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摘要 微动聚集对电接触可靠性影响的分析与研究 摘要 通过大量的研究与实验统计数据发现：在触点的接触表面，经常 会有污染物的聚集，聚集发生后接触电阻会急剧升高，甚至开路，造 成电接触失效。 本论文结合机械摩擦学、电接触学两大学科研究微动的方法，建 立了微动聚集的运动学模型，得到了聚集形成的两个过程：污染物在 微动区域两端堆积、污染物向微动区域中心内敛。通过对形成过程的 计算，得出了聚集形成的临界高度、临界体积。通过对临界高度、临 界体积讨论，得出了聚集形成的条件：实际高度大于临界高度时，污 染物会向微动区域中心聚集。通过对聚集形成条件的讨论，得出了聚 集形成的影响因素：临界高度大、临界体积小、聚集物生长速率大有 利于聚集内敛的发生。 同时通过初步讨论粗糙表面的三维形貌特性对微动聚集的影响， 得出了：对于不同类型的摩擦表面中存在危险尺寸的波谷，这种危险 尺寸的波谷，增加了颗粒凹陷的可能性，为颗粒聚集创造有利条件的 可能性则大大增加。 关键词：微动聚集运动学模型i 隘界高度临界体积生长速率多元 函数 a b s t r a c t t h ea n a i ，y s i sa n di 己e s e a r c ho nf r e t t 口n g a g g l o m e r a t i o nt ot h e e l e c t r i c a lc o n t a c tr e l i a b i l i t y a b s t r a c t w i t hn u m b e r so f e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e sa n de n o r m o u sa m o u n t o fs t a t i s t i c a ld a t a ，i tc a l lb ef o u n dt h a tw h e n p o l l u t a n t sa g g l o m e r a t e o nt h e c o n t a c ts u r f a c e ，t h ec o n t a c tr e s i s t a n c ew i l ld r a m a t i c a l l yi n c r e a s e ，e v e n o p e nc i r c u i t ，c a u s i n ge l e c t r i c a lc o n t a c tf a i l u r e i nt h i sp a p e r , ii n t e g r a t ee l e c t r i c a l c o n t a c t sm e t h o do fr e s e a r c h f r e t t i n g 谢mt r i b o l o g i c a im e c h a n i c a l sm e t h o do fr e s e a r c hf r e t t i n g ，is e t u paf r e t t i n ga g g l o m e r a t i o nk i n e m a t i c sm o d e l ，g e tt w op r o c e s s e so f f r e t t i n ga g g l o m e r a t i o n ：p o l l u t a n t sa c c u m u l a t e da tb o t he n d so ft h ef r e t t i n g r e g i o n 、p o l l u t a n t sa g g l o m e r a t et ot h e 舶仕i n gr e g i o nc e n t e r t h r o u g ht h e c a l c u l a t i o no fa g g l o m e r a t i o nf o r m a t i o np r o c e s s ，io b t a i nt h ec r i t i c a l h e i g h ta n dc r i t i c a lv o l u m eo fa g g l o m e r a t i o nf o r m a t i o n t h r o u g ht h e d i s c u s s i o no fc r i t i c a lh e i g h ta n dc r i t i c a lv o l u m e ，ic o m et oc o n c l u s i o no f a g g l o m e r a t i o nf o r m a t i o nc o n d i t i o n ，w h i c hi sg r e a t e ra c t u a lh e i g h tt h a n t h ec r i t i c a lh e