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北京邮电大学硕士学位论文 环境污染对电接触性能的影响 摘要 电接触是一门应用非常广泛的学科，特别是在通信系统及电力传 输系统中大量存在，电接触的可靠性及其对信息传输的影响变得越来 越重要。通过对触点失效机理的大量分析得出，影响电接触可靠性的 因素主要有材料、加工制造工艺、环境污染等几个方面。我国是一个 污染比较严重的国家，由于触点多暴露于环境之中，因此环境污染是 造成电接触故障的直接原因。 本文主要从尘土腐蚀、气体腐蚀及两者在电接触表面发生腐蚀的 相关关系等方面研究了环境污染对电接触性能的影响。 沉积在电接触表面的尘土颗粒将产生电化学腐蚀。尘土中所含水 溶性盐的特性( 溶解度，离子种类) 是影响尘土腐蚀性的内在因素， 环境的湿度变化是影响尘土腐蚀性的必要条件。水溶性盐的溶解度决 定了电解液的离子浓度，从而影响尘土的腐蚀程度。尘土颗粒的腐蚀 性随着湿度的增加而增加，但造成腐蚀并不需要高湿度( 6 0 7 0 ) 。 单一气体腐蚀( s 0 2 ，h 2 s ) 仍被广泛用于评估连接器触点镀层 质量。表面微孔腐蚀物总面积是微孔数量和面积的综合体现，应作为 评判镀层质量的最主要指标。接触电阻是腐蚀物对触点可靠性影响的 直接指标。微孔腐蚀物总面积越大，接触电阻也越高，越容易造成接 触不可靠。在面积相同的情况下通过比较微孔率可得出镀层的质量等 级。 在实际环境中工作时，电接触表面会受到尘土腐蚀和气体腐蚀的 共同作用，若腐蚀物中能探测到n a ，c a 等尘土颗粒水溶性盐的阳离 子元素，则判定尘土颗粒参与腐蚀。当样品暴露一个半月后，接触表 面沉积了较多尘土颗粒，但并没有出现尘土颗粒产生的腐蚀物和气体 腐蚀物。湿度是接触表面形成腐蚀物的重要条件。 【关键词】：环境污染电接触性能尘土腐蚀气体腐蚀电化学腐蚀 北京邮电大学硕士学位论文 i n n u e n c eo fe n v i m n m e n t a lc o n t a m i n a t i o no n p e r f o m a n c e 0 fe l e c t r i cc o n t a c t s a b s t r a c t t h ee l e c t i i cc o n t a c ti sw i d e l vu s e di nc o n l n l u n i c a t i o na n de l e c t r o n i c i n d u s t 珊s oi t sr e i i a b i l i t yi sv e r yi m p o n 加t t h r o u g l l 肌m e r o u sa n a i y s i s o ft h ef a i l u r e n t a c t ，m em a i nf a c t o r sa m a t e r i a l s ，m a n u f a c t u 佗， e n v i m n m e n t a lp o l l u t i o na n ds oo n t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni sv e 疆 s e r i o u si na l i n a ，锄dt h e n t a c 龇由c e sa r cu 鲫a l l ye x p o s c di n a t m o s p h e r e ，s oe n v i r o n m e n t a 王p o l l u t i o ni s o n eo fp f i m a r yr e a s o n st h a t c a u s et h ef a i l u i eo fe l e c t r i cc o n t a c t s t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sm a i n l yi n d u d ed u s tc 0 h o s i o n ，g 鹞 c o f r o s i o na n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt i 圮m f u r t h e r 皿i o r e ，t h ee f f e c to f c o f i o s i o no ne l e c t r i c n t a c tr e l i a b i l i t vi ss m d i e d d u s tp a f t i c l e sc 暑毗s et h ee