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接觸電阻是評(píng)價(jià)電連接器可靠性的一項(xiàng)重要參數(shù)，論文以某連接器為例，闡述了接觸電阻原理，分析了影響接觸電阻的環(huán)境溫度和振動(dòng)因素，設(shè)計(jì)了不同溫度下振動(dòng)試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，相同振動(dòng)量級(jí)時(shí)，環(huán)境溫度上升對(duì)接觸電阻影響較大。

 

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，電連接器作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，其?yīng)用領(lǐng)域和數(shù)量不斷增大。從軍用方面的航天、航空、兵器、武器系統(tǒng)，再到民用方面的交通、通行、醫(yī)療、汽車及家電等領(lǐng)域，電連接器作為信號(hào)或能量傳遞的載體，其性能和質(zhì)量的異常，都會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)的工作異常、功能喪失，甚至引發(fā)嚴(yán)重的事故。因此，連接器的可靠性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行起到十分重要的作用。

 

連接器的失效形式較多，有機(jī)械的、電氣的、環(huán)境的、綜合等因素。接觸電阻作為電連接器電氣性能的一項(xiàng)重要參數(shù)，是評(píng)價(jià)元器件連接性能及可靠性的重要依據(jù)，受環(huán)境因素影響較大。故本文以某連接器為例，研究不同溫度環(huán)境下振動(dòng)對(duì)接觸電阻的特性影響，并試驗(yàn)驗(yàn)證其影響程度。

 

原理概述

 

相互接觸的固體表面之間存在復(fù)雜應(yīng)力與應(yīng)變，在宏觀上表現(xiàn)為平面實(shí)體與實(shí)體接觸，微觀方面表現(xiàn)為微小粒子間的點(diǎn)接觸。實(shí)際的點(diǎn)接觸其接觸面積必然小于理論接觸面積，因此，電連接器的接觸電阻不是單一的實(shí)體電阻，而是由大量微觀的電阻組成。

接觸電阻指電流通過接觸點(diǎn)時(shí)在接觸處產(chǎn)生的電阻。一般由導(dǎo)體電阻、膜層電阻以及集中電阻組成。工程應(yīng)用中一般可由下式表示：

 

R=Rc+Rf+Rp

 

式中：

 

Rc—集中電；

 

Rf—膜層電阻；

 

Rp—導(dǎo)體電阻。

 

影響因素分析

 

連接器通過插針與開槽式插孔的剛性接觸實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，因此接觸電阻的大小直接影響電性能的好壞。影響連接器接觸電阻的因素較多，主要有材料、正壓力、表面狀態(tài)、電壓、電流、以及溫度和濕度等。本文主要研究不同溫度下振動(dòng)對(duì)接觸電阻的影響，以下分別對(duì)溫度和振動(dòng)因素進(jìn)行分析。

 

01.溫度因素

 

一般而言，室溫環(huán)境對(duì)接觸件性能無影響，但是在低溫或高溫時(shí)，環(huán)境溫度將對(duì)其性能影響。

 

一方面，環(huán)境溫度的變化會(huì)對(duì)連接器接觸件材料的性能產(chǎn)生影響：溫度的降低或升高都會(huì)導(dǎo)致接觸件材料的性能迅速下降。溫度降低時(shí)，接觸件產(chǎn)品的彈性變形降低，金屬基體收縮，使其接觸壓力變??；溫度升高時(shí)，溫度應(yīng)力使接觸件產(chǎn)生的彈性變形超過材料的屈服極限，從而發(fā)生塑性變形，也會(huì)導(dǎo)致接觸壓力變小。多次插拔時(shí)，出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，導(dǎo)致接觸電阻逐步增大，接觸失效。溫度升高，金屬活化能力增加，提高金屬活性，從而加速暴露在空氣中的接觸件金屬表面氧化速率

 