i g h t t h r o u g ht h ed i s c u s s i o no ft h ea g g l o m e r a t i o nf o r m a t i o n 北京邮电大学硕士学位论文 c o n d i t i o n s ，c o m et o g e t h e rt of o r mt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s ：h i 曲c r i t i c a l 、 s m a l lc r i t i c a lv o l u m ea n dg r e a tg r o w t hv e l o c i t yo fa g g l o m e r a t i o nw h i c h a l lw i l lb ec o n d u c t i v et ot h eo c c u r r e n c eo f a g g r e g a t i o n a tt h es a m et i m e ，ip r e l i m i n a r yd i s c u s sr o u g hs u r f a c em o r p h o l o g yo f t h r e e d i m e n s i o n a lc h a r a c t e r i s t i c st ot h ef r e t t i n ga g g l o m e r a t i o ni n f l u e n c e , io b t a i nc o n c l u s i o n ：f o rd i f f e r e n tt y p e so ff r i c t i o ns u r f a c e ，t h et r o u g hs i z e i s d a n g e r o u st oe x i s tt oi n c r e a s eo fp o s s i b i l i t yo fp a r t i c l e sd e p r e s s i o n , w h i c hi sf a v o r a b l ef o r t h e a g g l o m e r a t i o n ，a n dp o s s i b i l i t y o f a g g l o m e r a t i o ng r e a t l yi n c r e a s e k e y w o r d s ：f r e t t i n ga g g l o m e r a t i o nk i n e m a t i c sm o d e lc r i t i c a lh e i g h t c r i t i c a lv o l u m eg r o w t hv e l o c i t ym u l t i v a r i a t ef u n c t i o n 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 1 本人签名： 三垄董| 一 日期：型：兰：望 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 江互 嚣墨差互日期：2 兰幽：! ：! ： 绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 近年来，科研室对常用连接器触点材料，研究工业环境对其表面的腐蚀性及 触点微动电特性的影响结果表明：磨损碎屑堆积在微动痕迹附近，接触电阻或升 高，甚至开路，造成电接触失效【1 1 ；对镀金层长期室内暴露后形成的圈状腐蚀物 的特性研究中发现：镀金样品长期室内暴露后，微孔上的腐蚀物堆积物通常被一 系列同心的腐蚀晕圈包围着。对黑色腐蚀圈的微观观察发现它由岛状分布的微小 腐蚀颗粒堆积而成。跨过腐蚀圈的微动实验结果也将造成较高的接触电阻，大大 地增加了样品产生电接触故障的概率【2 】：对故障连接器的接触表面观察分析和大 量统计数据得出：失效电子产品的电接触失效可能是多种因素作用的结果。其中， 连接器触点接触表面的接触区污染严重是造成电接触失效的主要原因之一。用扫 描电子显微镜和x 射线能谱仪检测失效电子产品的故障电连接器的触点接触表 面，其中多于“6 5 的接触表面被尘土所污染，将近5 0 的接触表面在接触区 形成污染物聚集区p j 。 并且在对失效通讯终端产品中p c b 板上镀金电触点的初步研究中，我们发现 这些电触点都有不同程度的污染，造成表面形成污染物堆积，污染物的存在使得 连接器接触电阻升高，其接触电阻值随着污染等级的升高而增加。( 如表卜1 ) 。 表1 1不同污染等级b p 接触电阻统计 污染等级 l23456 最大值3 0 85 9 6 77 5 6 96 0 5 34 1 6 5 35 1 5 2 9 最小值 2 8 83 1 41 8 34 9 27 9 66 8 4 注 表中统计值为各等级样片的统计平均值 1 2 微动聚集研究现状 1 2 1 三体理论 1 微动初期的二体接触过程 表面膜( 包括氧化膜、污染膜和吸附膜等) 的清除，局部表层发生、粘着塑性 变形和擦伤，沿微动方向划痕明显，金属与金属的实际接触面积增加。