Jüngste Fortschritte beim Kontaktwiderstand elektrischer Kontaktmaterialien

Dies kann aufgrund des Kontaktwiderstands und der steigenden Kontakttemperatur bei technischen Anwendungen Kurzschlüsse, Kontaktverschweißungen oder Feuer usw. verursachen. Derzeit wird der Kontaktwiderstand von elektrischem Kontaktmaterial in zwei Hauptrichtungen erforscht. Eine davon ist die theoretische Forschung mit Hilfe mathematischer Modelle oder Formeln. So wurden beispielsweise durch die Blockierung des permanenten Zustands Formeln für den kreisförmigen, elliptischen, kreisförmigen, quadratischen und rechteckigen Kontaktwiderstand eingeführt und Senchang Chen das neuste Kontaktwiderstandsmodell, das GW-Modell usw. vorgestellt. Eine weitere Forschung befasst sich mit Prüfgeräten. Daten zum Kontaktwiderstand werden durch die Herstellung von Prüfgeräten gewonnen, beispielsweise mit dem automatischen Messsystem für den Kontaktwiderstand neuen Kontaktmaterials von Wanbing Reng. Seine Theorie besagt, dass 20 Kontakte getestet werden können, wenn der Kontaktwiderstand mit einer Auflösung von 0,1 M getestet wird. Das von Zhi Chen hergestellte ICT-Erkennungssystem wird zum Testen des Kontaktwiderstands von 1–30 A-Leistungsrelais verwendet. Wie allgemein bekannt ist, besteht der Kontaktwiderstand aus zwei Teilen: dem Kontraktionswiderstand und dem Filmwiderstand. In der Praxis beeinflussen viele Faktoren den Kontaktwiderstand, darunter Materialeigenschaften, Rauheit, Kontaktform, Luftfederung usw. Daher konzentriert sich dieser Artikel auf die Analyse der Einflussfaktoren auf den Kontaktwiderstand elektrischer Kontaktmaterialien. Er stellt einige Methoden zur Reduzierung des Kontaktwiderstands elektrischer Kontakte vor und bietet technische Unterstützung für die gesamte Entwicklung der Niederspannungselektroindustrie.

Ⅰ. ANALYSE DER EINFLUSSFAKTOREN

Viele der Faktoren, die den Kontaktwiderstand beeinflussen, werden durch die Ursache des Kontaktwiderstands beeinflusst. Sie spielen hauptsächlich eine Rolle beim Nachbehandlungsprozess, bei den Kontakteigenschaften, beim Kontaktdruck, beim Kontaktzustand, bei der Kontaktverschmutzung, beim Anstieg der Kontakttemperatur, bei Umweltfaktoren usw. Im Folgenden werden diese Faktoren einzeln analysiert.

A. Nachbehandlungsprozess
Der Oberflächenzustand des Kontaktprodukts wird hauptsächlich durch die Nachbehandlungstechnologie des Kontakts bestimmt. Die Rauheit und Sauberkeit der Kontaktoberfläche werden direkt beeinflusst, je richtig oder falsch der Nachbehandlungsprozess durchgeführt wird. Dies wirkt sich wiederum auf Größe und Stabilität des Kontaktwiderstands aus. Aus diesem Grund sind Größe und Anzahl der leitfähigen Stellen auf zu rauen Kontaktoberflächen gering. Die ideale Kontaktoberfläche sollte die entsprechende Rauheit aufweisen, um einen niedrigen und stabilen Kontaktwiderstand zu erzielen. Gleichzeitig gilt: Je geringer die Rauheit der Kontaktoberfläche, desto wirksamer werden schädliche Gase und physikalische Partikel reduziert. Gleichzeitig gilt: Je geringer die Rauheit der Kontaktoberfläche, desto wirksamer werden schädliche Gase und physikalische Partikel reduziert und die Bildung von Oxidfilmen, Aushärtungsfilmen sowie die Gefahr von Umweltverschmutzung verringert. Die Sauberkeit der Kontaktoberfläche ist die Menge der auf der Kontaktoberfläche adsorbierten Fremdverunreinigungen. Die Verunreinigung der Kontaktoberfläche wirkt sich negativ auf den Kontaktwiderstand aus, was einer der Hauptgründe für die Instabilität der elektrischen Lebensdauer des Kontakts ist. Jingxian Xiong listete in Tabelle 1 vier Nachbearbeitungsprozesse für Nietproben auf und verwendete den Kontaktwiderstandstester CRM-2 zur Messung jeder Probe. Die Testbedingungen waren: Prüfspannung 6 V AC, Prüfstrom 100 mA, Kontaktdruck 0,15 N. Der Durchschnittswert des Kontaktwiderstands der vier Probensätze betrug 1,22 m, 2,05 m, 1,50 m und 0,74 m. Jingxian Xiong glaubte, dass die Testergebnisse der ersten Gruppe zeigten, dass der Kontaktoberflächenzustand aufgrund der unvermeidlichen Adsorption einiger Verunreinigungen im Produktionsprozess instabil ist. Und die Adsorption von Schadstoffen im Produktionsprozess verbleibt in der Kontaktoberfläche. Ohne Entfernung wird die Kontaktoberfläche langsam erodiert, sodass sich der Zustand der Kontaktoberfläche weiter verschlechtert und der Kontaktwiderstand weiter ansteigt. Die Testergebnisse der Gruppen 2 und 3 waren nicht zufriedenstellend, was darauf hindeutet, dass eine unsachgemäße Nachbehandlung den Zustand der Kontaktoberfläche verschlechtert und das Einbringen neuer schädlicher Verunreinigungen den Bildung eines Oberflächenfilms, wodurch der Kontaktwiderstand deutlich anstieg. Die Testergebnisse der vierten Probengruppe zeigen, dass die Kontaktoberfläche eine gute Rauheit und Sauberkeit aufweist und der Kontaktwiderstand niedrig und stabil ist.


