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应用案例
触点润滑剂抗电弧特性研究
发布时间:2015-07-24 09  |  点击:638  |  作者:qinside

唐振方 刘 欣
暨南大学物理系广东广州 516032
(转自《润滑与密封》2006年11月第11期)

摘要:采用固定间隙微弧放电模拟实验,通过比较涂覆触点润滑剂前后放电强度与放电产物的差异,研究了DJB-823固体薄膜保护剂的抗电弧特性。研究表明,除本身具有较高的理化稳定性外DJB-823能够耐受电弧烧蚀的根本原因在于它能够钝化电极表面活性,改变放电模式,减弱放电强度,因此来自大气环境的碳沉积随之减少。另外, 该触点润滑剂可能具有一定的"自流平"或"自修复"功能,可以保护金属基材免受电弧烧蚀。
关键词:固定间隙放电;电蚀;电接触可靠性;触点润滑剂

电接触不良是一个普通而棘手的技术难题。任何一个稍为复杂的机电系统,都会采用各种各样的电接触元件(如开关、插头、旋钮、按键、连接器和继、电器等),只要其中一个电接触元件接触不良都会导致系统的部分和整体失效。如何保证电接触元件100%长期可靠连接,一直以来困扰着机电设计与维护工程师。在恶劣的使用环境中,即使采用贵金属保护镀层(如铂、钯、金、银等),电极的可靠性与使用寿命仍会大大降低。机械磨损、电化学腐蚀、大气尘降、有机物污染以及触点电弧所导致的复杂物理化学过程是目前所知导致接触电阻上升的主要原因。

触点润滑剂,又称电接触保护剂,具有导电、抗磨损、耐腐蚀以及抗污染等多种功能,可提高电极寿命3~20倍,是一种性能优异、价格低廉、施工方便的电极表面处理与防护工艺,在很多应用领域可部分或完全取代贵金属保护镀层, 综合性能指标甚至更优。但令人遗憾的是,尽管触点润滑剂已经面市近半个多世纪,其应用范围目前仍只限于少数技术领域(如军工、 航空航天、汽车电子等),其中的一个重要原因可能是,触点润滑剂改善电接触性能的机制有些并不十分清楚,作为一种有机材料能否耐受触点电弧产生的局部高温烧蚀更是为许多机电设计工程师所怀疑,即使实验室加速失效模拟试验获得令人振奋的结果,因事实上无法预测触点润滑剂的实际使用寿命,在可靠性要求较高的产品上,工程师们更倾向于采用昂贵而复杂的多层金属膜电极。要改变这种状况,即使触点润滑剂在某些应用领域已获得成功,深入研究其工作原理并给出理论解释仍然是十分必要的,并将有利于触点润滑剂的合理选择与新产品的开发。

本文作者在模拟电极微弧脉冲放电的基础上,对施用触点润滑剂前后的电极放电强度、放电烧蚀痕显微观察以及"积炭"成分等进行了较为深入的研究,试图解释触点润滑剂抗电弧烧蚀以及改善电接触性能的内在机制。

1、实验

1.1实验装置

影响电接触性能的因素很多,为了简化研究对象,本文采用固定间隙非接触脉冲微弧放电来研究触点润滑剂的抗电弧特性。试验装置依文献[8]搭建,作了必要的元件参数改动,如图1所示。包括一个自制的平行板电容(150mm×55mm×2mm,铝板电极,中间填充塑料薄片),可调直流高压电源, 串接电阻(12kΩ)示波器,一个三维可调的电极夹具,可精确调节上下电极的间隙。当间隙小于某个临界值时,可在示波器上观察到脉冲放电波形,并能自持。


1.2实验样品

实验所用电极为常见多层膜镀镍电极(正极,磷青铜/铜 1.5μm /镍 5μm及镀金电极(负极,磷青铜/铜1.5μm /镍 5μm /金0.2μm)采用的触点润滑剂为北京邮电大学化学防护研究所提供的电子DJB-823固体薄膜保护剂,熔融温度范围75~155℃,汽化点温度大于或等于355℃。DJB-823固体薄膜保护剂是一种石蜡状的触点润滑剂,先将其溶于特制的溶剂中(浓度 1.5%),然后将清洗干净的电极浸入溶液中,1min后取出,待溶剂挥发后,120℃烘干即可,膜厚为1~2μm。