随着微动 位移幅值或循环次数的增加，线状擦伤或划痕将连结成片。 北京邮电大学硕上学位论文 2 微动过渡阶段 周期性塑性变形以至局部发生强烈的加工硬化，材料变脆。部分接触表面在 摩擦过程中发生颗粒剥离或撕裂而成为磨屑，即第三体【4 1 。颗粒剥离后被碾碎， 并发生迁移，迁移过程取决于颗粒尺寸、形状和机械参数( 如振幅、频率、载荷 竺、【5 】f 6 】【刀 叮， o 3 微动三体接触过程 大量的磨屑不断产生并堆积在接触区域，部分溢出接触表面。在三体接触阶 段，磨屑的产生和溢出基本达到动态平衡，摩擦力变化较小，处于相对稳定状态。 不过，微动斑的形貌随着磨损面积、磨损深度不断加大而改变，初始固定的压力 也相继缓慢减少 8 】【9 】【1 0 1 。 1 2 2 尘土沉积研究现状 1 2 - 2 1 概述 影响尘土在接触表面聚集的物理因素有很多，包括尘土与接触表面之间的附 着力、尘土的大小、成分、形貌、接触表面的形貌、粗糙度、电场、尘土的带电 量、通过触点的电流产生的焦耳热、环境的温、湿度、外界振动、热应力等条件 的影响下产生的微动等【1 1 】【1 2 】【1 3 1 。其中，尘土与接触表面之间的附着力、尘土的 大小、成分、形貌、接触表面的形貌、粗糙度等因素主要影响由其它因素带来的 尘土在接触表面是否沉积下来；环境的温、湿度通过作用其它因素( 尘土的荷电 量、尘土密度等) 而起作用【1 4 】。 1 - 2 - 2 2 电场对尘土沉积作用 在电场力的作用下，尘土颗粒运动的方向会发生变化，若电场是不均匀的， 则尘土颗粒所受到的电场的大小也是不同的，因而其在接触表面的附着密度也 会改变。电场强度越大，其对尘土颗粒的作用力也越大，场强越强的地方附着 的尘土颗粒的密度也越大。 电场的作用是连接器接触区污染严重的影响因素之一。连接器在工作过程 中会由于某种原因而短暂脱开从而改变其原有电场的形状，使得其接触区附近场 强变得比其它区域强，从而使接触区附着更多的尘土颗粒【1 5 】。 绪论 1 - 2 2 3 热场对尘土沉积作用 通常状况下，当有电流通过触点时，由于接触电阻【l6 】的存在而生成焦耳热， 使得在触点附近形成热场，会出现微小颗粒的无规则运动加剧、周围气体出现热 对流。热对流是在流体内部，随着冷热部分的密度不均而引起的流体各部分的相 对位移。工作中的电子产品由于发热而形成热场周围空气中漂浮的徽小尘士颗 粒就会随着气体的相对位移而运动到接触区域。在此区域颗粒的自身重力作用、 扩散运动、惯性运动可能使漂浮在空中的微粒在接触区沉积下来。 1 2 - 2 4 微动效应对尘土沉积作用 微动现象是处于“静态接触 的两接触表面之间的周期性小幅度相对运动， 这种微动效应会对接触区污染的作用包括，生成磨屑、把处于接触区外的颗粒带 进接触区。 引起微动现象的原因多种多样，主要包括：( i ) 环境机械振动引起的微动；( 2 ) 触点支撑件或接触对材料本身的热膨胀系数不同，环境温度改变后造成热胀冷缩 程度不同导致的微动；( 3 ) i 作环境中电磁力的变化引起的触点微动 微动效应所造成的最直接结果是微动磨损。微动那个磨损是一种典型的复合 式磨损，涉及粘着、磨料、氧化和疲劳磨捌17 】【1 8 】 1 9 1 微动磨损的一般过程是： 接触压力使接触界面上实际承载峰顶塑性变形【2 0 】 2 1 】，产生粘着。小幅振动将粘 着结点剪切脱落，露出基体金属表面这些脱落颗粒和新生表面被氧化，生成的 氧化磨屑【2 2 】【2 3 】【2 4 1 。 微动效应所造成的另一个结果是由于微动的不规则，由于运动形式的多种多 样沉积在微动区域内的尘土颗粒、微小的磨屑可能在微动过程中在某种运动形 式下被推到接触区周围，在另外的运动形式下也可能被裹进接触区堆积起来。 1 3 机械摩擦学与电接触学研究微动的比较 1 3 1 微动现象分析方法 1 3 1 1 机械摩擦学 机械摩擦学中，研究微动现象分析方法往往分为五大步骤： ( 1 ) 微动过程中动力变化( 各种力、位移与时间变化关系) 。即通常所说的摩 擦力( z ) 一位移( d ) 随微动循环周次( n ) 的变化曲线图，也叫摩擦特性图，其中微 北京邮电大学硕学位论文 动过程中的摩擦力通常指位移绝对值最大处的值，如图l 一1 所示 圈l 一1 摩擦力位移微动循环班敷( f d 一) 的变化曲践固 ( 2 ) 微动损伤的破坏过程( 接触表面形貌、磨损率及磨损量、裂纹尺寸、变 形等1 。 ( 3 ) 第三体( 磨屑) 的尺寸及化学成分。 ( 4 l 接触表面的温度变化。 ( 5 ) 接触表面电阻的变化等。 机械摩擦学中研究的微动区别于电接触学的微动一个很明显的地方就是， 在机械摩擦学中，将微动幅值划分成三个区间； ( 1 ) 当幅值 2 5 岬l 时，微动运行于滑移区。两接触体均发生相对滑移。 ( 3 ) 当幅值介于两者之间时，微动运行于混合区。 