電子連接器微動摩擦磨損問題研究綜述

王東偉，劉明星，陳 曉，曹善成，馬 權(quán)

(1.中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，成都 610041；2.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，西安 710072)

電子連接器作為電路連接及信號傳輸?shù)闹匾虚g環(huán)節(jié)，被廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備、軌道交通和航空航天及核電等重要領(lǐng)域[1-2]，例如：一架飛機上就需要裝備幾百甚至上千套電子連接器；舉世矚目的神舟飛船僅僅在推進艙和電源系統(tǒng)部分，就用到了不少于500套的電子連接器；而在核電儀控設(shè)備中，每套機組涉及到的連接器設(shè)備更是數(shù)不勝數(shù)[3]。因此，確保電子連接器的正常工作對保證電子系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可靠性意義重大。

資料統(tǒng)計表明：連接器失效率約占電子系統(tǒng)失效案例總數(shù)的40%～50%[4]。雖然電子連接器種類眾多，但是其失效特征均表現(xiàn)為在工作過程中，連接器的接觸電阻(ECR)逐漸增大，當其超過一定閥值時，接觸副之間無法形成穩(wěn)定持續(xù)的電子轉(zhuǎn)移，最終導(dǎo)致斷路現(xiàn)象產(chǎn)生。導(dǎo)致電子連接器發(fā)生失效的機理眾多，根據(jù)其失效方式與工作環(huán)境的不同，其失效機理可以分為三類，即：微動磨損、應(yīng)力松弛和振動疲勞[5]。

電子連接器的觸點材料分為基體材料與表面鍍層兩部分。為了改善連接器的摩擦磨損性能，通常在基體金屬上鍍一層鍍膜，如金、錫、鎳族材料及合金等。由于電子連接器所處的工作環(huán)境與工作狀態(tài)不同，因此觸點材料的鍍層選擇需要綜合考慮多方面的因素，如：接觸電阻、耐磨性、抗振性、變形行為等，不同鍍層材料由于本身屬性的不同必然導(dǎo)致其摩擦磨損行為差異顯著，因此關(guān)于鍍層材料的研究在近些年受到了大量的關(guān)注[6]。綜上所述：電子連接器的失效問題涉及摩擦學(xué)、材料學(xué)、動力學(xué)、電子學(xué)、物理化學(xué)、熱力學(xué)等多種學(xué)科，在徹底認識其摩擦磨損與失效機理前依然需要開展大量的研究工作[1]。

國內(nèi)外對電接觸的研究已有一百多年歷史，到20世紀50年代電接觸才慢慢成為一個獨立的學(xué)科。1941年Holm編著了《電接觸技術(shù)物理》之后，隨著電子系統(tǒng)越來越復(fù)雜，電接觸的可靠性問題逐漸引起人們的關(guān)注，1974年IEEE Holm會議上首次發(fā)表了有關(guān)電接觸對微動磨損的論文[7]，此后有關(guān)電接觸微動磨損、微動疲勞和微動腐蝕的問題引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注。Hannel等[8]在對電子連接器微動磨損的研究中，提出了四個待解決問題，實際上，目前的大量研究工作也是基于這些問題開展的，即：

1) 微動滑移狀態(tài)(幅值、溫度、頻率等)為什么能夠影響電子連接器的電接觸行為，以及它如何影響電接觸行為。

2) 怎樣解釋貴金屬與非貴金屬涂層在改善電子連接器微動磨損特性之間的差異。

3) 對于性能優(yōu)異的電子連接器，其最大可接受的相對微動位移值是多少。

4) 材料的彈塑性特性和摩擦系數(shù)對滑動狀態(tài)和電接觸響應(yīng)的相互影響是什么。

目前，關(guān)于電子連接器微動摩擦磨損行為特性的研究成果散布于各種文獻中，在2010年任萬濱教授[1]的綜述論文發(fā)表后，關(guān)于這方面的綜述性論文鮮有報道。為此，作者擬從試驗研究與分析、建模仿真與分析、影響因素研究與分析、失效機理和改進措施等5個方面對電子連接器的微動摩擦磨損研究現(xiàn)狀進行闡述，力求能為廣大研究者提供新的研究思路，同時為工程師提供有益的設(shè)計參考。

1 試驗研究與分析

試驗分析作為一種最基本的研究途徑，有助于了解連接器微動摩擦磨損的行為特性和關(guān)鍵影響因素，并為理論分析、仿真建模和機理探討提供第一手依據(jù)。由于連接器所處的工作環(huán)境各不相同，因此目前業(yè)界并沒有用于電子連接器微動摩擦學(xué)性能的測試標準。