另一方面，環(huán)境溫度升高會(huì)引起連接器內(nèi)部絕緣體釋放有機(jī)氣體，有機(jī)氣體釋放，也會(huì)加劇接觸件表面膜層厚度的增加。另外，溫度升高時(shí)，金屬材料原子、電子、離子加速運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散速度加大，使其向鍍層外部擴(kuò)散，在氧化物與大氣接觸的界面，加速氧化膜層的生長(zhǎng)，接觸電阻不斷增大，導(dǎo)致接觸失效。

 

02.振動(dòng)因素

 

振動(dòng)時(shí)，插合的接觸件之間存在幅值非常小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而引發(fā)接觸件表面的相互磨損，振動(dòng)幅值一般在1μm至100μm之間。在各種惡劣、苛刻的環(huán)境下，連接器接觸件的表面不可能消除這種微小的微動(dòng)磨損。

實(shí)際使用中，在微動(dòng)磨損的綜合作用下，接觸件鍍層加速磨損，造成接觸件面覆蓋的加速積累，導(dǎo)致接觸電阻增加。在微動(dòng)磨損作用時(shí)，接觸件插孔接觸壓力減小，同時(shí)在振動(dòng)應(yīng)力的作用下，很容易導(dǎo)致出現(xiàn)瞬斷現(xiàn)象。對(duì)于接觸件表層的氧化物，其電阻率遠(yuǎn)大于基體材料的電阻率，高低溫環(huán)境下，接觸壓力降低，氧化物膜層增厚，接觸電阻必然增大。因此，特別容易導(dǎo)致接觸失效。

 

不同溫度環(huán)境下振動(dòng)試驗(yàn)

 

01試驗(yàn)設(shè)計(jì)

 

1.試驗(yàn)樣品

 

選擇某9芯的連接器（插頭、插座各10只）10對(duì)，每只產(chǎn)品裝7根已壓導(dǎo)線（牌號(hào)：AFR-250，截面積0.15m2，長(zhǎng)度150mm）的接觸件，按表1進(jìn)行編號(hào)。

 

表1 試驗(yàn)樣品

 

 

2.試驗(yàn)方案

 

按照GJB1217A-2009標(biāo)準(zhǔn)中方法2005類進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)，同時(shí)選擇不同的溫度，具體操作過程按標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行，試驗(yàn)結(jié)束后在常溫下測(cè)試插頭接觸件的接觸件電阻，不考慮壓接電阻的影響，具體方法見表2所示。

 

表2 試驗(yàn)方法

 

 

02試驗(yàn)結(jié)果

 

根據(jù)上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)，把試驗(yàn)樣品按分組進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)后在常溫下測(cè)試1～7點(diǎn)的接觸電阻值，結(jié)果測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

 

1.試驗(yàn)前測(cè)試結(jié)果

 

 常溫下測(cè)試各組樣品1～7點(diǎn)的電阻如圖1所示(不考慮壓接電阻)，將安裝方式相同的放在一組對(duì)比，可以看出，接觸件的接觸電阻值在(3.21～3.61)mΩ之間，基本趨于一致。

 

 

（a）垂直安裝                       （b）水平安裝

 

圖1 常溫下各組樣品的接觸電阻

 

2.振動(dòng)2h后測(cè)試結(jié)果

 

不同溫度環(huán)境相同振動(dòng)條件振動(dòng)2h后，對(duì)各組樣品進(jìn)行接觸電阻測(cè)試，如圖2所示?？梢钥闯?，常溫與低溫環(huán)境下振動(dòng)2h后，其接觸電阻值變化幅度不大，隨著溫度升高，接觸電阻也略有增加，安裝方式對(duì)接觸電阻的影響不大。

 

 

（a）垂直安裝                      （b）水平安裝

 

圖2 振動(dòng)2h后的接觸電阻

 

3.振動(dòng)4h后測(cè)試結(jié)果

 