B. Kontakteigenschaften:
Bei niedrigen Strömen werden hauptsächlich Edelmetalle und deren Legierungen verwendet, bei hohen Strömen Kupfer, Aluminium und deren Legierungen. Reines Edelmetall wird hauptsächlich als Beschichtungsmaterial verwendet, wenn elektrische Kontaktmaterialien nach der Stromstärke klassifiziert werden. Die Mikrostruktur des elektrischen Kontaktmaterials bestimmt direkt den Kontaktwiderstand, der hauptsächlich von der Härte H und dem spezifischen Widerstand ρ abhängt. Die theoretische Formel für den Gesamtschrumpfwiderstand leitfähiger Stellen lautet:


Typ a in (1) ist der Radius der leitfähigen Punkte. Daraus lässt sich erkennen, dass der Schrumpfungswiderstand dem Metallwiderstand entspricht. Die Größe des elektrischen Kontaktmaterialwiderstands ist proportional zur Leitfähigkeit des Punktradius und umgekehrt proportional. Bei plastischer Verformung lautet die Beziehung zwischen der Eindruckfläche und der Kontaktkraft F:


Typ ξ in (2) ist konstant und liegt im Bereich von 0,3–1. Es ist ersichtlich, dass die Härte H bei kleiner werdendem Radius des leitfähigen Punkts und damit der Kontraktionswiderstand Rs bei der Kontaktkraft F-Phase umso größer ist, je größer der Radius des leitfähigen Punkts ist. Daher haben die Kontakteigenschaften des Materials, die Härte H und der spezifische Widerstand einen entscheidenden Einfluss auf den Kontaktwiderstand. Bei geringerer Härte und geringerem spezifischen Widerstand ist die Stabilität des Kontaktmaterials zu berücksichtigen.

C. Kontaktdruck
Gemäß der obigen Analyse beträgt der Druck auf die Flächeneinheit der Kontaktfläche:


R ist der Krümmungsradius einer starren Kugel und H ist die Tiefe der Einkerbung, wenn die starre Kugel und die Ebene sich berühren.


Mit Formel (4) lässt sich die PD-Kurve berechnen. Wie in Abbildung 1 dargestellt, beginnt die Kurve steil anzusteigen, die Kontaktfläche befindet sich in der Phase der elastischen Verformung. Anschließend verläuft die Kurve flacher, und die Kontaktfläche befindet sich in der Phase der elastischen plastischen Verformung. Ab D > 0,03 bleibt P konstant, und die Kontaktfläche befindet sich im Stadium der vollständigen plastischen Verformung.




Daher verringert sich der Kontaktwiderstand des Kontaktmaterials mit zunehmendem Kontaktdruck. Erreicht der Druck einen bestimmten Wert, bleibt der Kontaktwiderstand im Wesentlichen unverändert. Eine weitere Druckerhöhung führt zu stärkerem mechanischen Verschleiß. Der Druck des Kontaktmaterials muss also in einem wissenschaftlich sinnvollen und sinnvollen Bereich effektiv gesteuert werden. Bei Relais erhöht sich mit zunehmendem Kontaktdruck auch die elektromagnetische Saugwirkung. Dadurch wird das Relais größer und seine Empfindlichkeit verringert, es kommt jedoch auch zu starkem Rückprall beim Kontakt und erhöhtem Kontaktverschleiß, wodurch die Lebensdauer des Relais verkürzt wird. Daher gilt nicht: Je größer der Kontaktdruck, desto besser. Nach umfassender Analyse und basierend auf der umfassenden Analyse der oben genannten Faktoren ist eine Steuerung in einem sicheren Bereich sinnvoll.