根据不同的位移幅值，判断微动运行的区域。随着位移幅值得增加，微动 区域从部分滑移区、混合区向滑移区发展。 接触载荷机械摩擦学中的微动区别与电接触学中的微动的一个重要参数， 它决定了微动起始接触面积、应力场、切向刚度等的大小。在其他条件给定的 条件下，其摩擦力变化特性为： f 1 1 当接触载荷 7 5 0 n 时，两接触面不发生相对滑动，并且除微动韧期，所 有摩擦力与位移的变化成线性关系，即其位移完全通过接触表面的弹性变形来 调节，微动处于部分滑移区。( 摩擦系数随载菏的增加而减少) ( 2 ) 当接触载荷 3 0 0 n 时，任一微动循环内两接触体都发生相对滑动，力 与位移的变化呈平行四边形状，即摩擦力的变化有：不变增加一减少，微动 绪论 处于滑移区。 ( 3 ) 当接触载荷介于4 0 0 , - - 5 0 0 n 时，载荷、位移随循环次数发生强烈变化， 直线状与平行四边形状的f t d 曲线可以交叉出现，相对稳定时期，其变化曲 线通常显椭圆状，微动处于混合区( 摩擦系数随载荷的增加而先增加后减少， 混合区的摩擦系数最大) 。 1 3 1 2 电接触学 电接触学中，由于接触压力很小，通常在0 0 1 n 到2 n 之间，所以导致分 析方法有所不同，其研究微动现象分析方法往往分为三大步骤： ( 1 ) 分析微动过程中接触电阻的变化。即电阻周期曲线图。 ( 2 ) 分析接触对材料的物理性质、化学性质、以及环境效应对接触对材料 所产生的影响。 ( 3 ) 分析微动过程中接触对材料表面形貌变化、接触特性变化、成分变化 、结构变化等。 而且，在电接触学中，往往将微动运行区域考虑在滑移区，有时忽略了微 动运行区域运行在部分滑移区( 粘着区) 、混合区，此时接触对材料往往发生弹性 变形。如微动模拟实验中，触头与接触面之间往往有相对弹性变形，此时运动还 应考虑微动区域在粘着区所产生的影响。 1 3 2 微动现象测量方法 1 3 2 1 扫描电子显微镜( s e m ) 扫描电子显微镜( s e m ) 可以用来观察表面微观粗糙程度、电蚀陷坑、膜层 厚度、磨粒形状尺寸等，比光学显微镜优越的多：放大倍数可达1 0 - 2 0 万倍， 比光学显微镜大2 0 0 倍以上；分辨率可达2 0 0h 以上；景深则比光学显微镜约大 1 0 0 倍。扫描电子显微镜是利用电子束撞击固体表面后与固体的原子、电子产生 一系列内部作用，因而可以发射二次电子、背反射电子、俄歇电子、特征x 射 线等，然后为不同的接收器所接收，并转换成电信号，再加以放大处理，于是可 从不同的角度上了解固体表面情况。电子束撞击金属样品后所发出的电子和x 射线的简图如图1 2 所示。 北京邮电大学硕士学位论文 吸 收 电 子 入射电子柬 图卜2 电子束撞击金属样片简图 电子束撞击固体后出现两种效应，一为弹性散射，即主要由于电子撞击核后 在运动方向上出现明显偏移，但基本上不损失能量；另一种为非弹性散射，即入 射电子与原子核和束缚电子的非弹性撞击，入射电子损失能量，但同时在固体表 面发射出电子来。后者提供了物体表面的主要信息。当快速运动的电子撞击原子 外层轨道上的电子时，其部分动能即传给该层电子，使之离开轨道发射出来，这 种发射电子一般具有较小能量，被称为二次电子。二次电子若接近物体表面，其 能量大于表面的势能壁垒，则溢出表面的机率将大大增加。二次电子容易被物体 吸收，如产生的深度超过1 0 0 h ，则逸出表面的机率很小。电子离开该层轨道后 若有其他层的电子进行补充，在补位过程中将释放出能量，这种能量可能以x 射线形式发射出来。由于这种x 射线能量等效于该层电子的束缚能，并随元素 不同而异，因此它具有元素特征，称之为特征x 射线，用以表征不同的元素。x 射线能谱仪便是利用这一原理来识别不同的元素。 用扫描电镜观察样品形貌时，样品二次电子产生率与样品表面材料的原子序 数无关，而背反射电子的产生率随原子序数的增大而增加。背反射电子的产生率 在扫描电镜照片中反映就是颜色的深浅。对于两种原子序数相差较大的物质，在 使用扫描电镜进行观察时，表现为明暗程度不同的区域。 k y k y - 2 0 0 0 b 扫描电镜的工作原理，如图1 2 所示。 绪论 _ - ；舡一。鳖篓 函 区卜。竺? 囤 图1 - 2k y k y - 2 8 0 0 b 型扫描电子显微镜工作原理图 2 8 0 0 b 型扫描电子显微镜主要由三部分构成： 1 电子光学系统，包括电子枪、电磁透镜和扫描线圈等 2 样品室 3 样品室所产生信号的收集、处理和显示系统 从电子枪的阴极发射的电子受到0 - 3 0 k v 高压加速，形成笔尖状的电子束， 经过三个磁透镜三级缩小，形成一束很细的电子束聚焦于样品表面。在末级透镜 上部的扫描线圈作用下，细电子束在样品的表面逐点扫描，电子束与样品相作用， 引起二次电子发射。这些二次电子经栅网上加的3 0 0 v 正电场的吸引，和1 0 k v 的电压加速后，打到由闪烁体、光导管、光电倍增管组成的探测器上，形成二次 电子信号。