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知识点：电气接触腐蚀

1.引言

连接器是电气系统中重要的接口元件，从系统，机柜，印制板到每个可更换的独立单元插座，其连接性能直接关系到整个系统的安全可靠运行。连接器中的电接触材料大多直接处于大气中，在使用过程中直接与周围的大气环境相互作用发生腐蚀从而导致接触失效。本文概述了电接触材料腐蚀作用的主要类型，分析了其腐蚀机制和腐蚀特征。

2.连接器电接触失效简介

电接触失效一般是指接触电阻超过允许值，导致电路传导故障。造成电接触失效最重要的因素之一是接触表面与周围的环境发生化学或电化学反应产生了绝缘腐蚀物。电接触材料的腐蚀失效与许多因素有关，如环境的温度和湿度、腐蚀性气体、外部振动、接触表面的化学成分和微结构等。电接触材料与环境的作用是一个极其复杂的过程，主要有大气腐蚀和微动腐蚀

   

图1                                                 图2

3.连接器接触材料发生的氧化与硫化

氧化是金属基体氧浓度增加以及金属或材料基体失去电子的化学过程。金属与金属接触表面发生的氧化被认为是连接器中最严重的恶化机制。铝发生氧化形成的氧化铝是坚硬的具有黏着性的脆性物质，其电阻值很高。当铝表面形成氧化铝薄层时，会严重影响电流在接触界面的流通。铜在含氧大气中会发生持续的氧化，产生的铜氧化物是半导体，与氧化铝相比铜氧化物较软并且易于在外力的作用下发生破碎与脱落。由于铜氧化物的产生，表面粗糙的铜原本较高的电阻率会随着这些半导体层的扩展而持续相对降低。图3列出了若干常用电接触材料的氧化动力学数据。

    

硫化是在含硫气氛中金属与硫化氢等物质发生作用而产生金属硫化物的过程，如银在含硫化氢的低温大气环境下通常会发生硫化而产生污染物。硫化的发生通常需要在较高的湿度下进行，通过分解H₂S或COS，产生HS^-。在水溶液中，HS^-既可以直接与氧化后的银离子反应，也可以吸附到金属表面，从而反应生成硫化物。当环境中存在氧化性物质时(如氯气)会增加这种腐蚀的腐蚀速率。

4.连接器接触材料大气腐蚀机制及影响因素

在湿润的环境下，电接触材料表面吸附的水膜易于溶解空气中的粉尘或腐蚀性气体，形成覆于材料表面的电解液，导致材料产生腐蚀。影响电接触材料大气腐蚀的大气环境因素包括温度、湿度、腐蚀性气体，空气中的微粒和尘埃等。

4.1. 温度

温度可以通过影响相对湿度，湿润时间和水的活性来间接影响腐蚀反应。首先，随着温度的升高，电化学和化学反应速率增加，腐蚀速率增加。而另一方面，温度的升高会使材料表面水膜加速蒸发从而导致腐蚀速率减小。当温度升高，O₂和其他腐蚀性气体在电解液膜中的溶解度也会减小，产生一个减缓腐蚀速度的作用。其次，在高温条件下，材料表面形成的保护性氧化膜的破裂或消失会加速腐蚀。当温度降到0℃以下时，电解液可能会凝固，此时腐蚀速率将明显减小。因此，尽管温度是影响腐蚀速率的一个因素，但若非在非常极端的境况下，温度的影响较小。

4.2. 湿度

一般来说，要发生大气腐蚀，金属表面必须形成一层水膜以溶解大气中的腐蚀性气体，形成电解质溶液。而后电解质溶液与金属发生化学或电化学作用，使得金属材料融入电解质中变为离子形式，这样便导致物质损失，或者腐蚀。金属表面水蒸气凝结成水膜是在空气相对湿度大于一定临界值时开始的。如果湿度增加，金属表面水膜的覆盖面积将增大从而使得腐蚀的速率增加。当超过临界相对湿度后，金属的腐蚀速率便急剧增加。临界湿度受许多因素影响，包括材料的性质，表面粗糙程度和成分，温度以及包括空气污染物在内的表面污染物。

4.3. 腐蚀气体

对电接触材料产生腐蚀的气体主要包括SO₂、SO₃、H₂S、NH₃、氯化物等。在一定的大气湿度下，材料表面通过吸附水形成水膜，可使形成的氧化膜分解并且在腐蚀物中形成硫酸物，表面氧化膜破坏处成为腐蚀微电池的阳极并且被酸性电解质覆盖，金属发生腐蚀溶解。另外腐蚀性气体还能直接与金属发生硫化反应生成硫化物。大多数情况下，腐蚀的发生是在几种腐蚀性气体的协同作用下以不同的腐蚀方式进行的。