D. Kontaktzustand
Elektrische Kontaktmaterialien werden je nach Kontakt in drei Typen unterteilt. (1) Punktkontakt, meist der Kontakt zwischen einer Kugel und einer Ebene oder zwischen einer Kugel und einer Kreisbogenfläche. Geometrisch gesehen berühren sich die beiden Seiten an einem Punkt, tatsächlich gibt es jedoch nur einen kleinen Bereich mit Kontaktpunkten. (2) Linienkontakt, Zylinder und Ebene, Zylinderfläche und paralleler Zylinderflächenkontakt; (3) Oberflächenkontakt, also Kontakt entlang einer breiten Oberfläche. Der Einfluss des Kontaktzustands auf den Schrumpfwiderstand Rs drückt sich hauptsächlich in der Anzahl der Kontaktpunkte aus. Im Allgemeinen beträgt der Schrumpfwiderstand von „n" bis „n" der Kontaktpunkte minimal. Bei mindestens „n" Kontaktpunkt sollte der Schrumpfwiderstand maximal sein und es sollte Linienkontakt zwischen den beiden bestehen. Die Auswirkung der Kontaktform auf den Folienwiderstand drückt sich hauptsächlich im Druck an jedem Kontaktpunkt aus. Wenn der Kontaktdruck F und der Kontaktpunkt n ist, dann ist der Druck an jedem Kontaktpunkt F1=F/n. Somit ist der Druck an jedem Kontaktpunkt F1 und die Kontaktform. Man geht davon aus, dass „n" Kontaktpunkte Punktkontakt haben. Unter denselben Bedingungen ist der Kontaktdruck mindestens F. Wenn unter Druck an jedem Kontaktpunkt die Kontaktfläche der Kontaktform steht, wird die Oberfläche der Kontaktfläche am leichtesten zerstört, wodurch der Membranwiderstand Rb sinkt. Im Gegensatz dazu ist der Kontaktpunkt von den Kontaktpunkten „n" bis „n" klein, um die Fähigkeit zur Zerstörung der Tischoberfläche auszuschließen, der Filmwiderstand Rb steigt und der Linienkontakt zwischen den beiden. Außerdem hängt die Auswirkung des Kontaktwiderstands auf den Kontaktzustand mit der Größe des Kontaktdrucks zusammen. Wenn der Kontaktdruck klein ist, ist ein Kontakt mit kleinem Kontaktwiderstand nicht unbedingt besser als ein Punkt- oder Linienkontakt, wie die Daten in Tabelle 1 veranschaulichen.


E. Kontaktverschmutzung:
Da es viele Arten von Verunreinigungen wie Staub, Fasern, Flüssigkeiten usw. gibt, stammen die meisten davon aus der Umgebung oder der Verarbeitungstechnologie. Verschmutzung ist ein wichtiger Faktor, der den Kontaktwiderstand des Relais beeinflusst. Verschmutzung kann einen relativ großen Filmwiderstand oder starke chemische Korrosion verursachen und somit den Widerstand des Kontakts erhöhen, was letztendlich seine Lebensdauer stark verkürzt. Daher ist es möglich, bei der Arbeit eine saubere Produktion durchzuführen, um die Verschmutzung wirksam zu reduzieren. Zhi Chen berichtete, dass die Relaiskontakte die zwei größten Verschmutzungsquellen sind. Während des Herstellungsprozesses wird das Relais aufgrund des Vorhandenseins einer Kupferbasis unvermeidlich durch den Kupferchip verunreinigt. Die Kontaktoberfläche des Kupferchips mit der Silberlegierungsverbundschicht oxidiert leicht zu Kupferoxid. Nach dem Montage- und Lagerungsprozess des Relais wird es unvermeidlich durch hohe Temperaturen und Feuchtigkeit sowie andere Umweltfaktoren beeinträchtigt. Der Kontaktwiderstand wird zwischen 180 und 260 m (6 V/1 A) gemessen. Der Kontaktwiderstand des ausgewählten Kontakts liegt im Bereich von weniger als 30 m² (6 V/1 A). Wenn die Kontaktoberfläche des anderen Kontakts Kupfer enthält, erhöht sich der Kontaktwiderstand des Kontakts deutlich und ist instabil. (2) Flüchtige Stoffe im Sekundenkleber: Vor dem Test muss festgestellt werden, dass der Kontaktwiderstand kleiner oder gleich 30 m² (6 V/1 A) ist. Der Kunststoffkleber für Sekundenkleber (modifiziertes Phosphat) und die Umgebungstemperatur betragen 26 °C. Nach einer gewissen Zeit steigt der Kontaktwiderstand des Relais. Wenn die Menge des verwendeten Sekundenklebers 280–311 mg erreicht und der Kontaktwiderstand über 999 m² liegt, ist der Kontakt nicht leitend und auf der Kontaktoberfläche sind deutlich weiße Fremdkörper zu sehen. Da es sich bei modifiziertem Phosphat um eine Art Isoliermaterial handelt, führt eine derart große Menge an Material, die an der Kontaktoberfläche haftet, zu einem hohen Kontaktwiderstand des Relais oder macht es sogar nicht leitend. Der Kontaktwiderstand wurde reduziert, beträgt aber immer noch mehr als 138 m², wenn die Verwendung von Sekundenkleber (95–110 mg) reduziert wird. Es ist ersichtlich, dass die Wirkung der flüchtigen Bestandteile des Sekundenklebers auf den Kontaktwiderstand sehr groß ist.