这些信号随着试样表面形貌、材料等因素而变化，产生的信号衬度， 经过视频放大器进一步放大后调制显像管的亮度，由于显像管偏转线圈和镜筒中 的扫描线圈的扫描电流是严格同步的，所以由探测器逐点检取的二次电子信号， 将一一对应地调制显像管上相应点的亮度，形成扫描图像。 1 3 2 2 原子力显微镜( a f m ) 原子力显微镜可以在原子尺度上测量导体或绝缘体的表面【2 5 】，它通过感应柔 性悬臂梁的变形来探测探针与表面之间的超微作用力( 小于l n n ) 。a f m 融合了 s t m 和触针轮廓仪的工作原理【2 6 】，如图1 3 所示。 北京邮电大学硕士学位论文 娃燧棚撇舀二舀 图1 - 3 原子力显微6 t _ r - - 作原理图 a f m 悬臂梁末端的探针与试样表面产生接触，它检测试样表面和探针之间 的作用力，而不是感应探针与试样间距的隧道电流。试样的移动由压电扫描器驱 动。被测表面对探针的作用力使悬臂梁产生弯曲变形，这种变形可以通过电容或 激光干涉仪检测到，测量误差为0 0 2 衄 为了使a f m 也能获得高分辨率的原子成像，悬臂梁的刚度必须小于两个原 子之间的当量刚度，其量级大致为1 0 n m ，而且探针要尽可能尖锐。常用探针的 半径为5 - 5 0 n m ，这些探针以纳牛级作用力无法达到原子级分辨率，实际成像的 是晶体像或者晶格的周期像。 常用的多模式a f m 是一种在大气环境下工作的a f m ，其表面形貌测量原理 图如图1 4 所示，在这台a f m 中，试样安装在一个p z t 压电陶瓷管扫描器上， p z t 设有分离的电极，它们控制试样在x y 平面上的精确扫描。如图1 5 所示， 并在垂直方向z 上移动试样。 图1 - 4 表面形貌测量原理图 绪论 图卜5 二维扫描的三角形轨迹 柔性悬臂梁末端的尖锐探针与试样发生接触，采用激光束偏转技术测量作用 在探针与试样界面直接的作用力和摩擦力。激光束来自二极管激光器，通过反射 镜导向悬臂梁自由端的背面，激光束相对面向下偏转1 0 0 。从悬臂梁背面法向反 射的光束，经过反光镜片传送给四象限光电探测器，其上、下光电二极管产生的 信号差是悬臂梁偏转量的信号。当试样在探针下作扫描运动时，试样的形貌变化 导致探针在垂直方向发生偏转，此偏转改变了反射光束的方向，也改变了四象限 光电探测器的上、下二极管信号( 即a f m 信号) 的强度差。当a f m 执行 高度模式 时，反馈电路调制p z t 扫描器上的电压，进而调节p z t 的高度。由四象限探测器 的上、下信号差给定的悬臂梁垂直偏转在扫描过程中始终保持恒定，因此p z t 的 位移变化就直接测量出试样的表面形貌。其测量原理如图卜6 所示。 穆动绎螽医互茇盈萨 - - o 白0 _ - 三。上- 0 三垃卫j_ l ，_ ，峰 图1 - 6 探头兼有扫描和悬臂梁偏转检测功能的a f m 工作原理 北京邮电大学硕士学位论文 1 3 2 3 各种测量方法比较 表1 - 2 各种测量方法评价表 分辨率舳 测量方法定量信息三维测量在线测量 局限性 空间垂直 接触形式可能破坏式样 s p ( 触针法)否是 1 5 - 1 0 00 1 - 1 否 表面，三维测量速度慢 光反射法否否 1 0 5 一1 0 6 0 1 - 1 是半定量 光滑表面 衍射法有限是 1 0 5 一1 0 6 0 1 - 1是 ( o ，第 一段水平位移厶= 2 朋一h 2，第二段水平位移 厶：2 k 2 a 2 f 2 一i - i _ 一2 r h - h 2 。并且随着爬行高度h 的增加，第一段水 一 腿p 平位移厶在增加，第二段水平位移厶在减少。 其中第一段水平位移厶、第二段水平位移厶随爬行高度h 变化曲线如图 2 - 4 、图2 - 5 所示 图2 4 位移厶随爬行高度h 变化曲线 图2 - 5 位移厶随爬行高度h 变化曲线 3 ) 当爬行高度增加到 微动聚集的运动学模型 日一= r ( 1 一 ( 1 + 一丝箬一彬+ 吸帅 、 朗 1“ p 2 + 1 ) 时， 第一段水平位移厶一：止夏瓦：可达到最大值，第二段水平位移达到 最小值厶血= 0 。这就是说只要实际高度超过此最大值巧一，磨损颗粒有可 能会因为无法越过坡顶而导致其运动范围被限制在坡内，此时可认为原始坡 已初步形成。 2 2 2 坡形成后的聚集 原始坡形成后，磨损颗粒会因为无法越过坡顶而导致其运动范围被限制在坡 内，现在讨论颗粒在坡内运动状况。 2 2 2 1 速度为零时的高度 磨损颗粒在爬坡时，触头推力对其做功，同时要克服摩擦力、重力做功，如 图2 - 6 所示。 符号说明： ，：接触压力； 店：颗粒所受的摩擦力； g ：颗粒所受的重力； ：颗粒所受的支持力； - ：触头对颗粒作用力； ：触头对颗粒作用力； 日：聚集对应的高度。 