l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o no fe l e c t r i cc o n t a c t s u r f a c c t h es a l tt h a te x i s t si i lt h ed u s tp a r t i c l e si st h ei i l h e r e n tf a c t o ro f t h ec 0 啪s i o n r e l a t i v eh u i n i d i t yi si m p o n a n tt 0d u s t r r o s i o np 眦鹦 t h es o l u b i l i t yo fm es a l td e t c n n i n e si 咖s n c e n t r a t i o ni l lw a t e r - s o l u b l e e l c c c r o l y t e ，w h i c ha f e c td e 孵eo fc o n o s i o n t h ec o n d s i o no fd u s t i i - 口e a s e sw i t ht h ei n c f e 筋i i l go fh u m i d i t y ，b u th i g hh u m i d i t y ( 6 0 7 0 r h ) i sn o tr c q u i r e dt oc a u s ec o r r o s i o n s i n 百eg a sc o n d s i o n ( s 0 2 ，h 2 s ) i ss t i l lw i d e l yu s e dt 0c v a l u a c et h c p j a t i n gp e 响咖n c c t 0 t a tp o r ec o n 0 s i o n 狮勰a r ct h es y n t h e t i ( 斌e 彘c t o fp o r e 肌m b e f 卸dp o r ca r e a w h i c ha r et a k e n 弱t h ef i r s tp c r f b m a n c c i n d e x c b n t a c tr e s i s t a n c ed i r e c t l vs h o w st l l ee f c 融o fc o r r o s i o np m d u c t s o np l a 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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一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：查至查色 翮躲鼻掣l 日期；幽釜! 自兰2 堡 日期：卑一；：挈 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电接触可靠性的重要性及其影响因素 1 1 1 电接触可靠性的重要性 电接触的应用极其广泛，在电子、通信、计算机、自动控制、汽车、电力系 统中几乎无所不在。其应用形式多种多样，包括静止连接( 如压接、焊接、栓接、 绕接) ；滑动连接( 如高速火车上的连接、发电机、电动机、滑动开关、电位器 中的连接) ；开关连接( 如继电器、断路器中的连接) 。这些连接部分安装在元件 中，完成一定的机械动作及电气连接就成为机电元件。通常包括连接器、继电器、 键盘、电位器、开关、接线端子、以及电刷，集流环系统等。每一个接触点都是 维系电子元件之间、电路之间、设备或系统之间的大、小枢纽。连接的可靠性直 接影响电子系统的可靠性。与其它电子元件不同，连接器的电接触部分大多暴露 在大气中，直接受到大气环境的影响，如温度、湿度、尘土颗粒、腐蚀性气体等。 由于连接器数量浩大，保证可靠的电子连接便成为一个极其困难的课题。因此电 接触科学是一门并涉及电子学、化学、材料科学等多门学科的一门重要的交叉科 学。 1 1 2 影响电接触可靠性的因素 要提高电接触的可靠性，对触点的失效机理进行分析非常很必要的。国际上 许多科学家都对影响电接触可靠性和造成失效的原因进行不断地分析和总结，主 要集中在以下几个方耐2 1 1 3 j ： ( 1 ) 材料的研究。材料的研究对于电接触性能非常关键。各种接触材料的性能 随时间而变化，受物理应力、电流和环境变化等多种因素的影响，因此选择高性 能的材料对保证连接器长期可靠性是非常重要的。