不同溫度環(huán)境相同振動(dòng)條件振動(dòng)4h后，對(duì)各組樣品進(jìn)行接觸電阻測(cè)試，如圖3所示?？梢钥闯觯丨h(huán)境下振動(dòng)后其接觸電阻值變化不大，低溫環(huán)境下隨著振動(dòng)時(shí)間的增加，其接觸電阻值增大；高溫環(huán)境下隨振動(dòng)時(shí)間增加后，接觸電阻變化較為明顯，溫度越高，接觸電阻越大；同時(shí)，高溫環(huán)境下，其水平安裝方式的接觸電阻比垂直安裝方式的高。

 

 

（a）垂直安裝                    （b）水平安裝

 

圖3 振動(dòng)4h后的接觸電阻

 

4.振動(dòng)8h后測(cè)試結(jié)果

 

不同溫度環(huán)境相同振動(dòng)條件振動(dòng)8h后，對(duì)各組樣品進(jìn)行接觸電阻測(cè)試，如圖4所示?？梢钥闯觯睾偷蜏丨h(huán)境下隨振動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，其接觸電阻值變大；高溫環(huán)境下，隨著溫度和振動(dòng)時(shí)間增加，其接觸電阻變化突顯，溫度越高，接觸電阻越大；同時(shí)，高溫環(huán)境下，其垂直安裝方式的接觸電阻比水平安裝方式的高。

 

 

（a）垂直安裝                      （b）水平安裝

 

圖4 振動(dòng)8h后的接觸電阻

 

5.測(cè)試結(jié)果分析

 

綜上測(cè)試結(jié)果可知，振動(dòng)時(shí)接觸件接觸部位存在微動(dòng)作用，隨著振動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，接觸件間磨損情況加劇。另外，在低溫和常溫環(huán)境下振動(dòng)，其接觸件電阻變化較?。坏S著溫度的上升，磨損加劇，接觸電阻增大較快，接觸件磨損嚴(yán)重，如圖5所示。

 

 

（a）常溫環(huán)境下振動(dòng)后      （b）低溫環(huán)境下振動(dòng)后

 

 

（c）125℃環(huán)境下振動(dòng)后      （d）175℃環(huán)境下振動(dòng)后

 

 

（e）200℃環(huán)境下振動(dòng)后

 

圖5 不同環(huán)境下振動(dòng)后磨損情況

 

1）從圖5中（a）和（b）可以看出，常溫和低溫環(huán)境振動(dòng)后，接觸件的根部已經(jīng)出現(xiàn)少量的黑色物質(zhì)，發(fā)生輕微氧化，接觸件表層磨損較輕。

2）從圖5中（c）和（d）可以看出，125℃環(huán)境下振動(dòng)后，接觸件的根部周圈已經(jīng)出現(xiàn)黑色氧化物質(zhì)，接觸件表層有磨損現(xiàn)象，特別是175℃環(huán)境下振動(dòng)后，接觸件表面與插孔接觸部位鍍金層摩擦明顯。

3）從圖5中（e）可以看出，200℃環(huán)境下振動(dòng)后，接觸件的根部周圈和界面密封墊上已經(jīng)出現(xiàn)大面積氧化，接觸件表層磨損嚴(yán)重。

 

結(jié)束語

 

接觸電阻是電連接器的關(guān)鍵性能指標(biāo)，本文以某連接器為例，分析影響接觸電阻的環(huán)境溫度和振動(dòng)因素，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，就結(jié)果得出以下結(jié)論：

 

1)在相同振動(dòng)量級(jí)時(shí)，隨著振動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，接觸電阻變大，安裝方式對(duì)接觸電阻影響不大；

 

2)在低溫和常溫環(huán)境下振動(dòng)后，接觸電阻稍有增加；隨著環(huán)境溫度的上升，接觸件表層磨損加劇，接觸電阻快速增大。

 

引用本文：

 

韓征權(quán)，王旭，潘煒，冉思益.復(fù)合應(yīng)力條件下連接器接觸電阻特性變化研究[J].環(huán)境技術(shù)，2021，234(06):31-34.

專家簡(jiǎn)介：韓征權(quán)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電連接器研究工作。