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嘉峪检测网 2022-03-04 23:48
接触电阻是评价电连接器可靠性的一项重要参数,论文以某连接器为例,阐述了接触电阻原理,分析了影响接触电阻的环境温度和振动因素,设计了不同温度下振动试验,经试验验证,相同振动量级时,环境温度上升对接触电阻影响较大。
随着大数据、物联网时代的到来,电连接器作为数据传输的接口,其应用领域和数量不断增大。从军用方面的航天、航空、兵器、武器系统,再到民用方面的交通、通行、医疗、汽车及家电等领域,电连接器作为信号或能量传递的载体,其性能和质量的异常,都会引起整个系统的工作异常、功能丧失,甚至引发严重的事故。因此,连接器的可靠性对整个系统的安全、稳定运行起到十分重要的作用。
连接器的失效形式较多,有机械的、电气的、环境的、综合等因素。接触电阻作为电连接器电气性能的一项重要参数,是评价元器件连接性能及可靠性的重要依据,受环境因素影响较大。故本文以某连接器为例,研究不同温度环境下振动对接触电阻的特性影响,并试验验证其影响程度。
原理概述
相互接触的固体表面之间存在复杂应力与应变,在宏观上表现为平面实体与实体接触,微观方面表现为微小粒子间的点接触。实际的点接触其接触面积必然小于理论接触面积,因此,电连接器的接触电阻不是单一的实体电阻,而是由大量微观的电阻组成。
接触电阻指电流通过接触点时在接触处产生的电阻。一般由导体电阻、膜层电阻以及集中电阻组成。工程应用中一般可由下式表示:
R=Rc+Rf+Rp
式中:
Rc—集中电;
Rf—膜层电阻;
Rp—导体电阻。
影响因素分析
连接器通过插针与开槽式插孔的刚性接触实现导通,因此接触电阻的大小直接影响电性能的好坏。影响连接器接触电阻的因素较多,主要有材料、正压力、表面状态、电压、电流、以及温度和湿度等。本文主要研究不同温度下振动对接触电阻的影响,以下分别对温度和振动因素进行分析。
01.温度因素
一般而言,室温环境对接触件性能无影响,但是在低温或高温时,环境温度将对其性能影响。
一方面,环境温度的变化会对连接器接触件材料的性能产生影响:温度的降低或升高都会导致接触件材料的性能迅速下降。温度降低时,接触件产品的弹性变形降低,金属基体收缩,使其接触压力变小;温度升高时,温度应力使接触件产生的弹性变形超过材料的屈服极限,从而发生塑性变形,也会导致接触压力变小。多次插拔时,出现应力松弛现象,导致接触电阻逐步增大,接触失效。温度升高,金属活化能力增加,提高金属活性,从而加速暴露在空气中的接触件金属表面氧化速率
另一方面,环境温度升高会引起连接器内部绝缘体释放有机气体,有机气体释放,也会加剧接触件表面膜层厚度的增加。另外,温度升高时,金属材料原子、电子、离子加速运动,扩散速度加大,使其向镀层外部扩散,在氧化物与大气接触的界面,加速氧化膜层的生长,接触电阻不断增大,导致接触失效。
02.振动因素
振动时,插合的接触件之间存在幅值非常小的相对运动,而引发接触件表面的相互磨损,振动幅值一般在1μm至100μm之间。在各种恶劣、苛刻的环境下,连接器接触件的表面不可能消除这种微小的微动磨损。
实际使用中,在微动磨损的综合作用下,接触件镀层加速磨损,造成接触件面覆盖的加速积累,导致接触电阻增加。在微动磨损作用时,接触件插孔接触压力减小,同时在振动应力的作用下,很容易导致出现瞬断现象。对于接触件表层的氧化物,其电阻率远大于基体材料的电阻率,高低温环境下,接触压力降低,氧化物膜层增厚,接触电阻必然增大。因此,特别容易导致接触失效。
不同温度环境下振动试验
01试验设计
1.试验样品