选择电触点材料时，要综合考 虑各种因素，首先要保证其有较好的电传导性能，再根据连接器使用的工作环境 和可靠性要求来决定。如：在有的情况下，要求连接器有较强的防腐能力，目前 一般采用贵金属，比如用金( a m ) 来作为连接器表面镀层。 ( 2 ) 加工制造方面的研究。目前在国内生产的连接器所出现的问题中，很大一 部分集中在加工制造方面。如加工工艺的不完善，基底材料加工质量的缺陷，电 镀环境的不严格，等等。加工制造过程中的过度应力可能造成接触表面的裂缝或 坑穴。冲压成形后电镀的元件，由于应力释放造成电镀表面的微孔率和缺陷的增 北京邮电大学硕上学位论文 加。机械应力还会使触点间正应力衰减，破坏连接器外壳和配合触点的机械稳定 性，以使腐蚀气体进入接触界面导致失效。再有，如果基底材料不合格，如不能 按要求保证连接的压力，则连接器在工作一段时间以后，会因为弹性松弛的原因 而导致连接故障。另外，如果电镀工艺和环境不完善，则会使连接器表面镀层质 量不高，表面粗糙不平，微孔率高，镀层抗磨性能差，这样一来镀层就往往不能 起到应有的防腐降磨作用。 ( 3 ) 环境对电接触的影响方面的研究。接触故障中，由环境因素导致的占了很 大一部分，在我国尤为明显。一般情况下，接触点暴露在大气环境中，空气中的 尘土、腐蚀性气体、温度、湿度、有机气体都会在接触界面上造成绝缘异物的产 生。在干燥的环境中，在非贵会属铝、锡、铜、银表面易发生干腐蚀，多为氧化、 硫化。而在潮湿环境中，空气中的腐蚀气体或尘土溶于水形成电解液会引发原电 池反应，如镀金表面的微孔腐蚀。这些腐蚀产物表面形貌和厚度都是不均匀的， 而实际接触点非常微小( 微米级) ，其电阻或阻抗不仅随时间变化还随电流、压 力、振动而变化，造成瞬间开断，最终造成电接触故障。例如：在目前的汽车电 气故障中，有很大一部分就是由接触不良所造成的。汽车电气的工作环境较恶劣， 温度、尘土、腐蚀性气体、湿度等因素作用在连接器周围，使连接器接触界面间 形成较高的接触电阻。再加上电流的作用，使得接触点温度很高，甚至造成元件 的烧毁。 环境温度升高导致的热应力对触点可靠性影响也很大。触点附近温度 升高会加速腐蚀，而且会加速基体金属中杂质的扩散和迁徙，在表面形成污染膜， 如铜扩散到金表面在空气中形成绝缘膜，在锡和基底金属间形成的有害的中自j 相 也是一个扩散的例子；若接点紧靠( 塑料) 封装部件，会促使有机物的分解，结 果使接点环境中充满有机气氛，易于产生摩擦聚合物；另外，温度升高还会加速 应力松弛，直接影响连接器的机械性能；热应力，尤其是有规律的波动导致的相 对运动，产生微动腐蚀。这些最终都造成触点故障的发生。 上面所述的三个方面是造成电接触故障的主要原因。另外，不同的操作条件、 使用过程中的产物、和一些偶然因素都有可能造成接触故障。当前，在西方尽管 由于使用新型加工设备和更先进的技术工艺，接触失效已大为减少，但是环境污 染仍是造成接触失效的一个主要原因。在我国，由于对电接触科学的不重视，对 于环境的治理仍然非常落后，导致环境污染是造成故障的直接原因1 4 l 。 2 北京邮电大学硕士学位论文 1 2 已有的相关研究 1 2 1 电接触表面的污染和腐蚀 在电接触表面发生的腐蚀多为电化学腐蚀。电化学腐蚀是金属与外部介质发 生电化学反应的过程，是以原电池的形式发生的，其特征是腐蚀过程有电流发生。 一个腐蚀电池的四种要素包括阳极，阴极，电解液，阳极和阴极之间的电连接。 阳极发生腐蚀或氧化反应，即金属失去电子变成溶液中的一个可以溶解的金属离 子。在阴极上发生还原反应，也就是溶液中的水分子或氢离子能够在金属表面发 生反应而形成氢气逸出。腐蚀的驱动力是阳极和阴极之间的电极电位差( 电势 差) ，差值越大，腐蚀的驱动力越大。在实际的接触表面上，由于电镀技术、镀 层厚度等原因，接触表面会出现大量微孔，这些微孔会导致表面镀层失去对基底 金属的保护。使得基底金属暴露出来，表面镀层金属与基底金属就形成了原电池 反应的阳极和阴极。在常温条件下，由于会有一定的湿气凝聚在接触表面，为原 电池反应提供了电解液和电连接的通道。 常见的电化学腐蚀共有两种类型l 珂： ( 1 ) 不同金属之间的电化学腐蚀 这一反应多发生在有微孔的镀层表面。表面镀层金属与基底金属构成了原电 池的阴阳两极，当表面吸附有水膜的时候，腐蚀性气体溶解于水中形成电解液， 而腐蚀产物会通过微孔蔓延到接触表面，造成接触电阻升高。 ) 图卜1 不同金属之间的电化学腐蚀 ( 2 ) 有沉积在接触表面的尘土颗粒参加的电化学腐蚀 当接触表面有尘土颗粒沉积时，尘土颗粒中含有的水溶性盐溶解于接触表 面吸附的水膜中形成电解液，发生原电池反应。阳极反应为金属失去电子，阴极 反应为水分子或氢离子得到电子生成氢气溢出，从而在接触表面发生腐蚀。 