北京邮电大学硕士学位论文 t 滑动方向 巢三砂， ”；? n ， 图2 - 6 颗粒爬坡受力分析图 重力所作的功瞻= m g h = m g r ( 1 - c o s o ) 式中口为磨屑颗粒、氧化物颗粒速度为零时角度a 的大小 现采用微元法计算变力摩擦力厶所作的功，如图2 - 6 所示，在角度仅变化m 对应一段位移k s = r c l a 内，厶= r t n = p m g c o sc x ，于是 = 磊幸a s = 1 t m g r c o s o t d o t 一 = 吸= ，1 t m g r c o s o t d a = p t m g r s i n o 综合公式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 考虑摩擦过程中能量损耗，根据能量转化关系： 咄( 1 一c o s 即脚s i n o + = 譬+ 彬 式( 2 - 8 ) 式( 2 9 ) 式( 2 1 0 ) 现根据微动周期t 或微动频率厂以及微动幅度a 估算颗粒运行的平均速度；， 触头平均速度；- = 了2 a = 2 a f ，而触头速度越大，颗粒速度也越大，于是颗粒平 均速度1 ，- = k v - = 2 尼矿 其中k 为一比例系数式( 2 1 1 ) 联立公式( 2 1 0 ) 、( 2 11 ) 得： 臼：躺s i n ( 鲨笙生掣些幽) + a r c t a n 1 g r p 2 + 1 p 微动聚集的运动学模型 h = r ( 1 一 ( 1 + _ 2 k 丁2 a 2 f 2 一+ 吸) + p 、 职 1 “ “2 + 1 ) 式( 2 1 3 ) 令c ：一1 + 一彬：了2 k 2 a 2 f 2 1 + 彬一彬，其中为微动频率，简化得： 2 鲣 1 球 1。 肚一咄赤，+ 一吉 ”- c + p “、 粤p 2 _ c 2 + 1 ， 符号说明： ，：接触压力； 厶：第一段水平位移； 厶：第二段水平位移； 厶：颗粒所受的摩擦力； g ：颗粒所受的重力； 日：聚集对应的高度。 厂：微动频率； 么：微动幅度； “：摩擦系数； c ：中间熄c 上2 9 r - 1 + 磁彬= 警1 + 一 l。 g r l 彬：触头对颗粒所做的功； 形：摩擦等能量损耗； 式( 2 1 4 ) 北京邮电大学硕士学位论文 2 2 2 2 受力平衡时的高度 当磨屑颗粒、氧化物颗粒脱离触头的推动作用时，如图2 7 所示，受摩擦力、 重力、支持力作用，对其进行受力分析，于是根据其临界平衡状态有： 切线方向：g c o s a = 层= p n 垂直切线：g s i n a = n 综合得：0 【= a r c t a n i x 张h 础( 1 - 赤) 符号说明： f ：接触压力； 厶：颗粒所受的摩擦力； g ：颗粒所受的重力； nt 颗粒所受的支持力； 日：聚集的高度。 h ：摩擦系数； 式( 2 1 6 ) h 工 滑动方向 一巢 1 一- - 汐孓2 蔓r | | ”、。n ， 图2 - 7 触头离开后颗粒受力分析图 当实际高度小于临界高度h 时，g c o s g g s i n a ，即重力分量大于静摩擦 徽动聚集的运动学模型 力，磨屑颗粒、氧化物颗粒会向坡下作先加速后减速运动，最终停止在坡内。 可见，临界高度h 为最太高度。 2 223 颗粒最终停留位置 根据速度为零时的临界高度且= 一c - 一! 型：e ! i ；互，、受力平衡时的 临界高度也2 胄。一了i 丽1 ) t 现比较q 、皿相对大小 作差q 母一巫：匦 令埘= 扫可+ c p 厨= i 甭则 根牡去一一母警一彤一旺 可粗略估算出c 的范围为：_ 0 9 c 皿，这表示在摩擦系数比较小( 小于0 2 ) 并 北京邮电大学硬学位论文 且颗粒速度比较丈时日 皿，但通常情况下摩擦系数( 大于0 2 ) ，不在此范围 之内，于是可认为且( 这说明除了在摩擦系数非常小的情况下有日 且，物理意义是速度为零时， 颗粒处于非稳定状态。其余情形下且 。，其物理意义是c 越太则h 越大a 于是当微动幅度 a 小、微动频率，小即速度小时，c 小。于是h 小，当磨损速率相同时，实 际高度容易超过临界高度，有利于在微动区域的两端聚集磨屑颗粒、氧化物颗粒。 于是得到临界高度与微动振幅的关系为：在其他条件保持不变时，振幅a 越 小，l 临界高度h 越小 2 2 32 与微动频率的关系 同样得到临界高度与微动频率的关系为：在其他条件保持不变时，频率， 越小，临界高度h 越小。 2 2 33 与触头半径的关系 根据公式( 2 - 1 3 ) 得： 。：塑! 墅：1 21 丛呸二竖! 二! 蛭巫至巫互互雯互j 匾 m 。+ 1 ) 苫 口r 取u = o8 ，得 日：壁堕：! ! ! 二型坐塑! 墅二业 f 0 8 2 + 0 9 绘制其图像如图2 - 1 1 所示 北京邮电丈学顿学位论文 三嗡。 自塑：韭坠坐翌堕立霉皇坐垡至业生! 醴，绘制其图 一a r f 0 8 2 + 1 ) g 一 。；r 、：、 一一i i 一 一、一一一。孟曩“一 2 - 1 2 爬行南度一阶偏导敷嚣与v r 之问关系的三堆母 由图可知：瓦a h 口。 三维形貌特性对微动聚集产生的影响 又c 。口：里! ，得口：玳。里! rr r - r 0 a r c c o $ r 得， r 0 一c o s o ) 即当颗粒尺寸大于r ( 1 一e o s o ) 时，才能被触头推走。