1.3实验方法

实验过程中,对于未涂膜电极,肉眼观察电极间隙最小处,可看到微弱的无声火花放电现象。放电刚开始时,放电点并不固定,放电波形不稳定,一段时间之后,放电点固定,放电波形稳定下来。对于涂膜电极,没有观察到放电火花现象,但可从示波器上观察到放电波型,放电波形一开始就较为稳定。经过较长时间的放电后,所有电极的放电波形又会变得不稳定,时有时无,最后将观察不到放电波形,放电中止了。未涂膜电极在11.5h后放电中止,而涂膜电极,在放电实验长达22h后,仍能观察到放电波形,但已变得不稳定,放电接近中止。未涂膜与涂膜电极的试验条件与样品编号如表1 所示。


表1样品编号与微弧放电试验条件

样品
编号

名称

高压/V

间隙/mm

放电时间/h

脉冲周期/ms

结束时状态

1

镀金电极

800

40

11.5

4.8

放电自动中止

2

镀镍电极

800

40

11.5

4.8

放电自动中止

3

涂膜镀金电极

800

40

22.0

15.0

放电接近中止

4

涂膜镀镍电极

800

40

22.0

15.0

放电接近中止

放电实验结束后,将电极取下,采用扫描电子显微镜(SEM 菲利普公司XL-30ESEM-TMP)观察电弧烧蚀痕形态,并采用电子能谱附件(EDAX)同时测量烧蚀痕处"积炭"的微区元素分布及相对含量。

2.结果与讨论

放电实验中还发现,给定配对电极材料时,放电波形脉冲高度随高压、间隙大小呈规律性小幅变化,与文献所得结果大致相符。 随着放电时间的延长,脉冲高度(振幅)先快速下降,再慢慢上升,然后趋于稳定,在放电自动中止前,又开始下降。此变化规律可能与电极表面的有机污染物有关。 放电开始后,电弧产生的离子流将电极表面有机污染物轰击干净,电极表面呈"钝化" 状态,放电强度下降,随着放电时间的延长,放电点慢慢增加新的污染物,放电强度增加。增加到一定程度,放电强度趋于稳定。但长时间放电后,污染物累积形成较厚的非导电层,放电自动中止。比较未涂膜及涂膜电极,发现涂膜电极放电脉冲高度相对较低,放电强度随时间变化程度较弱,一直较为稳定。未涂膜与未涂膜电极放电周期分别为4.8ms和15ms(图2), 表明涂膜后,自制电容上积累的静电荷泻放速度减缓。

图2 涂膜前后放电波形示意图

图3(a)和(b)分别是未涂膜电极1#样品次放电点和主放点的SEM显微形态。从图中可以看到,尽管次放电点放电时间较短,但在电弧的作用下,镀金层已被烧穿起皮,露出了镀镍层。主放电点的显微形态有很大的不同,形成了一个小的烧蚀坑,镀金层被烧穿起皮,而且电极表面又覆盖了一层由微细颗粒组成的絮状膜。絮状膜覆盖了整个放电点区域,导电性较差,空气无法被击穿而起弧,此即为放电自动中止的原因。图3 (c) 是2#样品放电点的显微照片,未发现烧蚀坑及起皮现象,是一种鳞状形态因镀镍层较厚,且为较硬的高熔点金属,在电弧产生的局部高温下,只是表层出现了细小的片状氧化皮。

