復合應力條件下連接器接觸電阻特性變化研究

韓征權，王旭，潘煒，冉思益

（貴州航天電器股份有限公司，貴陽 550009）

引言

隨著大數據、物聯網時代的到來，電連接器作為數據傳輸的接口，其應用領域和數量不斷增大。從軍用方面的航天、航空、兵器、武器系統，再到民用方面的交通、通行、醫療、汽車及家電等領域，電連接器作為信號或能量傳遞的載體，其性能和質量的異常，都會引起整個系統的工作異常、功能喪失，甚至引發嚴重的事故。因此，連接器的可靠性對整個系統的安全、穩定運行起到十分重要的作用。

連接器的失效形式較多，有機械的、電氣的、環境的、綜合等因素[1]。接觸電阻作為電連接器電氣性能的一項重要參數，是評價元器件連接性能及可靠性的重要依據，受環境因素影響較大。故本文以某連接器為例，研究不同溫度環境下振動對接觸電阻的特性影響，并試驗驗證其影響程度。

1 原理概述

相互接觸的固體表面之間存在復雜應力與應變，在宏觀上表現為平面實體與實體接觸，微觀方面表現為微小粒子間的點接觸。實際的點接觸其接觸面積必然小于理論接觸面積，因此，電連接器的接觸電阻不是單一的實體電阻，而是由大量微觀的電阻組成。

接觸電阻指電流通過接觸點時在接觸處產生的電阻。一般由導體電阻、膜層電阻以及集中電阻組成[2]。工程應用中一般可由下式表示：

式中：

Rc—集中電阻；

R

f—膜層電阻；

Rp—導體電阻。

2 影響因素分析

連接器通過插針與開槽式插孔的剛性接觸實現導通，因此接觸電阻的大小直接影響電性能的好壞。影響連接器接觸電阻的因數較多，主要有材料、正壓力、表面狀態、電壓、電流、以及溫度和濕度等。本文主要研究不同溫度下振動對接觸電阻的影響，以下分別對溫度和振動因素進行分析。

2.1 溫度因素

一般而言，室溫環境對接觸件性能無影響，但是在低溫或高溫時，環境溫度將對其性能影響。

一方面，環境溫度的變化會對連接器接觸件材料的性能產生影響：溫度的降低或升高都會導致接觸件材料的性能迅速下降。溫度降低時，接觸件產品的彈性變形降低，金屬基體收縮，使其接觸壓力變小；溫度升高時，溫度應力使接觸件產生的彈性變形超過材料的屈服極限，從而發生塑性變形，也會導致接觸壓力變小。多次插拔時，出現應力松弛現象，導致接觸電阻逐步增大，接觸失效。溫度升高，金屬活化能力增加，提高金屬活性，從而加速暴露在空氣中的接觸件金屬表面氧化速率。

另一方面，環境溫度升高會引起連接器內部絕緣體釋放有機氣體，有機氣體釋放，也會加劇接觸件表面膜層厚度的增加。另外，溫度升高時，金屬材料原子、電子、離子加速運動，擴散速度加大，使其向鍍層外部擴散，在氧化物與大氣接觸的界面，加速氧化膜層的生長，接觸電阻不斷增大，導致接觸失效。

2.2 振動因素

振動時，插合的接觸件之間存在幅值非常小的相對運動，而引發接觸件表面的相互磨損，振動幅值一般在1～100 μm之間。在各種惡劣、苛刻的環境下，連接器接觸件的表面不可能消除這種微小的微動磨損。

實際使用中，在微動磨損的綜合作用下[3]，接觸件鍍層加速磨損，造成接觸件面覆蓋的加速積累，導致接觸電阻增加。在微動磨損作用時，接觸件插孔接觸壓力減小，同時在振動應力的作用下，很容易導致出現瞬斷現象。對于接觸件表層的氧化物，其電阻率遠大于基體材料的電阻率，高低溫環境下，接觸壓力降低，氧化物膜層增厚，接觸電阻必然增大。因此，特別容易導致接觸失效。