由此可以得出危险上限尺寸就是 r 0 一c o s 0 ) ，其中秒= a r c t g t 。小于此尺寸的颗粒不能被触头推走而有继续留在接触区内， 导致电接触出现故障。 4 5 2 颗粒危险下限尺寸 对于颗粒的危险下限尺寸，难以给出一个明确的公式进行计算。下限尺寸的 大小随着基底材料、正压力的改变而相应的发生着变化。 考虑一种最简单的情况，即一个球形颗粒在正压力的挤压下，陷入到接触对 的金属材料中。如果颗粒完全陷入，认为接触对正常接触，此硬颗粒没有造成故 障；如果颗粒没有完全陷入到接触对中，露出来的部分会将接触对隔离开来，就 认为此颗粒造成了电接触故障。由此，就能确定颗粒的危险下限尺寸。 4 6 三维形貌特性对聚集产生的影响 现取表面均方根粗糙度为0 0 5 ，厶和厶均为2 5 6 ，和均为1 2 8 ，a r 和1 7 均为6 4 ，对应于相关长度为0z = 1 3y - - 3 、3 0 两种情形下生成的各向同性表面图形 如图4 - 4 、4 5 所示。 北京邮j u 大学埔十学位论文 髓4 - 4 t - 6 y - 3 各向同桂粗糙表面 目i t - 5 0 x - 口y - 3 0 各向同性粗牲表面 图4 4 、4 - 5 是通过前面介绍方法得到的2 个太小均为1 0 嘶埘l o 咖的二维 随机粗糙表面。由以上两固，可以看到，在相同的尺度范围内，较大的相关长度 对应的高斯表面其波峰、波谷数量要少很多，其峰值的疏密程度要小报多，也就 是峰值比较稀疏，有利于降低三维表面的摩擦特性，但不利的是存在危险尺寸波 谷，这种危险尺寸的波谷，增加了颗粒凹陷的可能性，由于峰值与颗粒尺度在一 个数量级，所以颗粒凹陷后为颗粒聚集自造了有利条件的可能性则大大增加。 实际上，根多参数都可以控制耦糙表面的三维形貌。均方根高度表征了表面 高度的起伏程度p ”，而相关长度表征了峰值的疏密程度：随着均方根高度的增 加，表面起伏越大：随着相关长度的增大，峰值变得越来越疏。而且，在非高斯 分布粗糙表面中，当偏斜度小于零时，非高斯髓机粗糙表面的峰值比较平坦。谷 值比较尖锐；而当偏斜度大于零时，此时非高斯粗糙表面的峰值尖锐，谷值却比 较平坦。在峰度大于3 的条件下，生成的非商斯随机粗糙表面具有相对多的高峰 值和低谷”。 47 本章小结 接触表面的三维形貌特性对微动聚集产生的影响主要是三维形貌特性虽然 可以改善接触表面的摩擦特性，但是对于不同类型的摩擦表面中存在危险尺寸的 波谷，这种危险尺寸的波谷，增加了颗粒凹陷的可能性，由于峰值与颗粒尺度在 一个数量缎所以颗粒凹陷后，为颗粒聚集创造了有利条件的可能性则大大增加。 总结与展望 5 1 总结 第五章总结与展望 本文首先通过与机械摩擦学中研究的微动的比较，寻找电接触学中研究的 微动，是否还有没有考虑到或忽略了的地方? 然后按照机械摩擦学研究微动的方 法，从分析受力入手，根据微动失效模拟实验模型，建立了微动聚集的运动学模 型。通过对运动模型中聚集形成条件的推理和论证，得出了聚集形成的条件以及 聚集形成的重点影响因素：临界高度、临界体积、生成聚集物的速率。最后通过 实验论证间接证明了聚集形成的有利条件：临界高度大、临界体积小、聚集物生 长速率大。其结论是：增加微动振幅，可以使临界高度增大，虽然临界体积也增 大，但是变化很小，同时由于聚集物生长速度增大，在这种情形下是比较有利于 聚集的形成，此时接触电阻表现的特性是接触电阻达到较大值所需周期变短，聚 集物较多，元素成分分布不均匀。增加微动频率，可以使临界高度增大，临界体 积增大，但是对于聚集物生长速度的影响却不是单一的，往往在一定的范围内聚 集物生长速度增加而在其他范围内聚集物生长速度却减少，于是对聚集的影响包 含两个方面。若是不利于聚集的形成，此时接触电阻表现的特性是接触电阻达到 较大值所需周期变长，聚集物较小。 文中最后补充了粗糙表面的三维形貌特性对微动聚集的影响。主要说明了在 粗糙度尺寸范围内，可能存在危险尺寸，易于颗粒凹陷而造成颗粒的聚集。 5 2 展望 本文只是通过实验论证了微动过程中污染物形成聚集的趋势，但是由于临界 高度的准确数值难以确定，所以并没有论证聚集的形成条件。所以今后可通过大 量的实验数据，确定临界高度的准确值，以论证聚集的形成条件。 虽然深入分析了接触表面三维形貌特性对微动聚集产生的影响。但只是选择 了一种比较典型有代表性的高斯分布粗糙表面进行分析，实际粗糙表面的类型还 有非高斯分布粗糙表面，同时粗糙表面的描述函数中还有很多参数，而且粗糙表 面的描述方法还有需要完善的地方，而这些是否会对微动聚集产生影响，还可以 继续进行详细地讨论、分析、归纳。 