4.4. 尘土颗粒

电接触材料界面大多数暴露在含有大量尘土的大气环境中，尘土颗粒易吸附在电接触材料表面，在大气湿度较大且金属表面形成水膜的情况下，尘土颗粒会融入水膜中形成电解液。尘土形成的电解液中含有Na⁺,Ca²⁺,SO₄^2-,Cl^-,NO₃^-等水溶性离子，对金属具有腐蚀作用。另一方面，电解液会与金属材料形成原电池而发生电化学腐蚀。而且，由于电接触材料之间的机械力作用，尘土颗粒有可能破坏覆于材料表面的保护膜而形成划痕或微孔，使基体金属产生孔蚀，从而加快材料腐蚀速度。

5.连接器接触材料微动腐蚀失效机制及影响因素

微动腐蚀是在电接触材料接触面上发生的一种加速大气氧化的行为。微动是指两个接触表面发生极小幅度的相对运动，其运动幅度为微米量级，一般在几微米到200微米之间。

        当连接器处于振动，冲击或温度变化等环境时，接触对之间将有微动产生。微动发生时，接触表面微动磨损和微动腐蚀大多同时存在，磨损严重时将造成镀层金属的转移和磨损，产生磨损碎屑并堆积在磨损区域的周边。磨损碎屑和由于磨损而暴露的基底金属与大气中的氧化气体反应，产生氧化物。这些表面污染最终使接触电阻发生变化，从而降低连接器接触可靠性。

5.1. 接触材料对微动腐蚀的影响

不同材料接触产生的微动腐蚀效果不一样，微动腐蚀常见于非贵重镀层，未镀金属及薄金镀层。金对金接触时：在镀层较薄时，镀层表面会出现微孔，在长期使用时形成微孔腐蚀，破坏了原接触性能。另外，金材料较软，在微动过程中容易磨损，在经过较短时间的微动过程后，就变成了非贵重金属之间的接触了，失出了金的保护作用。银对银：微动条件下银是比较稳定的金属，磨损率较低，氧化程度也低，而且不生成摩擦聚合物。当Ag对Ag本身构成接触副时，电接触性能良好。但是Ag对大气中的硫和氯很敏感，这大大限制了它在连接器上的应用。锡对锡，这一类材料在连接器应用广泛，这种场合中，微动造成的接触故障频繁，主要是由于氧化物在接触表面的堆积。其在整个微动过程中接触电阻的变化规律如图5所示。锡层初始的接触电阻比较小，但随着被磨损的锡碎屑生成的氧化薄膜覆盖在微动区域表面，致使接触电阻增加，达到第一个峰值。峰值后接触电阻快速下降是因为这层氧化薄膜被磨碎迁移，基底金属暴露出来。随着微动次数的继续增加，基底金属氧化，接触电阻达到第二个峰值。 

 

5.2 物理因素对微动腐蚀的影响：

微动幅值：微动幅值的增加致使氧化绝缘膜层相应增加而导致接触对性能退化。在微动无法消除的情况下，可通过减少微动幅值来提升电接触的性能。

接触压力：接触压力的增加可以降低产生微动的几率，使接触对间的电接触性能更好。

微动循环次数：当达到一定的循环次数时接触电阻都会升高，造成接触失效。如果镀层金属不易生成氧化膜，只有当镀层脱落后，露出的基底金属发生氧化才会使接触电阻升高。如果镀层金属较易生成氧化膜，微动磨损镀层金属产生的碎屑生成的氧化膜覆盖在微动区域表面，致使接触电阻增加，达到第一个峰值。当这层氧化薄膜被磨碎迁移时，接触电阻就会快速下降。随着微动循环次数的继续增加，磨损暴露出的基底金属氧化，接触电阻达到第二个峰值。

6.总结

大气腐蚀、尘土腐蚀以及微动腐蚀是影响电接触过程的重要因素。人们对各种腐蚀机制已有相当程度的了解，但是对于实际应用环境中的腐蚀发生机制以及环境中的各种影响因素的协同作用与各种类型腐蚀的综合作用的研究仍较为欠缺。开展腐蚀过程和机制的研究，既可以为电接触材料的腐蚀防护提供理论依据，又可以从材料本身性质出发，为腐蚀防护另辟蹊径或者发展新材料来解决腐蚀问题。

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