3 不同溫度環境下振動試驗

3.1 試驗設計

3.1.1 試驗樣品

選擇某9芯的連接器（插頭、插座各10只）10對，每只產品裝7根已壓導線（牌號：AFR-250，截面積0.15 mm2，長度150 mm）的接觸件，按表1進行編號。

表1 試驗樣品

3.1.2 試驗方案

按照GJB 1217A-2009標準中方法2005類進行隨機振動[4]，同時選擇不同的溫度，具體操作過程按標準要求執行，試驗結束后在常溫下測試插頭接觸件的接觸件電阻，不考慮壓接電阻的影響，具體方法見表2所示。

表2 試驗方法

3.2 試驗結果

根據上述試驗設計，把試驗樣品按分組進行相應試驗，試驗后在常溫下測試1～7點的接觸電阻值，并對測試結果進行分析。

3.2.1 試驗前測試結果

常溫下測試各組樣品1～7點的電阻如圖1所示（不考慮壓接電阻），將安裝方式相同的放在一組對比，可以看出，接觸件的接觸電阻值在（3.21～3.61）mΩ之間，基本趨于一致。

圖1 常溫下各組樣品的接觸電阻

3.2.2 振動2 h后測試結果

不同溫度環境相同振動條件振動2 h后，對各組樣品進行接觸電阻測試，如圖2所示。可以看出，常溫與低溫環境下振動2 h后，其接觸電阻值變化幅度不大，隨著溫度升高，接觸電阻也略有增加，安裝方式對接觸電阻的影響不大。

圖2 振動2 h后的接觸電阻

3.2.3 振動4 h后測試結果

不同溫度環境相同振動條件振動4 h后，對各組樣品進行接觸電阻測試，如圖3所示。可以看出，常溫環境下振動后其接觸電阻值變化不大，低溫環境下隨著振動時間的增加，其接觸電阻值增大；高溫環境下隨振動時間增加后，接觸電阻變化較為明顯，溫度越高，接觸電阻越大；同時，高溫環境下，其水平安裝方式的接觸電阻比垂直安裝方式的高。

圖3 振動4 h后的接觸電阻

3.2.4 振動8 h后測試結果

不同溫度環境相同振動條件振動8 h后，對各組樣品進行接觸電阻測試，如圖4所示。可以看出，常溫和低溫環境下隨振動時間延長，其接觸電阻值變大；高溫環境下，隨著溫度和振動時間增加，其接觸電阻變化突顯，溫度越高，接觸電阻越大；同時，高溫環境下，其垂直安裝方式的接觸電阻比水平安裝方式的高。

圖4 振動8 h后的接觸電阻

3.2.5 測試結果分析

綜上測試結果可知，振動時接觸件接觸部位存在微動作用，隨著振動時間的延長，接觸件間磨損情況加劇。另外，在低溫和常溫環境下振動，其接觸件電阻變化較小；但隨著溫度的上升，磨損加劇，接觸電阻增大較快，接觸件磨損嚴重，如圖5所示。

圖5 不同環境下振動后磨損情況

1）從圖5中（a）和（b）可以看出，常溫和低溫環境振動后，接觸件的根部已經出現少量的黑色物質，發生輕微氧化，接觸件表層磨損較輕。

2）從圖5中（c）和（d）可以看出，125 ℃環境下振動后，接觸件的根部周圈已經出現黑色氧化物質，接觸件表層有磨損現象，特別是175 ℃環境下振動后，接觸件表面與插孔接觸部位鍍金層摩擦明顯。

3）從圖5中（e）可以看出，200 ℃環境下振動后，接觸件的根部周圈和界面密封墊上已經出現大面積氧化，接觸件表層磨損嚴重。

4 結束語

接觸電阻是電連接器的關鍵性能指標，本文以某連接器為例，分析影響接觸電阻的環境溫度和振動因素，經試驗驗證，就結果得出以下結論：

1）在相同振動量級時，隨著振動時間的延長，接觸電阻變大，安裝方式對接觸電阻影響不大；

2）在低溫和常溫環境下振動后，接觸電阻稍有增加；隨著環境溫度的上升，接觸件表層磨損加劇，接觸電阻快速增大。