选择某9芯的连接器(插头、插座各10只)10对,每只产品装7根已压导线(牌号:AFR-250,截面积0.15m2,长度150mm)的接触件,按表1进行编号。
表1 试验样品
2.试验方案
按照GJB1217A-2009标准中方法2005类进行随机振动,同时选择不同的温度,具体操作过程按标准要求执行,试验结束后在常温下测试插头接触件的接触件电阻,不考虑压接电阻的影响,具体方法见表2所示。
表2 试验方法
02试验结果
根据上述试验设计,把试验样品按分组进行相应试验,试验后在常温下测试1~7点的接触电阻值,结果测试结果进行分析。
1.试验前测试结果
常温下测试各组样品1~7点的电阻如图1所示(不考虑压接电阻),将安装方式相同的放在一组对比,可以看出,接触件的接触电阻值在(3.21~3.61)mΩ之间,基本趋于一致。
(a)垂直安装 (b)水平安装
图1 常温下各组样品的接触电阻
2.振动2h后测试结果
不同温度环境相同振动条件振动2h后,对各组样品进行接触电阻测试,如图2所示。可以看出,常温与低温环境下振动2h后,其接触电阻值变化幅度不大,随着温度升高,接触电阻也略有增加,安装方式对接触电阻的影响不大。
(a)垂直安装 (b)水平安装
图2 振动2h后的接触电阻
3.振动4h后测试结果
不同温度环境相同振动条件振动4h后,对各组样品进行接触电阻测试,如图3所示。可以看出,常温环境下振动后其接触电阻值变化不大,低温环境下随着振动时间的增加,其接触电阻值增大;高温环境下随振动时间增加后,接触电阻变化较为明显,温度越高,接触电阻越大;同时,高温环境下,其水平安装方式的接触电阻比垂直安装方式的高。
(a)垂直安装 (b)水平安装
图3 振动4h后的接触电阻
4.振动8h后测试结果
不同温度环境相同振动条件振动8h后,对各组样品进行接触电阻测试,如图4所示。可以看出,常温和低温环境下随振动时间延长,其接触电阻值变大;高温环境下,随着温度和振动时间增加,其接触电阻变化突显,温度越高,接触电阻越大;同时,高温环境下,其垂直安装方式的接触电阻比水平安装方式的高。
(a)垂直安装 (b)水平安装
图4 振动8h后的接触电阻
5.测试结果分析
综上测试结果可知,振动时接触件接触部位存在微动作用,随着振动时间的延长,接触件间磨损情况加剧。另外,在低温和常温环境下振动,其接触件电阻变化较小;但随着温度的上升,磨损加剧,接触电阻增大较快,接触件磨损严重,如图5所示。
(a)常温环境下振动后 (b)低温环境下振动后
(c)125℃环境下振动后 (d)175℃环境下振动后
(e)200℃环境下振动后
图5 不同环境下振动后磨损情况
1)从图5中(a)和(b)可以看出,常温和低温环境振动后,接触件的根部已经出现少量的黑色物质,发生轻微氧化,接触件表层磨损较轻。
2)从图5中(c)和(d)可以看出,125℃环境下振动后,接触件的根部周圈已经出现黑色氧化物质,接触件表层有磨损现象,特别是175℃环境下振动后,接触件表面与插孔接触部位镀金层摩擦明显。
3)从图5中(e)可以看出,200℃环境下振动后,接触件的根部周圈和界面密封垫上已经出现大面积氧化,接触件表层磨损严重。
结束语
接触电阻是电连接器的关键性能指标,本文以某连接器为例,分析影响接触电阻的环境温度和振动因素,经试验验证,就结果得出以下结论:
1)在相同振动量级时,随着振动时间的延长,接触电阻变大,安装方式对接触电阻影响不大;
2)在低温和常温环境下振动后,接触电阻稍有增加;随着环境温度的上升,接触件表层磨损加剧,接触电阻快速增大。
引用本文:
韩征权,王旭,潘炜,冉思益.复合应力条件下连接器接触电阻特性变化研究[J].环境技术,2021,234(06):31-34.
专家简介:韩征权,男,硕士,高级工程师,主要从事电连接器研究工作。
来源:环境技术核心期刊