Xiaoping Bai berichtete über die schädlichen Auswirkungen von Fremdkörpern auf den Kontaktwiderstand, die zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstands oder zu Kontaktausfällen führen können. Die Hauptgründe für Fremdkörper auf der Oberfläche elektrischer Kontakte sind: (1) Die Oberfläche elektrischer Kontakte wird während des Herstellungsprozesses durch Verunreinigungen durch Legierungen, Kupfer und Öl beeinträchtigt. (2) Feuerfeste Materialien, Utensilien, Schleifmittel, Poliermittel und Schmiermittel werden während der Wärme- und Oberflächenbehandlung für elektrische Kontaktoberflächen verwendet. (3) Die Oberfläche elektrischer Kontakte kann während der Verpackung und Lagerung durch Staub, Fasern und menschliche Haut verunreinigt werden. (4) Der Montageprozess verunreinigt die Oberfläche elektrischer Kontakte durch Kunststoffe und Öl. Häufig treten Phänomene wie ein hoher Kontaktwiderstand und Temperaturanstieg auf, die in manchen Fällen sogar zum vorzeitigen Ausfall elektrischer Kontakte aufgrund von Fremdkörpern auf der Oberfläche führen können. Zehn Gruppen experimenteller Daten zeigen, dass die Oberfläche des Fremdkörpers den Kontaktwiderstand erhöht. Bei der Oberfläche des Fremdkörpers beträgt der Durchschnittswert der 10 Datensätze des Kontaktwiderstands 5,145 m², nach Entfernung beträgt der Durchschnittswert der 10 Datensätze des Kontaktwiderstands 0,474 m².

F. Anstieg der Kontakttemperatur
Wenn die Temperatur der Kontaktoberfläche steigt, verändern sich Kontaktoberfläche und -fläche. Wenn sich der Kontaktdruck nicht ändert, führt die hohe Temperatur zu einem größeren Widerstand und damit zu einem Anstieg des Kontaktwiderstands. Wenn die Temperatur einen bestimmten Wert erreicht, kann der Kontakt außerdem weicher werden, die Kontaktfläche vergrößert sich und der Widerstand verringert sich. Deshalb wirkt sich der Temperaturanstieg in gewisser Weise auf die Stabilität des Kontakts aus. Die Finite-Elemente-Software COMSOL von WanbinRen Multiphysics wurde verwendet, um das Modell des Temperaturmesssystems im Temperaturmesssystem zu erstellen, das das Kontaktpaar, das Thermoelement und die Kontaktklemmenstruktur enthält. Er basiert auf der Messung des Temperaturanstiegs des elektrischen Kontakts des Niets direkt an der Innenseite des implantierten Kontakts. Die Simulationsergebnisse des Temperaturanstiegs des Kontaktdrucks und des erhaltenen Filmwiderstands sind in der Abbildung dargestellt. Ein punktueller Temperaturanstieg und der Kontaktwiderstand sind positiv korreliert, der Kontaktdruck und die Erhöhung des Stroms führen zu einer Verringerung des Kontaktwiderstands.