3 北京邮电人学硕士学位论文 阴极 图1 2 有尘土颗粒参加的电化学腐蚀 1 2 2 环境污染对电接触可靠性的影响 由于我国对电接触可靠性的重要性至今还没有足够的认识，导致国内连接器 的生产水平和产品质量比较落后。而近年来发现即便是进口设备在国内使用的故 障率也远高于在国外的故障率，究其原因是由于触点被污染而导致接触不良所造 成的。据统计，近5 0 9 6 的系统故障是由于接触不良造成的。造成接触不良的主要 原因是环境污染，在国内一些学者的带领下，近年来对我国环境污染对触点可靠 性的影响进行了许多研究。环境污染对触点的影响主要有两个：大气腐蚀和尘土 腐蚀。 环境污染对触点特性的一个主要影响是大气中的腐蚀性气体在触点表面形 成的绝缘腐蚀膜层而造成接触失效。大气中含有一些腐蚀性气体，如肛& 5 杉k 、肋燔，这些气体与金属发生反应，而在触点表面形成腐蚀膜层。大气腐蚀 可分为干腐蚀和湿腐蚀两种。干腐蚀，即干燥气体对金属表面的腐蚀，与温度关 系密切。而多数大气腐蚀都是湿腐蚀，即电化学腐蚀。腐蚀性气体溶于金属表面 吸附的水膜当中形成电解液，导致腐蚀发生，湿度的影响很大。嘲 环境污染对触点带来的另一个影响就是尘土腐蚀。我国因土地沙化扩大，缺 乏绿色植被以有效抑制起风，在城市大气中的尘土颗粒包括了大量地表物质，其 中除硅酸盐、氧化硅外，还有建筑材料、土壤物质、燃煤与汽车尾气的残余物质、 各种冶炼工厂，塑料工厂的残留颗粒等；除无机物外、还有有机物、溶水性的盐 等。其成分十分复杂，对电接触所造成的危害及其机理有很大差异。通过对北京 西部室内尘土及上海某电镀车间尘土进行成分分析，发现其成分为【6 l 川： ( 1 ) 无机物：约占尘土重量的7 0 。对收集的尘土用x 射线衍射仪分析后， 对其中小颗粒尘土还用电子探针作分析，对于极细小颗粒则用透射电镜作进一步 分析。在尘土中石英约占3 5 ，各类长石约2 7 ，方解石1 7 ，各类云母1 4 ， 石膏 h f a + m 矿 k + ，阴离子含量s o 产 c r n 0 3 f ，各选 取含量最高的两种离子有四种物质组合，分别为c a 。s 0 4 、c a a 2 、n a 2 s 0 4 ，n a c l 。 在这四种物质中，n a c l 的溶解度最大，c a s 0 4 的溶解度最小，因此选取n a a 、 凸s o 。作为实验室模拟尘土的腐蚀颗粒样品。 3 、腐蚀条件的选取： 北京邮电大学颂i 。学位论文 为了得出湿度对颗粒腐蚀性的影响规律，就必须采用不同的湿度组合，将 表面均匀分布腐蚀颗粒的金属样品放置其中进行实验室加速模拟试验，然后对 样品进行分析。在相同的温度条件下，通过改变湿度来得出湿度对腐蚀特性的 影响。依据恒温恒湿机允许的温湿度范围、实际中的温湿度和实验目的等条件， 采用的温湿度变换曲线见图3 一l 。 攫度 嗍) 扎h 温度 t 2 i l 图3 一l 实验室模拟加速腐蚀温度和湿度同时变化的曲线 其中t 1 为温度变化范围的下限值2 0 ，t 2 为温度变化范围的上限值3 0 ， 这一温度变化范围为实际室温条件下的温度，时间轴下的数字为对应此时间段所 用时间。根据全国主要城市月平均相对湿度等条件l 埘，实际使用环境中的相对 湿度均大于3 0 ，约处于3 5 9 0 之间，因此这里分别采用6 种湿度条件，即 湿度分别为4 0 、5 0 、6 0 、7 0 、8 0 、9 0 。每组温湿度实验循环7 次， 每次循环需1 7 个小时，即每组温湿度实验共进行1 1 9 小时。 4 、实验步骤： i 、为增加最后统计数据的真实可靠性，针对每个条件下每种腐蚀颗粒都采 用3 个样本，即3 片金属样片，最后进行腐蚀概率统计时对它们取平均值。 、将3 片处理好的金属样片放入清理好的尘土箱后打开风机，运转大约3 分钟；称取1 克腐蚀颗粒，然后将其均匀缓慢地从入口加入；加完后，关掉风机， 让转盘运转大约半小时，以便颗粒均匀地沉积到样品表面；完毕后取出样品，切 断电源，然后清理尘土箱，更换另一种腐蚀颗粒和另外3 片处理好的金属样片， 重复以上撤尘过程。腐蚀颗粒共有三种( n a a 、c a s 0 4 、上海菜电镀车闻自然尘 土) ，因此共有9 片金属样品。 、将表面沉积腐蚀颗粒的金属样品放入恒温恒湿机进行温湿循环腐蚀。温 北京邮电大学硕士学位论文 湿循环变化曲线如图3 一l 所示。 、一组加速腐蚀实验结束后，取出样片后放入下一组样片，进行下一组温 湿条件的腐蚀实验。 v 、温湿度实验后，将金属样片在光学显微镜下进行观察，金属c u 表面出 现了腐蚀晕斑，如图3 2 所示。有晕斑包匿的颗粒认为是能造成金属腐蚀，即具 有腐蚀性，而无晕斑的颗粒认为是无腐蚀性。