北京邮电大学硕士学位论文 参考文献 【1 】周怡琳，章继高常用触点材料表面腐蚀物微动电特性研究【j 】电子材料与原 件，2 0 0 2 4 【2 】林雪燕，周怡琳，章继高镀金层长期室内暴露后形成的圈状腐蚀物的特 性2 0 0 0 年中国电子学会第十一届电子元件学术年会论文集，2 0 0 0 4 【3 】王卫国，章继高接触区污染物影响因素的研究与实验室模拟【j 】机电元件， 2 0 0 1 8 【4 】周仲荣，l e ov i n c e n t 微动磨损 m 】北京：科学出版社，2 0 0 2 年1 7 2 2 【5 】l v i n c e n t , m e c h a n i c sa n dm a t e r i a l si nf r e t t i n g w e a r , 1 3 ，1 9 9 2 ：1 3 5 - 1 4 8 【6 】c h c o l o m b i e ，yb e r t h i e ra f l o q u e t , ，l v m c e n ta n dm g 0 d e t f r e t t i n g ：l o a d c a r r y i n gc a p a c i t yo fw e a rd e b r i s t r a n s a n c t i o n so ft h ea s m e ，j o u r n a lo f t r i b o l o g y , 1 0 6 ，1 9 8 4 ：1 9 4 - 2 0 1 【7 】yb e r t h i e r , l v i n c e n ta n dm g o d e t f r e t t i n gf a t i g u ea n df r e t t i n gw e a r t r i b o l o g y i nt e m a t i o n a l ，2 2 ，19 8 9 ：2 3 2 4 2 8 】y b e r t h i e r , l v i n c e n ta n dm g o d e t v e l o c i t ya c c o m m o d a t i o ni nf r e t t i n g j w e a r ， 1 9 8 8 ，1 2 5 ：2 5 3 8 9 】i m f e n ga n db gr i g h t m i r e t h em e c h a n i s mo f t i e r i n g j l u b r i c a t i o n e n g i n e e r i n g ，1 9 5 3 ，9 ：1 3 4 1 3 6 【1 0 m g o d e t t h i r d b o d i e si nt r i b e l o g y j w e a r ，1 9 9 0 ，1 3 6 ：2 9 - 4 5 【1l 】j i g a oz h a n ga n dx i a o - m i nw e nt h ee f f e c to fd u s tc o n t a m i n a t i o no ne l e c t r i c c o n t a c t s p r o 19 8 5 i e e eh o l mc o f e r e n c eo ne l e c t r i cc o n t a c t 1 2 章继高，环境对电接触可靠性的影响 13 】j i nc h u ng a oa n dj ig a oz h a n g ，m e a s u r e m e n to fe l e c t r i c a lc h a r g e sc a r r i e db y d u s tp a r t i c l e s 1 4 】王卫国，章继高接触区污染物影响因素的研究与实验室模拟 j 机电元件， 2 0 0 1 8 1 5 】王卫国，林雪燕电场对尘土沉积作用 j 】机电元件，2 0 0 4 3 1 6 章继高， ， 季刊，1 9 8 4 年8 月专辑 1 7 周仲荣关于微动磨损与微动疲劳的研究 j 中国机械工程，2 0 0 0 1 0 ，1 1 ： 1 1 4 6 1 1 4 9 【18 g a t o m l i n s o n t h er u s t i n go f s t e e l s u r f a c ei nc o n t a c t j p r o c r s o c a ，1 9 2 7 ， 5 0 参考文献 1 1 5 ：4 7 2 - 4 8 3 19 r d m i n d l i n c o m p l i a n c eo fe l a s t i cb o d i e si nc o n t a c t j a s m ej o u r n a lo f a p p l i e dm e c h a n i c s ，19 4 9 ，16 ：2 5 9 2 6 8 2 0 a n t l e rm s l i d i n gw e a ro fm e t a l l i cc o n t a c t s j i e e et r a n s a c t i o n o n c o m p o n e n t s ，h y b 对d s ，埘dm a n i f ：a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，1 9 8 1 3 ，4 ： 1 5 2 9 2 1 】n p s u b t h ed e l a m i n a t i