依據(jù)試驗?zāi)康牟煌?，電子連接器微動摩擦學(xué)性能研究工作主要分為摩擦特性評價[9-12]和摩擦因素影響分析[13-15]。通常在摩擦試驗開始前，先對被測試樣進行自然頻率和模態(tài)分析；試驗過程中對接觸電信號(電壓、電流和電阻)、摩擦副的相對位移、法向力、摩擦力、振動加速度和表面溫度進行實時測量；試驗結(jié)束后，結(jié)合表面形貌分析技術(shù)，對摩擦副表面形貌、磨損區(qū)域及元素成分等進行分析測試。結(jié)合相關(guān)結(jié)果對試驗現(xiàn)象及產(chǎn)生機理進行分析。

按照試驗手段不同，可將試驗分為現(xiàn)場工況測試、連接器實物測試以及“小樣”試驗測試。這些試驗方案對應(yīng)于不同的研究目的，試驗難度、成本和周期也各不相同。

1) 現(xiàn)場工況測試：即面向連接器的真實工作環(huán)境，將測試設(shè)備放置在電子連接器的工作現(xiàn)場中進行實時信號采集。這種測試方式能夠很好地體現(xiàn)電子連接器在工作環(huán)境中的失效過程，有針對性地為連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進提供思路。但是，這類測試手段往往周期較長，費用較高，且面向的工況有限，在有限的試驗周期內(nèi)只能重現(xiàn)某類或某幾類失效案例。因此，這類研究工作通常見于面向?qū)嶋H工程應(yīng)用的案例中。圖1為車載電子連接器現(xiàn)場工況實測圖[16]。

圖1 車載電子連接器現(xiàn)場工況實測圖[16]

2) 連接器實物測試：相比于現(xiàn)場工況測試，連接器實物測試則是將連接器結(jié)構(gòu)從真實系統(tǒng)中獨立出來，通過搭建特定的試驗臺，建立連接器合適的邊界狀態(tài)，模擬可能存在的各種工況，如振動環(huán)境、溫度變化、濕度變化或顆粒侵蝕等。這類試驗方式較為普遍，對于認識連接器的整個動態(tài)失效過程，以及各類影響因素具有重要意義。Zhang等[17]建立如圖2所示的連接器試驗裝置，研究軸向振動對電子連接器微動磨損的影響。Flowers等[18]搭建了圖3所示的具有6對摩擦配副的連接器，系統(tǒng)性地探索了軸向/橫向振動與微動磨損的關(guān)系。此外，F(xiàn)u[19]對電動車載連接器的摩擦微動特性也進行相關(guān)試驗研究，如圖4所示?？梢?，根據(jù)研究目的不同，所搭建的試驗臺也各有區(qū)別。

圖2 連接器試驗裝置

圖3 六對摩擦配副的連接器試驗裝置

圖4 電動車載連接器試驗

3) “小樣”試驗測試：相比于上述兩類試驗測試方式，“小樣”試驗方式從材料本身出發(fā)，搭建基于電子連接器材料本身的試驗裝置，如類似于銷—盤或球—盤接觸模式的摩擦試驗機，重點探討某些影響因素對表界面摩擦學(xué)特征、電路信號特征以及疲勞失效特征的影響。Song等[20]搭建了如圖5所示的球—平面接觸臺，探討鍍銀電子連接器的摩擦、磨損及接觸電阻之間的關(guān)系。哈爾濱工業(yè)大學(xué)任萬濱教授[21]搭建了如圖6所示的觸點接觸試驗臺，對包括材料因素、環(huán)境因素和振動因素在內(nèi)的影響因子進行了具體分析，為連接器的材料選擇與失效機理分析提供了重要參考。

圖5 球—平面接觸臺

圖6 觸點接觸試驗臺

法國里昂中央理工大學(xué)Fouvry教授團隊[6，8，22-23]建立起2個圓弧形摩擦副模擬連接器接觸狀態(tài)，如圖7所示，探討了涂層特性、環(huán)境因素、振動因素等對連接器微動摩擦磨損行為的影響，并建立了針對連接器失效的判定準則。除此之外，國內(nèi)外各大知名高校與研究機構(gòu)均搭建各自的“小樣”試驗裝置對連接器的微動磨損行為進行模擬?？梢哉f，“小樣”試驗為認識連接器微動失效機理提供了重要的分析手段，在此基礎(chǔ)上得到的研究成果對工程應(yīng)用產(chǎn)生了積極有益的影響。

圖7 圓弧形摩擦副接觸試驗臺

2 建模與仿真分析

隨著計算機性能的增強與有限元分析算法逐漸成熟，模擬電子連接器的接觸行為受到了研究者大量的關(guān)注，這為認識連接器的動力學(xué)特征以及失效機理提供了重要的參考，同時也能為部分試驗現(xiàn)象提供合理的解釋。根據(jù)模擬分析方式的不同，可以簡單分為兩類，即：簡化數(shù)學(xué)模型分析和有限元模型分析。