以此来计算颗粒的腐蚀概率：在金 属表面取i 个区域( 每次所取区域尽量分散、不能和以前所取区域有重叠区，本 论文中所取i = 1 5 ) 。统计区域内总的颗粒个数n 和产生腐蚀的颗粒个数m ，从而 得出腐蚀概率，如式3 一l ： 磨损概率。乏；生。1 0 0 式( 3 一1 ) 3 1 2 实验结果及分析 1 、判断尘土颗粒是否发生腐蚀的方法 通过对实验后的样片的观察发现，样片表面的部分尘土颗粒周围出现了晕 圈，而一部分周围则没有晕圈出现。其光学照片如图3 2 所示，图3 2 为自然尘 土颗粒在湿度为6 0 的条件下腐蚀后表面情况。 图卜2 实验后样片表面光擘照片 为了判断出现晕圈的尘土颗粒是否发生了腐蚀，通过采用扫描电镜x 能谱 仪分析系统( s e m x e s ) 对尘土颗粒及其周围的晕斑测成份的方法来检测。产生 腐蚀的颗粒应具备以下几个条州1 1 l ： 1 ) 尘土颗粒本身含有n a 、c a 、s 、a 等腐蚀性元素； 2 ) 腐蚀物表面有很多裂纹或鼓起，以各种大小分布于样片表面； 3 )腐蚀物中必须含有n a 、c a 等可溶性盐的阳离子元素。 北京邮电人学硕t 学位论文 图3 3 为自然尘土颗粒在湿度为6 0 的条件下实验后样片上出现晕圈区域的 电镜照片，表3 一l 为图3 3 上所标相应区域的e d s 结果。 图3 3 出现晕圈区域的电镜照片 表3 1 图3 - 3 所标各区域e d s 结果 样品区 主要元素所占原子百分比( x ) 域 c o s c l ls ic a c u z n 区域l 2 4 75 2 70 1 21 8 71 7 6o 7 92 1 65 4 1 73 l - 1 5 区域2 3 7 25 2 3o 8 2i 1 91 1 57 2 6 51 5 2 3 区域3 1 0 4 l6 0 3 62 船1 柚2 8 l7 0 71 2 31 3 髓1 5 70 鹞 区域4 3 3 6 54 8 3 3 2 1 8 l 2 3 1 曲 5 1 55 嘶2 5 10 2 0 区域53 5 26 3 8 73 2 区域63 韶 6 2 0 3 3 4 2 9 其中“一”表示含量极微，趋于零 由图3 3 可知在光学照片中观察到样片表面出现晕圈的区域内出现不均匀的 颗粒，且表面具有裂纹、鼓包等腐蚀物的特征，图中区域3 、4 的颗粒表面具有 棱角，其成分中含有n a 、a l 、c a 、s i 、s 、a 等尘土的典型成分，特别是s i 的 含量较高，s i 0 2 为尘土中大量存在的物质，因此区域3 、4 为腐蚀颗粒，而在区 域内的其他区域的成分中含有n a 、a l 、c a 、s 、a 等尘土中的成分，而其形貌 北京邮电大学硕士学位论文 具有腐蚀物的特征，由此可知该区域内尘土颗粒在样片表面发生了腐蚀。 图3 4 为自然尘土颗粒在湿度为6 0 的条件下实验后样片上未出现晕圈区域 的电镜照片，表3 2 为图3 4 上所标相应区域的e d s 结果。 图3 4 未出现晕圈颗粒的电镜照片 表3 2 图3 4 所标各区域e d s 结果 样品区主要元素所占原子百分比( 薯) 域 cosc l l s ic a o uz n 一 区域l 8 0 l6 5 7 42 1 7 33 4 25 1 83 衢8 2 7o 髓 区域25 1 2晒o i互3 62 6 75 硒5 6 24 9 47 3 31 3 5 区域3 1 b 42 9 4 6o 1 71 7 l 1 7 8 2 1 41 1 93 3 9 62 7 晒 区域42 6 l7 1 9l2 76 6 3 02 2 6 2 区域53 7 l6 2 9 33 3 3 5 区域63 1 90 7 06 9 2 6 2 0 其中。一”表示吉量极微，趋于零 由图3 4 可知在光学照片中未出现晕圈的颗粒周围没有腐蚀物的特征出现， 中间棱角明显的颗粒为自然尘土颗粒。由表3 2 的成分分析可知尘土颗粒中含有 n a 、a l 、c a 、s i 、s 、a 等尘土成分，而在颗粒周围的样片表面则没有尘土的成 分，只有c u 、z n 等样片表面的元素，由此可知该颗粒在样片表面没有发生腐蚀。 该尘土颗粒中含有可以发生腐蚀的元素，但并未发生腐蚀，是因为颗粒周围 北京邮电大学硕l 学位论文 没有水膜覆盖，因此不具有发生腐蚀的条件。 在对腐蚀后样片表面的成分分析中发现，未被尘土腐蚀的样片表面的o 元 素的含量比较低，说明在当前低温的实验条件下( 2 0 3 0 ) ，样片表面发生的氧 化反应不明显。 通过腐蚀样片的光学照片与能谱分析的对应关系可以推出，光学显微镜下观 察到周围出现晕斑的颗粒经能谱分析法最后都确定为腐蚀性颗粒，而那些周围没 有观察到晕斑的颗粒，经能谱分析为未发生腐蚀的颗粒。