展模式不可避免的产生环境破坏，使空气中污染物，沙尘含量不断上升，空气中悬浮颗粒引起的电接触问题也越来越多，针对这些问题，就需要分析研究尘土颗粒对触电材料电接触性能的影响，本文以75～150μm的二氧化硅颗粒为代表讨论接触压力对微动失效的影响。

本实验中，利用端部为直径约1mm的半球形的圆柱形触头和平面样片配合来模拟
实际连接器中的接触对。

其中，触头和样片均为镀金层，基底材料为镍铜合金。

触头表面镀金层厚度为0.1μm，二氧化硅颗粒的尺寸是 75～150μm。

微动区域的研究方法：用扫描电子显微镜研究微动磨损区的形貌特征，同时使用X 射线能谱仪对微动磨损区的成分进行分析，并结合其接触电阻变化趋势进行分析微动压力变化的影响。

颗粒存在情况下微动压力的影响。

对微动压力影响的研究是选取20g，50g，90g，120g，150g和240g压力进行实验，微动幅值为200μm，工作电流为100mA，75-150μm的二氧化硅颗粒。

图1中（a）～（f）为分别是在75～150μm 二氧化硅颗粒存在的情况下，20g，50g，90g，120g，150g和 240g压力作用下接触电压变化曲线图，其横坐标为微动周期，纵坐标为接触电压变化值。

由图知在所有压力下接触电压都随微动周期数的增加而呈上升趋势。

但在20g压力下比其它几个图的变化明显要剧烈，横向
比较来看，在20g接触压力下的接触电压明显比其它几个接触压力下的同一周期
时的要高。

根据实验过程中所采集到的实验数据，依据公式：电阻=电压/电流，分别对其能
达到的最大接触电阻值和对应的微动周期数据进行分析，这里所指的最大接触电阻是非随机出现的单个点值，见表1。

根据表1中的数据，为了研究不同接触压力与最大电阻值之间的对应规律，使用Matlab对表中的数据进行曲线拟合，观察数据，考虑已有的函数变化规律，取几种函数形式进行曲线拟合，分别是：五次多项式拟合、线性多项式拟合、二次傅立叶拟合、指数函数拟合，拟合生成的曲线如图2所示，其中红色的是五次多项式
拟合曲线，蓝色的是线性多项式拟合曲线，咖啡色是二次傅立叶逼近拟合曲线，黑色是指数拟合曲线。

经分析五次多项式的拟合效果最好，可用其作为本次实验数据的曲线拟合，即：
接触压力对接触电阻的影响并不是单调的，如五次多项式曲线拟合图像所示存在极值点。

这主要是由于接触压力对接触电阻的影响有两方面的作用。

一方面，接触压力增大使颗粒间磨损加剧，使磨粒增多，接触电阻增大；另一方面，接触压力增大使接触面增大及磨粒充分暴露的时间减少，氧化减慢，减弱了堆积程度，使氧化物减少。

这两种作用相反，从而导致接触压力变化对接触电阻的影响并不是单调变化的。

如表2所示，μmax表示接触电阻从起始电阻值上升到最大电阻值时该阶段的变化速率，从μmax的值可知，当接触压力为20g和90g时，接触电阻每升高1Ω时所需的周期数较少，即触点微动失效较快，从而表明在颗粒存在的情况下接触压力对接触电阻的影响并不是单调的，即存在使触点微动失效最快的压力值。

微动区域的研究和分析，如图3所示。

图3为微动幅值为200μm，接触压力为90g时样片上微动磨损区的扫描电镜照片，对编号1，2的区域进行能谱分析如表3所示。

标号为1的位置的物质成分不仅存在硅和氧，也出现了金，可以认为在微动磨损区的中不仅存在被碾碎后的二氧化硅，也有镀金触头上磨损的金，而镍的出现则是因为表面的镀金层被磨损后露出了中间层的镍。

标号为2的位置的物质成分只存在硅和氧，这个结果表明，微动磨损区
当中含有二氧化硅磨粒，合理的解释是二氧化硅成分来自被挤压，碾碎的二氧化硅颗粒。

以上的结果表明在微动区域中出现了基层镍和二氧化硅磨粒，这是因为压力和摩擦的作用使颗粒发生变形和破裂、推开，在这一过程中，样片上的金镀层被磨掉露出底层的镍，触头上磨损的金残留在微动区域中。

此外压碎会减小接触面积，推开会使微动区域里的颗粒密度发生改变，两方面都使得微动区域的触点数目和面积发生变化，从而使接触电阻在微动过程中不断的波动。

这也对接触电压曲线图曲线不断的波动做出了解释。

本文以二氧化硅颗粒为代表展开讨论和研究，得到以下两点尘土对触点材料电接触性能性能的影响：
（1）由上面的分析可知在微动幅值为200μm、工作电流为100mA的条件下，接触压力对接触电阻的影响并不是单调的，在150g和240g之间存在极值点，即二者之间存在使微动失效最快的接触压力值，在20g，90g接触压力下触点微动失效最快。

（2）二氧化硅颗粒存在情况下，二氧化硅颗粒被挤压变形和破裂，会造成微动区域中部分区域基层金属的露出，使接触电阻上升，当接触电阻上升到一定程度时，会造成失效。

【相关文献】
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