1) 簡化數(shù)學(xué)模型分析：根據(jù)連接器的結(jié)構(gòu)特征，建立離散或者連續(xù)的多自由度數(shù)學(xué)模型，結(jié)合相關(guān)的機—電—熱耦合方程進行求解。Kogut等[24]在2003年建立起某型連接器的彈塑性模型，利用接觸表面的微凸體形貌特性較為準確地預(yù)測了接觸電阻的變化特性。Ravelo等[25]建立起電子連接器在非軸向激振狀態(tài)下的機—電耦合物理模型，證明連接器ECR和電壓降的變化特性與振動載荷關(guān)系密切。Xu等[26]根據(jù)Greenwood-Williamson彈性接觸模型和隨機粗糙表面等效彈簧模型，研究了電子連接器在振動過程中接觸壓力的變化。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合Holm電接觸理論，建立了振動條件下ECR的動力學(xué)模型，如圖8所示。

圖8 振動條件下ECR的動力學(xué)模型

為了能夠準確地描述連接器公頭和母頭之間的接觸剛度值，F(xiàn)u等[27]提出圖9所示的二維模型。該模型以混合動力汽車中使用的大功率連接器為研究對象，通過有限元分析獲得單個接觸對之間的徑向力，即：

Fr，i=24ri+8

(1)

式中：Fr，i為徑向接觸力，ri為第i個彈簧在穩(wěn)態(tài)位置的徑向位移。當連接器公頭沿著振動方向移動位移d時，ri也會隨之發(fā)生變化。根據(jù)圖9(a)可以計算出ri的表達式：

(2)

式中：R為公頭的半徑，i為從x方向到第i個彈簧的徑向角度。由圖9(b)可以計算出Fr，i在x方向上的分力，該方向上的所有分力之和可以表示為：

圖9 計算等效彈簧常數(shù)的模型示意圖

(3)

因此等效彈簧剛度值可以表示為：

(4)

將該值導(dǎo)入三維有限元模型中，對連接器的振動響應(yīng)和接觸電阻變化特性進行對比分析。結(jié)果表明：公、母頭之間的相對位移導(dǎo)致彈簧與其連接件之間產(chǎn)生周期性的接觸間隙，從而改變連接器的電阻。從時間響應(yīng)來看，穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的間隙取決于公、母部件之間的相對位移。Esteves等[28]提出了一種協(xié)同模型用于預(yù)測電接觸點的磨損情況，該模型由機械磨損、焦耳效應(yīng)和綜合作用下的增量退化因子組成。該模型量化了焦耳熱與摩擦耗能對電接觸磨損的影響，并討論了溫度變化帶來的后果。

在認識電子連接器動力學(xué)和電子學(xué)的基礎(chǔ)上，研究者提出了許多用于研究連接器接觸性能退化的等效電路模型。由于連接器壽命遵循威布爾分布和失效物理模型，連接器在多種應(yīng)力下的壽命預(yù)測得到關(guān)注。這部分涉及到結(jié)構(gòu)可靠性的測試和分析工作，可以參見文獻[4，29-30]。

綜合以上可以看出：簡化數(shù)學(xué)模型分析法對認識連接器系統(tǒng)的動力學(xué)、摩擦學(xué)和可靠性行為等方面具有重要的參考意義，并且能夠根據(jù)機—電—熱的耦合動力學(xué)方程，進行多物理場求解分析，建立起電子連接器動力學(xué)—熱學(xué)—電學(xué)三者的內(nèi)在聯(lián)系。但是，這類數(shù)學(xué)模型往往過于簡化，無法真實地反映連接器的結(jié)構(gòu)特征，且對邊界條件進行了一定的假設(shè)，因此在實際工程應(yīng)用中具有一定的局限性。

2) 有限元模型分析：鑒于電子連接器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件尺寸不規(guī)則，存在多物理場綜合作用。此外，由于接觸件位于連接器內(nèi)部，這使得接觸壓力、應(yīng)力分布、接觸溫升、形變等參數(shù)的測量難度增大。近年來，有限元仿真方法的發(fā)展給電子連接器的研究提供了更多可能性。