因此若在光学显微镜下 发现某颗粒周围有腐蚀晕圈存在，则表明尘土颗粒在潮湿环境中对c u 产生了腐 蚀，而不需要再通过能谱分析其成分，这种方法方便、迅速，可以在较短时间统 计到样片上绝大部分区域内的尘土。 2 、腐蚀概率统计方法 这里采用在光学显微镜下观察样片表面的方法统计颗粒腐蚀概率，为了使结 果具有可比统一性，参考中华人民共和国标准一轻工产品金属镀层腐蚀试验结 果的评价1 1 2 1 ，对里面一些细节做了如下规定： 1 ) 在3 0 倍放大倍数下用光学显微镜观察样片表面1 5 个区域并采集图 片，1 5 个区域分别取在图3 5 中所标记的卜1 5 位置，每个区域的面 积为0 8 平方毫米； 123 4 5 67891 0 1 11 21 31 41 5 图3 5 样片上所选观察区域分布 2 ) 当前所选观察区域应不能和以前所统计过的观察区域有重叠区。 3 ) 如果颗粒在观察范围边界，只留在观察区内一部分，则两个折算为一 个有效颗粒； 3 、实验结果 按照以上所述腐蚀颗粒的统计方法统计三种腐蚀颗粒的腐蚀概率，表3 3 中给出了不同腐蚀颗粒在不同湿度循环条件下的腐蚀概率。 北京邮电大学硕士学位论文 表3 3 不同腐蚀颗粒在不同湿度循环条件下的腐蚀概率测定结果 不同湿度下的腐蚀概率 样品 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 自然尘土 3 4 7 3 6 2 3 6 9 4 3 8 5 0 9 5 5 2 n a a5 6 6 6 0 9 6 3 9 7 6 2 7 5 7 7 6 o c a s 0 - 2 6 0 2 6 2 2 6 3 2 6 4 2 8 8 2 9 9 根据表中数据得出腐蚀概率随湿度变化的曲线图。如图3 6 所示。 图3 6 属蚀概率变化曲线 由图3 击的曲线可见， k a 颗粒的腐蚀概率最高，c 4 鼢颗粒的腐蚀概率 最低，自然尘土的腐蚀概率介于胁a 和c l l s 仉的腐蚀概率之间。三种颗粒的腐 蚀概率随着相对湿度的增加而增加，但o s 仉的腐蚀概率增长的幅度远远小于 其他两种颗粒，从湿度为4 0 到9 0 时腐蚀概率只增长了3 9 。胁a 颗粒的腐 蚀概率在湿度为7 0 的条件下出现了较大增长，相对湿度从6 0 到7 0 时腐蚀 概率的增幅为1 2 3 ，而在湿度大于7 0 以后腐蚀概率无明显变化。自然尘土颗 粒的腐蚀概率在湿度大于6 0 以后增长速度明显加快，在湿度每增加1 0 时， 腐蚀概率增加4 以上，而在湿度低于6 0 时，湿度每增加1 0 ，腐蚀概率增加 幅度小于1 5 。 4 、实验结果分析 1 ) 为了验证统计方法及所得数据的准确性，令不同的人员对相同样片进行统 北京邮电人学硕仁学位论文 计，比较其所得数值。表3 4 中列出了三名人员对湿度为6 0 的条件下实验后样 片的统计结果。 表3 4 三名人员统计湿度为6 0 条件下的腐蚀概率 人员1人员2 人员3晟人差值 自然尘| 十3 6 9 3 7 5 3 7 1 0 6 n a c l 6 3 9 6 4 5 6 3 3 1 2 c a s 0 42 6 3 2 6 5 2 5 7 0 8 根据表3 4 中的数据可知，不同人员按照相同的方法统计的数据之间最大 的差值为1 2 ，即小于或等于统计结果中相邻两个不同湿度之间的变化值。由 于& 九的腐蚀概率随湿度变化的差值与误差值相近，因此可认为c 4 & 九的腐 蚀概率随湿度改变而无明显变化。 2 ) 由曲线可知，自然尘土颗粒的腐蚀概率在湿度大于6 0 以后增长速度明显 加快，在湿度每增加1 0 时，腐蚀概率增加4 以上，而在湿度低于6 0 时，湿 度每增加1 0 ，腐蚀概率增加幅度小于1 5 。因此，为了控制尘土对电接触表 面的腐蚀作用，应将其使用环境的相对湿度控制在6 0 以下。 3 ) 在同样的腐蚀条件下，三种腐蚀颗粒中 k a 的腐蚀概率最高，c l s 仇的 最低，自然尘土的腐蚀概率介于两者之间。腐蚀颗粒在样片表面发生的是电化学 反应，其反应如式3 2 、3 3 、3 - 4 所示1 5 】： 阴极反应：擅2 d + 乃一飓t + 2 d 盯( 中性或碱性环境)式( 3 - 2 ) 2 矿+ 知一恐t ( 酸性环境) 阳极反应：c h 知一c h “ 式( 3 3 ) 式( 3 4 ) 此时，样片表面的电解液中含有的离子为c k “，0 1 盯，胁+ 、c h “、c f 、s d 户。 根据k w i s 酸碱理论【1 3 】，+ 、c h “具有强酸性，o 盯、s d 户具有强碱性，而c r 的碱性较弱，o “具有弱酸性。因此胁a 这种强酸根与弱碱根结合的物质的稳 定性小于。