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复合应力条件下连接器接触电阻特性变化

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

 

复合应力条件下连接器接触电阻特性变化

 

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

 

复合应力条件下连接器接触电阻特性变化

 

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。

 

复合应力条件下连接器接触电阻特性变化复合应力条件下连接器接触电阻特性变化

 

(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。

 

复合应力条件下连接器接触电阻特性变化复合应力条件下连接器接触电阻特性变化

 

(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。

 

复合应力条件下连接器接触电阻特性变化复合应力条件下连接器接触电阻特性变化

 

(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。

 

复合应力条件下连接器接触电阻特性变化复合应力条件下连接器接触电阻特性变化

 

(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。

 

复合应力条件下连接器接触电阻特性变化复合应力条件下连接器接触电阻特性变化

 

(a)常温环境下振动后      (b)低温环境下振动后

 

复合应力条件下连接器接触电阻特性变化复合应力条件下连接器接触电阻特性变化

 

(c)125℃环境下振动后      (d)175℃环境下振动后

 

复合应力条件下连接器接触电阻特性变化

 

(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。

 

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来源:环境技术核心期刊