美國奧本大學(xué)G.T.Flowers團隊數(shù)十年致力于電子連接器的設(shè)計研究，在連接器微動有限元仿真方面取得重大突破。2005年Flowers等[31]對電子連接器在隨機振動條件下的早期微動行為進行建模分析，在此基礎(chǔ)上，研究了振動環(huán)境對電子連接器微動磨損行為的影響[32-34]。Fu等[35]將有限元仿真分析應(yīng)用到車載連接器中，探討振動對ECR變化的影響，并分析預(yù)測了在機—電—熱多物理場影響下的結(jié)構(gòu)阻抗、溫度及應(yīng)力分布特性。Wu等對市面上常見的3種不同類型的EON引腳和配套的PCB孔進行建模，如圖10所示。這3類EON引腳在開孔的尺寸和位置上各不相同，材料方面，B型EON引腳為磷青銅C52100，A型和C型EON引腳材料為C7025，PCB材料為FR-4材料。通過計算不同形式的引腳和不同大小的PCB的孔洞(MIN=0.31±0.02 mm、NOM=0.36±0.02 mm、MAX=0.41±0.02 mm、)之間的拔插行為響應(yīng)，結(jié)果表明逐漸增大PCB孔洞尺寸，能夠降低引腳插入力，且軸向力在第一個峰值下降之后又增加，這種非線性響應(yīng)與EON引腳的瞬變脈沖的穿透變形有關(guān)。當PCB孔徑增大時，EON引腳沒有發(fā)生穿透變形，因此其軸向力隨著后退行程的增加而減小，如圖11所示。此外，Wu等[36]提出了通過對PCB孔進行表面處理能夠改善界面微動磨損程度。

圖10 3種不同插頭形式

圖11 3種不同插頭位移—力曲線

在多物理場耦合方面，Monnier等[37]建立了耦合機-電-熱的多場有限元模型，研究了電流強度、接觸力和電流持續(xù)時間對電勢分布的影響，得到了接觸端電壓、接觸電阻和固體內(nèi)部溫度等結(jié)果，這些數(shù)據(jù)在試驗測試中是無法測量的。因此可見，有限元分析成為了研究連接器微動特性，探索其失效機理的有效手段，各種先進算法的出現(xiàn)也為連接器的設(shè)計分析提供重要幫助。

3 影響因素的研究與分析

影響電子連接器的微動行為，并最終導(dǎo)致其發(fā)生失效的因素眾多，簡單來說可以分為材料因素、運行因素和環(huán)境因素三類。其中，材料因素包括有：熱、電、力、物理、化學(xué)性能等；運行因素包括有：負載特性，電流，侵蝕，滑動，微動等；環(huán)境因素包括有：溫度、潮熱、塵土、鹽霧、工業(yè)腐蝕性氣體以及機械振動等，如圖12所示。研究者經(jīng)過大量的試驗與理論分析，關(guān)于上述因素的影響方式與作用機理也逐漸清晰。

圖12 電子連接器發(fā)生失效的影響因素

1) 微動幅值和頻率

微動幅值和頻率的變化直接影響連接器接觸界面的摩擦磨損行為，并引起接觸電阻發(fā)生變化。Park研究表明，微動頻率越高，鍍錫層的磨損速率越高；微動頻率越低，鍍錫層的氧化速率越高。在較高的微動幅值下，界面氧化程度較高，而在較低的微動幅值下，接觸區(qū)的碎屑堆積程度較高[15]。進一步的，Park分析了鍍錫銅合金觸點在3、10和20 Hz以及±5 μm和±25 μm兩種不同微動幅值下的微動腐蝕行為，結(jié)果表明：當微動幅值為±5 μm時，接觸區(qū)有足夠的磨損碎片堆積，達到接觸電阻失效閾值的時間較±25 μm早[38]。

Ren等[39]根據(jù)接觸電阻和切向力的變化情況，結(jié)合不同振幅和頻率下的微動區(qū)表面形貌分析結(jié)果，建立起一種基于振動幅值和頻率組合的微動圖，如圖13所示。各個區(qū)域含義如下：

圖13 基于振動幅值和頻率組合的鍍金銅合金觸點微動圖

區(qū)域Ⅰ：對摩副主要表現(xiàn)為粘著和部分滑移的狀態(tài)，在該微動區(qū)域內(nèi)，鍍金涂層損傷較小，導(dǎo)電性能保持良好；

區(qū)域Ⅱ：是典型的大滑移區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)的鍍金涂層發(fā)生磨損，基材銅合金暴露在空氣中，磨損表面出現(xiàn)磨屑堆積、分層和剝落凹坑的特點，磨損凹坑深且寬，磨損軌跡輪廓規(guī)則且明顯。接觸電阻隨微動循環(huán)次數(shù)的增加而緩慢增長。

區(qū)域Ⅲ：是大滑移區(qū)中的特殊區(qū)域。在該磨損區(qū)域內(nèi)，磨損表面呈現(xiàn)出明顯的滑痕和獨特的平整度。雖然磨損形式仍屬氧化磨損，但在金鍍涂層磨損后的短時間內(nèi)，接觸電阻迅速上升。