鼢这种强酸性根和强碱性根结合的物质，也就是说胁c f 比s 仉 更容易发生反应，即胁c f 的腐蚀能力较强，腐蚀的产物为 k 0 四和c h c 如。因 此胁c f 的腐蚀概率会高于o s 仉的腐蚀概率。 尘土是由多种物质混合组成的，其中水溶性盐的成分对它的腐蚀性的影响 起主要作用。尘土的腐蚀性是其所含水溶性盐的腐蚀特性综合作用的结果，所以 在本实验中，自然尘土的腐蚀概率介于两种单独物质的腐蚀概率之间。因此，尘 土中含有的水溶性盐的成分及其各自的腐蚀特性会影响尘土的腐蚀特性。 4 ) 由于实验条件相同，在样片表面分布的腐蚀颗粒分布及样片表面吸附的水 北京邮电大学硕士学位论文 的质量基本相同，但是盐的溶解度是不同的。舭i c f 为3 5 7 9 ，o 4 为o 2 9 ， 因此在相同的实验条件下，腐蚀颗粒在样片表面形成的电解液中的离子浓度是不 同的，即溶解的腐蚀颗粒的数量是不同的，从而导致颗粒在样片表面产生的腐蚀 概率的不同。 3 2 水溶性盐腐蚀特性的验证实验 为了验证水溶性盐的腐蚀特性，分别进行了两组实验来比较不同的盐在不同 浓度下对样片的腐蚀性能。为了比较不同的离子的作用，选取三种水溶性盐，分 融为n 4 c t 、鑫o “c 4 s 0 4 。 3 2 1 三种饱和溶液对铜的腐蚀实验； 1 、实验步骤 i 、根据盐的溶解度( 每1 0 0 ，l f 水中，胁c f 为3 5 7 9 ，z 毋仉为1 0 9 ，c l s 仉 为0 2 9 ) ，分别配置三种盐溶液为饱和溶液。取每种盐5 克作为溶质，溶液体积 均为1 0 l n l 。分别将三种溶质溶于1 0 m l 纯净水中，静置5 分钟后，分别对三种饱 和溶液用滤纸进行过滤，以防止未溶解的溶质对结果的影响。 i i 、将打磨后的六个铜样品( 编号分别为1 6 号) 用丙酮溶液超声清洗十 分钟，晾干后分别把l 3 号样片放入口c f 、 k 必仉、o 鼢溶液中，浸泡5 分 钟后从溶液中取出，在有盖的玻璃皿中自然晾干。 、在光学显微镜下观察样片，若发现样片表面出现腐蚀物，则停止下次浸 泡，若未发现腐蚀物，则进行下次浸泡，直到出现腐蚀物为止，最大浸泡次数为 1 0 次。 2 、实验结果 通过观察发现，浸到胁a 溶液中的铜样片经过1 次浸泡就发生了严重腐蚀， 浸到胁必仉溶液中的铜样片经过4 次浸泡后出现微量腐蚀，而浸到c 口鼢溶液 中的铜样片经过1 0 次浸泡后仍未发现腐蚀物。将1 q 号样品在光学显微镜下观 察并采集图象，如图3 7 、3 8 、3 - 9 所示： 北京邮i 乜人学坝l ：学位论文 图3 71 号样片腐蚀后形貌( 1 次后)图3 82 号样片腐蚀后形貌( 4 次后) 图3 93 号样片腐蚀后形貌( 1 0 次后) 从照片可以看出，在相同的条件下，胁c 对铜的腐蚀非常严重，而s 伪 对铜也有一定的腐蚀作用，只是腐蚀比较轻微，而在该条件下白s 仇对铜几乎 没有发生腐蚀。由本实验可以看出，溶解度的不同会导致能够溶解的腐蚀颗粒的 数量不同，使得溶液中离子浓度不同，因此产生腐蚀的程度也有所不同。 3 2 2 三种相同浓度的非饱和溶液对铜的腐蚀实验： 1 、实验步骤 i 、根据溶解度( 每1 0 0 m f 水中，胁a 为3 5 7 昏胁册，为1 0 9 ，c 口s 伪 为0 2 9 ) ，分别配置三种溶液为非饱和溶液，且使得三种溶液的摩尔浓度相同， 都为o 1 m o 扎，具体配置为： 在7 0 0 | l n l 水中加入4 0 9 5 9 ( o 0 7 m 0 1 ) n a a 溶质： 在1 0 0 m l 水中加入1 4 2 5 9 ( o 0 lm 0 1 ) n a 2 s 0 4 溶质； 在7 0 0 m l 水中加入0 9 2 5 9 ( 0 0 r 7m 0 1 ) c 赴s 0 4 溶质。 此种配置的目的是为了使三种溶液的摩尔浓度相同，也能保证三种溶液均为 非饱和溶液。 、分别把以上清洗后的4 6 号铜样片放入口a 、4 必仉、白鼢溶液中， 北京邮电大学硕士学位论文 浸泡5 分钟后取出，在有盖的玻璃皿中自然晾干。 m 、在光学显微镜下观察样片，若发现样片表面出现腐蚀物，则停止下次浸 泡，若没有发现腐蚀物，则进行下次浸泡，直到出现腐蚀物为止，最大浸泡次数 为l o 次。 2 、实验结果 通过观察发现，样片4 经过两次浸泡后出现腐蚀物，而样片5 和样片6 经过 1 0 次浸泡后未发现腐蚀物。 在光学显微镜下观察4 巧号样片并采集图象，如图3 1 0 、3 1 l 、3 1 2 所示： 目卜l o4 号样片腐蚀后形貌( 2 次后)图3 1 15 号样片腐蚀后形貌( 1 0 次后) 图，- 1 26 号样片腐蚀后形貌( 1 0 次后) 从照片可以看出，在该实验条件下，非饱和胁c f 溶液对铜的腐蚀较严重， 而非饱和的胁毋仉、d 黜溶液对铜几乎没有腐蚀。