频率在镍样片微动过程中对氧化磨粒堆积的影响.doc

频率在镍样片微动过程中对氧化磨粒堆积的影响田野，于天禹 北京邮电大学自动化系，北京(100876) E-mail：tianyebupt摘要：在通信系统电子电力系统中使用了大量的电子连接器，其连接可靠性严重影响了系 统的性能，经分析，微动过程中氧化磨粒堆积是造成连接不可靠的主要原因之一。本文主要 从微动过程中非贵金属氧化磨粒形成速率和氧化磨粒被触头推开速率之间的关系来探讨了氧化磨粒堆积的原因。关键词：接触电阻；微动性能；频率；氧化磨粒厚度 中图分类号：TM2061. 引言两个接触表面发生极小幅度的相对运动被称为微动，它广泛存在于有振动工况(如发动 机运转、气流波动、热循环应力、疲劳载荷、电磁振动、传动等)条件下“近似紧固”的机械 配合中，其位移幅度为微米量级，一般不超过 250µm 或者 300µm1,2。微动可以造成接触表面摩擦磨损，引起构件咬合、松动、功率损耗、噪声增加等。另外， 微动磨损会加速腐蚀，腐蚀又促进磨损3。连接器的微动磨损更是可能造成接触不可靠，从 而引发一些严重的问题，如误码，瞬断等4 。本文根据常见非贵金属（镍）样品的微动试 验，分析微动磨损性能，以及电接触性能，从氧化磨粒堆积的角度探讨连接器失效的机理。2. 压力对氧化磨粒堆积的影响（1）. 实验条件实验一：镀镍铜样片与镍触头组成接触对，镍镀层的厚度为 0.8µm。所有样品、触头都 在酒精中超声清洗 15 分钟，自然干燥后在实验室自主研制的微动台5上进行微动试验。微 动幅值为 200µm，微动模式为切向式(平移式)往复微动，微动频率为 1Hz，微动次数为 20000， 载荷分别为 1.5N。采用四点法6监测微动过程中的接触电阻，接触点通过 100mA 直流电流， 保护电压为 5V，即测得的接触电阻最大值为 50。（2）. 实验结果图 1、2 分别是实验后镍触头和镀镍样片的照片。图 1 实验后镍触头图 2 实验后 Ni0.8 样片从图中可以看到实验前后触头和样片在进行微动实验过后都出现了明显的氧化物磨屑层。由此可以看出，氧化磨粒堆积，是造成电接触失效的主要原因之一。Ni0.5(probe)_Ni0.8(sample)10000010000R(m)100010010105000100001500020000Cycles图 3 1Hz 频率时接触电阻变化曲线由图 3 可以看出，由于样片在实验前一直暴露在空气当中，表面有一层氧化物薄层，所 以微动开始时接触电阻较大，约为 1000m，在微动进行一段时间后，这层氧化物薄层被触 头推开，因此接触电阻逐渐降低，大约经过 30 个周期，接触电阻值下降到最小值约 4.5m。 此时可认为氧化物薄膜被完全刮蹭掉，露出金属。露出的金属在空气中迅速再被氧化，形成 新的氧化物，这些新形成的氧化物同时又被触头推开，形成氧化磨粒层。由于这个时候新形 成氧化物的速率大于氧化物被触头推开的速率，因此氧化磨粒在堆积，氧化磨粒的厚度增加， 所以接触电阻随之增大。经过大约 5000 个周期，即微动进行 5000s 左右时，当接触电阻值 增大到 2 以上时，接触电阻值在 100m 到 12 之间剧烈跳动，这是由于在触头滑动的过 程中，触头和样片之间可能存在完全露出金属的触点，这些触点虽然只存在于样片局部，但 是由于电流总会从接触电阻小的地方通过，因此这些局部露出微小的金属触点在影响触头和 样片之间接触电阻的因素中起到了决定作用，在局部金属触点，接触电阻值下降在曲线低谷， 在样片的其他区域，氧化磨粒的电阻值起决定作用，此时接触电阻值在曲线高峰处。随着氧 化磨粒层的厚度增大，新形成氧化物的速率减小，然而触头推开氧化物的能力是没有改变的， 直到新生成氧化物的速率趋近于触头推开氧化磨粒的速率时，接触电阻达到动态平衡。从图中可以看到，对于一个采样点，微动平衡后电阻值由低变高的时间在 1 秒到 15 秒 之间。由此我们可以设想，如果我们在微动频率为 1/15Hz 的情况下再次进行实验，微动频 率减小后使氧化物磨粒堆积的时间更长，可能会降低微动平衡后接触电阻的跳动程度。3. 频率对氧化磨粒堆积的影响（1）. 实验条件实验二：微动频率为 1/15Hz，微动次数为 2049 次，其它实验条件同实验一。(2). 实验结果