結(jié)合形貌分析，Ren等[40]發(fā)現(xiàn)，滑動速度是鍍層磨損后接觸電阻急劇上升的關(guān)鍵，高速滑動引起的磨損軌跡粗糙且不規(guī)則，高阻氧化物碎片或氧化物金屬混合物對動態(tài)接觸電阻有顯著影響。此外，當微動頻率達到一個臨界值時，可能會導(dǎo)致ECR迅速增大。因此，微動幅值和頻率對連接器的影響，還取決于磨損的程度，不能單純從參數(shù)的大小進行判斷。

2) 溫度

由于電子連接器工作時，存在電流和界面摩擦的協(xié)同生熱作用，因此溫度對界面摩擦磨損和ECR的變化影響顯著。Abdi等[16]研究溫度對車載電子連接器公頭(銷)與母頭(簧片)磨損行為的影響，如圖14所示，他們發(fā)現(xiàn)高溫作用下連接器表面更容易發(fā)生腐蝕磨損，如圖15所示，從而導(dǎo)致連接器發(fā)生斷路失效。同時，當溫度發(fā)生高頻變化時，ECR增加得更加顯著。Park等[41]對高溫狀態(tài)下鍍錫銅合金連接器微動腐蝕行為進行研究，揭示了溫度對微動腐蝕的影響機理，高溫使得錫材軟化，并增大了接觸區(qū)域，減小接觸電阻。但Cu-Sn中間金屬產(chǎn)物厚度的增大會導(dǎo)致ECR急劇上升，因此鍍錫銅合金連接器并不適用于高溫狀態(tài)。該分析結(jié)果得到了Ren等人的進一步驗證，Ren[42]在自制電子連接器試驗設(shè)備上，對鍍金銅合金連接器在25～125 ℃條件下的微動腐蝕行為進行研究，結(jié)果表明：高溫狀態(tài)下金材料的軟化增大了接觸面積，降低失效率，但氧化銅顆粒的存在會導(dǎo)致ECR值惡化嚴重。

圖14 車用電子連接器接觸示意圖

圖15 不同溫度下公頭磨損形貌圖

此外，在潤滑狀態(tài)下，Narayanan等[43]對鍍錫銅合金在室溫和高溫下的微動特性進行分析，結(jié)果表明：在室溫狀態(tài)下，潤滑膜的存在有效增加了鍍錫銅合金的使用壽命，而在高溫下由于鍍錫銅合金具有更高的磨損率，因此潤滑對連接器使用壽命的改善效果有限。正如Ren所言，環(huán)境溫度以及由電流所產(chǎn)生的摩擦熱和焦耳熱是一把“雙刃劍”，在微觀層面能夠改善接觸狀態(tài)，但也增大界面氧化腐蝕率[42]。

3) 濕度

Park發(fā)現(xiàn)，在較高的濕度下，錫涂層的磨損率較小，因為凝結(jié)的水蒸氣起到了潤滑薄膜的作用，增加了界面接觸面積[15]。Sung的研究也表明：隨著濕度增加，接觸電阻能夠更好地保持在較低的水平，確保良好的接觸[44]。這類現(xiàn)象的機理均是假設(shè)水分子顆粒通過毛細作用阻止界面磨屑出現(xiàn)堆積狀態(tài)。

在以上研究基礎(chǔ)上，Pompanon等[45]研究相對濕度(RH)對鍍銀電觸點微動磨損率和ECR的影響，結(jié)果表明：在潮濕的條件下(RH>50%)，第三體層表現(xiàn)出更強的凝聚力，銀碎片不容易從界面噴出，這是由于當環(huán)境濕度過高時，磨屑碎片的粘聚性提高，降低了其噴射率，從而降低了整體磨損率。這也就可以解釋連接器在濕度較高的環(huán)境下，需要更長的磨損周期到達ECR失效狀態(tài)。

4) 載荷

接觸載荷在構(gòu)建電子連接器的接觸狀態(tài)中扮演重要角色。Park發(fā)現(xiàn)，在較高的法向載荷下，涂層的磨損速率較大，而在較低的法向載荷下，涂層的氧化速率較高。但是，較高的載荷有助于建立更好的電接觸狀態(tài)，這是由于鍍錫觸點包含氧化層，需要一定的法向負載(接觸力)來打破氧化膜，從而建立良好的電接觸[15]。

在其他因素一定的情況下，法向載荷也會影響接觸副間的摩擦力及其裂紋萌生情況。一般來說，法向載荷越大，接觸面積越大，接觸電阻則越小。同時法向載荷增大，界面切向剛度也會增大，導(dǎo)致摩擦系數(shù)減小，相對滑移減小[46]。當法向載荷達到一個臨界值時，微動磨損發(fā)生的幾率會明顯減小[47]。因此，如何確定電子連接器工作過程中載荷的大小，是保證電子連接器可靠運行的關(guān)鍵之一。