G. Umweltfaktoren
In trockener Atmosphäre kommt es an den meisten Oberflächen elektrischer Kontaktmaterialien zu Trockenkorrosion, und das Material unterliegt im Allgemeinen Oxidations- und Aushärtungsvorgängen usw. In feuchter Atmosphäre hingegen bildet sich durch die Aufnahme von Oberflächenwasser aus der Luft ein Film auf der Wasseroberfläche. Durch die Aufnahme von Verunreinigungen in der Wasserschicht und Luftstaub bildet sich Elektrolyt, wodurch das Material von chemischer Korrosion zu elektrochemischer Korrosion korrodiert und die Korrosionsrate beschleunigt wird. Die Umweltverschmutzung in China ist sehr ernst. Umweltfaktoren tragen maßgeblich dazu bei, dass Kontaktfehler auftreten. In den meisten Fällen sind die Kontaktpunkte der Atmosphäre ausgesetzt. Korrosive Gase, Staub und organische Gase in der Luft bilden isolierende Fremdkörper an den Kontaktflächen. Beispiel: Die elektrische Arbeitsumgebung in Kraftfahrzeugen ist relativ schlecht. Aktuelle elektrische Ausfälle in Kraftfahrzeugen werden meist durch schlechten Kontakt verursacht. Steigende Umgebungstemperaturen belasten die Kontakte außerdem stark mit Wärme. Mit zunehmender Temperatur beschleunigen sich Diffusion und Migration von Verunreinigungen in der Metallmatrix. Darüber hinaus beschleunigt ein Temperaturanstieg den Spannungsabbau, was die mechanischen Eigenschaften des Steckverbinders direkt beeinträchtigt und somit die Korrosion beschleunigt. Auf der Oberfläche bildet sich ein isolierender Korrosionsfilm. Thermische Spannungen, insbesondere die Relativbewegung einer regelmäßigen Welle, verursachen Passungsrost. Dies führt letztendlich zu Kontaktfehlern. Tonghui Li verwendet SO2-Korrosionsgas zur Korrosion von drei Arten von Kontaktmaterialien. Die Leitfähigkeit ändert sich mit der Dicke des Korrosionsfilms, wie in Abbildung 3 dargestellt. Wie zu sehen ist, nimmt die Leitfähigkeit des Materials bei einer Filmdicke von weniger als 200 nm linear mit zunehmender Filmdicke ab, die Änderung ist jedoch nicht sehr deutlich. Dies liegt daran, dass die Korrosion zu diesem Zeitpunkt noch nicht sehr gravierend ist und sich auf der Metalloberfläche eine ungleichmäßig verteilte Inselkorrosion bildet. Bei der Leitfähigkeitsmessung wird ein Teil der Oberfläche der Sonde gemessen, der leicht zu kontaktieren ist und keinen Korrosionsbelag aufweist, wodurch die elektrische Leitfähigkeit steigt. Wenn die Filmdicke größer als 200 nm ist, tritt in der Kurve ein abnormales Schwebungsphänomen auf, das möglicherweise mit der weiteren Vergrößerung der Inselabdeckungsfläche zusammenhängt, sodass die Sonde nicht mehr so ​​leicht der dünnen Schicht des Korrosionsfilms ausgesetzt werden kann, wodurch die elektrische Leitfähigkeit rapide abnimmt.

Ⅱ. SCHLUSSFOLGERUNG

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Kontaktwiderstand von elektrischen Kontaktmaterialien von vielen Faktoren beeinflusst wird und in unterschiedlichen Formen auftritt. Die Forschung zum Kontaktwiderstand zielt darauf ab, die Kontaktqualität zu verbessern und ihre Zuverlässigkeit anhand von Fehlermechanismen zu bewerten. Ihr Zweck besteht darin, wirksame Beweise aus verschiedenen Blickwinkeln – Theorie, Experiment, Mikrobiologie, Statistik, Material usw. – zu finden. Angesichts der rasanten Entwicklung der Leistungselektronik sind kontaktbehaftete elektrische Geräte auch heute noch die wichtigsten Systemkomponenten. Laut Statistik werden jährlich weltweit fast 4 Milliarden Relais hergestellt. Von ihrer Verbreitung in der Volkswirtschaft und allen Lebensbereichen, beispielsweise in Form von Schaltern, Steckdosen und anderen Steckverbindern, ganz zu schweigen. Daher ist es sehr wichtig, den Kontaktwiderstand zu senken und die Zuverlässigkeit elektrischer Kontakte zu verbessern, was wiederum die Qualität kontaktbehafteter elektrischer Produkte steigert.