图3 未涂膜电极电弧烧蚀痕SEM显微照片

图4 涂膜电极放电烧蚀痕SEM显微照片

图4(a)和(b)分别为涂膜镀金电极(3#样品)和镀镍电极(4#样品)放电烧蚀点的SEM显微照片。未发现次放电点,也没有发现电弧放电烧蚀坑及镀层起皮现象,有机膜出现了一定的粉化现象,但镀镍电极烧蚀情况较为严重。镀金层表面多孔,有机膜与金的结合较为牢固,且厚度较大,而镀镍层表面光滑,与有机膜结合力差,在电弧产生的局部高温下,有不同的表现是可以理解的。另外,正负电极在电弧放电中有不同的电蚀行为及沉积物文献有报导。
表2为各样品放电烧蚀痕电子能谱元素半定量成分分析结果。 电子能谱的分析结果并不准确,但从中可以得出许多定性的结论。首先,未涂膜电极放电烧蚀痕迹处,无论是镀金电极还是镀镍电极都存在大量的元素碳,而涂膜电极则含量较少,涂膜镀镍电极甚至没有检出元素碳。结合上面的SEM显微照片(图3 (b))可以推知,镀金电极表面的絮状物质即为微细碳粒。碳不是电极的原有成分,必然来自外部环境,它是大气中的有机气体在电弧等离子体中的裂解产物,更有可能为含单质碳较多的复杂有机混合物(焦油)。涂有机膜后,电极表面的沉积碳大为减少,表明有机膜具有改变电极表面活性、减弱电弧放电强度,减少"积炭"的功能。其次,未涂膜镀镍电极(2#样品)可检出微量的元素S和Cl,表明金属镍在电弧产生的局部高温中不仅会发生氧化现象(因碳层太厚,将电极覆盖,氧元素检出量偏低),而且会与空气中的含S和含Cl气体发生化学反应。沿海工业大气中的含S和含Cl气体对镀镍电极电接触性能影响较大,此处得到证实。涂膜后未检出元素S和Cl,表明有机膜可以提供镀镍电极的腐蚀保护。

表2样品放电烧蚀痕迹处元素成分分析结果(质量分数)%

样品编号

C

O

Ni

Au

S

Cl

1

37.35

17.75

7.74

37.16

2

60.84

2.85

34.61

1.13

0.57

3

12.1

21.5

41.99

24.4

4

12.67

87.33

大量的实验研究和工程应用证实触点润滑剂能够有效灭弧和降"积炭"常见的理论解释是"油桥效应"。电接触点在完全闭合或断开前时,润滑剂会先在两个触点表面之间形成油桥,电流可以通过油桥而流动,此时如果存在瞬时过压或其它高压,油桥使得二者电势差迅速下降,电弧放电因此得到有效的抑制。简而言之,触点润滑剂起到了缓冲的作用,将两电极之间达到电势平衡的时间延长,因此放电电流和强度下降。在本研究中,两电极保持固定间隙,并没有直接接触,"油桥效应"的解释并不成立。作者认为,触点润滑剂灭弧的另一个根本原因在于有机膜本身为电阻率很高的绝缘材料,电子无法在电极表面横向自由流动,导致固定间隙放电由微火花放电减弱至刷形放电或电晕放电。另外,涂有机膜后,电极表面更加光滑,将金属电极表面吸附的空气排出,表面污染物减少,钝化了电极表面活性,使电极表面无法发射电子,因此不能有效形成场致击穿放电,或者即使能够维持放电,放电强度大大降低,来自大气环境的炭沉积随之减少。这是触点润滑剂改善电子连接器电接触性能的重要原因之一。

对于通断频率较高的电子连接器,触点放电频次较高,在较弱的刷形放电或电晕放电的作用下,有机膜仍有可能产生熔化、蒸发、酌烧和光、热、离子辐射碳化(粉化)现象,因此要求触点润滑剂具有优良的物理、化学稳定性。如果放电产生的损伤不可避免,有机膜在局部高温下应缓慢流失(蒸发或"清洁酌烧"),不留残渣。DJB-823熔融温度范围只有75~155℃,汽化点温度大于或等于350℃,其能够耐受电弧烧蚀,可能还得益于该材料在金属电极表面形成的固体保护膜所特有的"自流平"或"自修复" 功能。在电弧产生的局部高温下,固体保护膜即使烧蚀穿孔,但马上会"自流平"愈合,从而保护金属基材免受侵蚀。

3.结论

通过对比研究未涂膜及涂膜电极的电弧烧蚀行为,通过实验验证了触点润滑剂抗电弧烧蚀性能,并给出理论解释。基本结论如下:

(1)除本身具有较好的热稳定性、较高的汽化点及抗光热辐照损伤等性能外,触点润滑剂抗电弧烧蚀的根本原因在于它能够钝化电极表面活性,减弱放电强度。

(2) 因放电强度的减弱,以及放电模式的改变,触点润滑剂可以减少电触点来自大气环境的炭沉积,这也是它能够极大地改善电接触性能的另一重要原因。

(3)触点润滑剂能够耐受高压微弧放电烧蚀,具有某种程度上的"自流平"或"自修复"功能,保护基材免受电弧烧蚀及局部高温导致的氧化或其它化学腐蚀。

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