5) 電流負載

Park的研究結(jié)果表明：較高的電流負荷有助于打破氧化膜，建立良好的電接觸[48]。Ren等研究結(jié)果進一步證實該現(xiàn)象，并提出大電流負荷增大了電傳導(dǎo)斑塊的面積是產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因[49]。通過對鍍金銅觸點在振幅20 μm，頻率200 Hz，電流負載分別為10、100、500、1 000 mA狀態(tài)下的電接觸特性進行試驗研究，結(jié)果如圖16所示。

圖16 不同電流載荷下，接觸電阻隨微動周期變化情況

在圖16中，紅色水平直線代表臨界電阻值0.1 Ω，黑色曲線對應(yīng)左側(cè)縱坐標為接觸電阻值，對應(yīng)右側(cè)縱坐標為接觸電壓值，且接觸電壓等于接觸電阻乘以對應(yīng)電流值?？梢娊佑|電阻隨電流負載的減小而增大，隨著電流負載逐漸增加，觸點達到臨界電阻的微動循環(huán)次數(shù)增加。此外，在較高的電流下，鍍錫觸點的微動腐蝕降解速度較快，因為它會在接觸區(qū)積累更多的氧化磨損碎片。

6) 振動激勵

在振動激勵狀態(tài)下，電子連接器微動磨損特性的研究最為廣泛，且重點圍繞軸向振動與橫向振動開展[18，31-33，50]。Flowers等[18，31-33]考慮了橫向振動對微動腐蝕的影響，并引入傳遞函數(shù)作為給定連接器系統(tǒng)在指定頻率下的評判標準。Ibrahim等[50]開發(fā)了評估振動狀態(tài)下連接器接觸界面摩擦磨損特性的技術(shù)?？梢?，振動環(huán)境引起的微動磨損被認為是導(dǎo)致失效的關(guān)鍵因素。

但是，與上述研究不同的是，F(xiàn)u通過觀察接觸面的相對運動和ECR的變化特性后發(fā)現(xiàn)，振動對連接器ECR的影響主要是由于接觸界面的相對運動引起接觸面積產(chǎn)生周期性變化，并非由于界面的微動腐蝕[27]。此外，F(xiàn)u發(fā)現(xiàn)當振動停止時，接觸電阻下降到一個略大于原始值的值。表面分析顯示在涂層磨損之前，界面沒有明顯的腐蝕。因此關(guān)于振動和連接器失效之間的關(guān)系，以及究竟是何種要因所導(dǎo)致連接器失效的問題依然值得深入探究。

7) 環(huán)境氣氛和污染物

連接器暴露在外部環(huán)境中，很容易被灰塵和其他顆粒污染，因此環(huán)境氣氛和顆粒物對連接器的影響也受到了關(guān)注。Liu等通過微動實驗研究了在三種不同的大氣(氧氣、空氣和氮氣)下連接器的電接觸電阻變化行為。結(jié)果表明：在高濃度的氮氣環(huán)境下，ECR值最小且穩(wěn)定。富氧環(huán)境促進氧化亞銅的形成，從而使ECR增大[51]。Gao的研究表明：振動過程中顆粒污染物的存在會加劇接頭的磨損和微動，導(dǎo)致電阻急劇增加，引發(fā)連接器觸點故障。此外，連接器在受到粉塵污染后，接頭傳遞函數(shù)第一共振峰的振幅和頻率均增大，接觸微動閾值減小，振動過程中粉塵顆粒加劇了磨損和微動效應(yīng)[52]。有關(guān)環(huán)境污染物和電接觸行為的關(guān)系探索，北京郵電大學(xué)相關(guān)團隊也做了大量的研究工作[53-54]。

4 失效機理

導(dǎo)致電子連接器發(fā)生失效的原因很多，歸納來說，失效機理可以簡單分為三類，即：微動損傷機理、接觸壓力松弛機理和疲勞失效機理。

1)微動損傷機理：該機理以環(huán)境變化作為誘因，認為外界環(huán)境，如振動或熱脹冷縮效應(yīng)均會引起電接觸面間發(fā)生微小的相對位移，進而導(dǎo)致接觸面材料發(fā)生微動磨損。Bryant在1994年提出了微動磨損作用下的電子連接器接觸件退化模型[55]，如圖17所示，該磨損失效分為7個階段。

圖17 電子連接器接觸件退化模型圖

a階段：在接觸初期，金屬表面微凸體相互接觸，此階段無磨屑產(chǎn)生；

b階段：相互接觸的金屬發(fā)生微動摩擦，在空氣氧化作用下形成一層氧化膜；

c階段：微動繼續(xù)進行，氧化膜在摩擦過程中被刮落形成磨屑，部分磨屑落入“波谷”之中，另外一部分磨屑被重新壓入微凸體中；

d階段：金屬繼續(xù)暴露在空氣中，氧化程度進一步增強；

e階段：在反復(fù)摩擦磨損作用下，更多的氧化膜發(fā)生破壞，界面產(chǎn)生更多磨屑；

f階段：一段時間后，氧化程度加深，接觸電阻開始增大；

g階段：最終界面形成大量氧化碎屑，填滿“波峰”與“波谷”之間，形成絕緣層，電路發(fā)生失效。

目前，該電子連接器接觸件退化模型受到了大量的關(guān)注與驗證，因此該機理得到廣泛的接受。

2) 接觸壓力松弛機理：在一定范圍內(nèi)，接觸壓力的大小與接觸電阻成反比關(guān)系，較大的接觸壓力有利于接觸電阻保持較低水平。當電子連接器受到外界振動環(huán)境影響時，插針與插孔間接觸區(qū)域的接觸壓力會產(chǎn)生周期性的變化，進而導(dǎo)致接觸電阻的變化。因此，當外界環(huán)境的振動強度達到一定程度時，就可能會導(dǎo)致接觸壓力出現(xiàn)短暫消失，引起接觸電阻瞬間急劇增大，致使信號傳輸中斷，這就是瞬斷現(xiàn)象。瞬斷現(xiàn)象會直接導(dǎo)致在一定時間內(nèi)電信號完全阻斷，且通常界面不會存在嚴重的磨損現(xiàn)象，該機理在文獻[27]中得到驗證。

3) 接觸件疲勞失效機理：垂直于電子連接器軸向的振動環(huán)境會導(dǎo)致其接觸件承受交變應(yīng)力作用，在一定循環(huán)次數(shù)后，接觸件材料就會產(chǎn)生局部的永久性損傷，并逐漸形成裂紋，即出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象。微觀裂紋的產(chǎn)生會導(dǎo)致接觸材料的綜合力學(xué)性能下降，宏觀上表現(xiàn)為：插孔簧片的撓度減小、接觸區(qū)域的接觸壓力減小和接觸電阻不斷增大，最終導(dǎo)致電子連接器發(fā)生失效。對一般的機械結(jié)構(gòu)而言，上述裂紋不斷擴展至引發(fā)材料斷裂時才會造成結(jié)構(gòu)失效，但是電子連接器是通過接觸件的可靠接觸來實現(xiàn)電連接功能的，這意味著即使插孔簧片未發(fā)生斷裂，隨著承受交變載荷次數(shù)的增加，接觸件間的接觸電阻值也會不斷增大。當接觸電阻值增大到一定程度時，電子連接器電接觸性能嚴重退化，即可判定電子連接器失效。因此，電子連接器的疲勞失效并不是瞬間發(fā)生的，而是一個隨時間不斷累積的過程。

5 改進措施

為改善由于界面磨損導(dǎo)致的電子連接器失效問題，研究者提出了一些有效的防護手段，歸納來說，可以分為如下幾類：

1) 選擇合適的鍍層材料：接觸件的鍍層材料一般為鍍銀、鍍金和多元鎳合金三種形式。合理的鍍層材料可以提高連接器的可靠性，降低接觸電阻。其中，鍍銀涂層提高了連接器的耐腐蝕性，降低了接觸電阻。鍍金涂層可降低連接器的接觸電阻、提高其耐腐蝕、耐高溫等能力。因此，對接觸電阻敏感的產(chǎn)品一般選用鍍金涂層，但是也應(yīng)該綜合考慮成本代價。此外，多元鎳合金鍍層一般用于具有耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾的產(chǎn)品中，該鍍層的電阻率低、接觸電阻小，焊接性能好，對于改善接觸件的可靠性有很好的作用。根據(jù)以上分析，選擇合適的鍍層對產(chǎn)品的電接觸可靠性有很重要的意義，應(yīng)該從應(yīng)用環(huán)境，成本以及使用目的等方面來綜合考慮涂層的選取[5，56]。

2) 鍍層表面修飾：研究表明，磨損率和電接觸壽命之間有一定的相關(guān)性。研究者認為，許多用于改進軸承材料磨損的措施也可以應(yīng)用于電接觸的涂層材料。通過硬質(zhì)合金元素和納米級粒子對鍍層進行修飾，可以增加鍍層金屬的耐磨性，從而使得電觸點壽命大幅增加。其中，金鍍層中納米粒子的數(shù)量、大小和組合、金鍍層和鎳夾層的厚度以及金鍍層的形貌是最重要的條件[57]。

3) 潤滑脂的使用：通常金屬與金屬接觸，由于接觸表面粗糙不平，因此接觸界面之間會有很小的縫隙存在，縫隙中會滯留很多腐蝕和氧化介質(zhì)，從而引起縫隙內(nèi)金屬的加速劣化。研究表明：電力復(fù)合脂對降低電力連接器接觸電阻具有明顯的作用，它可以降低電子連接器觸點溫度達10 ℃以上，并且可以維持接觸電阻在持續(xù)通電過程中不發(fā)生明顯增大。這是因為，當電力復(fù)合脂充滿在2個金屬的接觸縫隙中，阻隔了空氣中的污染和腐蝕物進入，杜絕了金屬接觸面的腐蝕和氧化，起到了屏蔽作用。此外，當電流在電力連接處流過時，由于在金屬接觸縫隙中涂覆了電力復(fù)合脂，其中含有大量的導(dǎo)電粒子，在外加載荷作用下，電力復(fù)合脂中的導(dǎo)電粒子相互接觸，形成鏈狀導(dǎo)通電路，更有利于提高其導(dǎo)電能力。結(jié)合實際使用情況來看，涂敷電力復(fù)合脂的連接器可以降低35%左右的接觸電阻，這對延長電力連接器的壽命起到了非常重要的作用。此外，電力復(fù)合脂通過降低連接器接觸電阻達到節(jié)能效果，這對我國電力電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展起到了重要的作用[58]。

如今，石墨烯憑借其優(yōu)異的導(dǎo)熱性、光學(xué)、機械性能、良好的導(dǎo)電性，以及優(yōu)異的摩擦磨損性能，受到廣泛關(guān)注[59-63]。西南交通大學(xué)蔡振兵團隊[64]對石墨烯涂層的微動電接觸特性展開研究，發(fā)現(xiàn)石墨烯涂層能有效地降低摩擦磨損，保持電接觸穩(wěn)定性，特定粗糙度的石墨烯薄膜具有最佳的磨損性能以及電學(xué)性能。

4) 織構(gòu)涂層與潤滑脂協(xié)同：文獻[65-66]采用激光表面織構(gòu)和磁控濺射技術(shù)在銅材料表面制備了一系列具有不同微窩的銀涂層，并采用多層石墨烯為添加劑制備了多層石墨烯潤滑脂(MGLG)，研究了織構(gòu)銀涂層在MGLG潤滑下的摩擦學(xué)和電學(xué)性能，如圖18所示。結(jié)果表明：適當直徑的銀織構(gòu)涂層具有較好的摩擦學(xué)和電學(xué)性能，磨損表面分析結(jié)果表明，織構(gòu)和MGLG的協(xié)同效應(yīng)有助于界面形成優(yōu)良的摩擦學(xué)和電學(xué)性能。銀涂層上的凹槽能有效捕捉磨損顆粒，在摩擦過程中充當潤滑劑和微流體動力軸承的微儲層，從而改善摩擦和電學(xué)性能，如圖19所示。與此同時，MGLG可以形成保護膜并產(chǎn)生導(dǎo)電通路，從而提高材料的摩擦學(xué)和電學(xué)性能。

圖18 4種表面織構(gòu)的SEM圖

圖19 2種狀態(tài)下的電接觸界面的接觸行為

6 結(jié)論

電子連接器是重要的信號傳輸設(shè)備，在各行各業(yè)內(nèi)均有廣泛的應(yīng)用，因此提高電子連接器的電接觸可靠性是該領(lǐng)域的研究重點。本綜述從電子連接器的試驗研究與分析，建模仿真與分析，影響因素研究與分析，失效機理，改進措施5個方面，對電子連接器微動摩擦磨損領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進行闡述，對分析處理電子連接器引發(fā)的設(shè)備故障和提高電子連接器可靠性具有借鑒意義。

雖然有關(guān)研究取得了很多顯著的進展，但依然存在一些問題沒有深入探討，主要有：

1) 大量關(guān)于影響因素的研究，往往針對單一或者2種因素的影響分析，但在實際工程應(yīng)用中，連接器受到多方因素的影響，如何定量評價各方因素的影響效果是一個值得深入討論的問題，這對有針對性地提高電子連接器可靠性具有重要意義。

2) 相比于溫度變化引起的接觸界面微動行為，由于振動導(dǎo)致的微動作用往往更加明顯且劇烈[67]。目前關(guān)于振動與連接器微動行為特性的研究較為廣泛，但是缺乏系統(tǒng)性，且振動通常集中在軸向振動與橫向振動的狀態(tài)，對扭轉(zhuǎn)、剪切等問題的研究較少，因此有必要系統(tǒng)地開展此方面的研究工作。

3) 電子連接器的微動磨損問題涉及力學(xué)、熱學(xué)、摩擦學(xué)、材料學(xué)等多種學(xué)科，計算模擬的過程是一個多物理場耦合的過程。因此，如何在模擬過程中考慮界面形貌、熱力學(xué)行為、動力學(xué)行為、電子學(xué)行為之間的耦合關(guān)系也是一個值得深入探討的問題。以上問題的研究成果將對進一步改善連接器磨損失效，提高電子連接器可靠性提供重要的理論支持。