因此，在相同的浓度下，。 因为胁a 留胁必仉、q s 仉更容易发生反应，导致口c f 的腐蚀性强于胁必仉、 北京邮电人学硕士学位论文 3 2 3 实验结论 比较以上六种溶液的离子种类、离子浓度、溶解度，见表3 5 。 表3 5 六种溶液的成分及浓度比较 饱乖溶液 1 饱和溶液 n a c l n a 2 s 0 4 c a s 0 4 c i n a 2 s 0 4 c a s 0 。 n a + 、c a + 、 离子种类n a + 、s o ， c a “，s o ，n a + 、c l n a + 、s o 产 c r s o 产 离子浓度( i 帆0 6 10 7o 0 20 0 10 0 10 0 l 溶解度( g ，1 呻i i l l ) 3 5 71 00 2 3 5 71 0o 2 从上表可以看出，六种溶液的差别是离子种类和离子浓度。在离子浓度相同 的条件下，从溶液对铜的腐蚀程度可以看出 k a 的腐蚀性强于口必仉、c 口阳4 。 因为f l c f 这种强酸根与弱碱根结合的物质的稳定性低于 k 必仉、o s 仉这种强 酸性根和强碱性根结合的物质，也就是说a 比胁舞仉、已s 仉更容易发生反 应。 在相同的实验条件下，同种溶液中，离子种类相同，饱和溶液的腐蚀性强于 非饱和溶液。即在离子浓度不同的情况下，离子浓度高的溶液腐蚀性强于离子浓 度低的溶液。而导致离子浓度不同的主要原因是水溶性盐的溶解度，溶解度大的 盐在溶液中的离子浓度大，腐蚀性强。由于c h s 仉较低的溶解度导致溶液中离 子浓度很低，在本次实验较短的时间内对铜样片未发生明显的腐蚀现象。 3 3 小结 l 、由于尘土颗粒在样片表面发生的是电化学腐蚀。湿度对尘土颗粒的腐蚀性 影响很大。尘土颗粒的腐蚀性随着湿度的增加而增加。且当湿度较大时( 对于本 论文中实验的尘土湿度为6 0 以上时) ，尘土的腐蚀性会大大提高。因此为了限 制尘土对接触表面的腐蚀，应严格控制使用环境的条件湿度，尽量将相对湿度控 制在4 0 - 6 0 之间。因为在这一范围内，尘土颗粒的腐蚀概率较低且保持恒定， 丽当湿度超过该范围时，接触表面容易形成水膜，从而大大地提高了尘土颗粒发 生腐蚀的概率。 2 、尘土是多种复杂物质的混合物，水溶性盐是影响尘土腐蚀性的主要因素。 尘土的腐蚀性是由水溶性盐的腐蚀特性决定的。尘土中所含水溶性盐越容易发生 北京邮电大学硕士学位论文 反应，则尘土颗粒的腐蚀性越强。 3 、影响尘土颗粒腐蚀程度的主要因素是样片表面的的电解液中的离子浓度， 离子浓度越高，则腐蚀性越强。尘土中水溶性盐的溶解度决定了电解液中的离子 浓度，溶解度越大，则离子浓度越大，尘土的腐蚀性越强。 北京邮电大学硕士学位论文 第四章气体腐蚀对电接触性能的影响 一般情况下，接触点暴露在大气环境中，空气中的尘土、腐蚀性气体、温度、 湿度、有机气体都会在接触界面上造成绝缘异物的产生。在非贵金属铝、锡、铜、 银表面易发生干腐蚀，多为氧化、硫化。而在潮湿环境中，空气中的腐蚀气体或 尘土溶于水形成电解液会引发原电池反应，大气中含有腐蚀性气体，如腿5 纵 “。嬲等，这些气体与金属发生反应，丽在触点表面形成腐蚀膜层，影响接触 性能的可靠性。这些腐蚀性气体与表面贵金属镀层是不会发生反应的，但由于电 镀技术、镀层厚度等原因，镀层表面会出现大量微孔。在腐蚀性气体的环境下， 这些微孔是导致失效的主要原因【“。 很多人已经做了大量的工作对气体的腐蚀原理进行研究，且对实验室模拟加 速腐蚀方法有了一定的研究。目前常用的腐蚀方法包括单一气体腐蚀和混合气体 腐蚀。单一的腐蚀性气体主要有5 殇、西投硝酸蒸汽、盐雾实验等，其主要目的 是为了测试镀层质量，体现镀层表面微孔状况等。混合气体腐蚀是在八十年代初， 由a b b o t t 设计的工业混合流动气体( m f g ) 暴露实验，主要用来模拟室内现场环 境中的腐蚀动能、化学产物和降级机理，并被越来越多的科学家所接受，成为西 方一种流行的实验方法。 在测定表面微孔状况时，使用腐蚀性气体对镀层表面进行腐蚀，产生的腐蚀 物通过微孔蔓延到镀层表面，通过统计腐蚀物的数量及尺寸即可反映微孔的数量 及尺寸，但腐蚀物的数量与尺寸并不能直接反映腐蚀物的接触电阻，为了分析气 体腐蚀对电接触性能的影响作用，将表面微孔统计与接触电阻测试相结合，评估 不同镀层在气体腐蚀下的接触性能，判定是否可以通过统计表面微孔来判定接触 电阻的分布情况。目前采用的腐蚀气体为勉气体或缈气体。两种腐蚀性气体 的选择主要依据实验样片的镀层，对于含有中间镀镍层的样片多采用5 伤气体， 而不含有镀镍层而只有金和铜的样片则使用尻，气体进行腐蚀。 4 1s 0 2 气体对镀金样片的腐蚀 1 、测试样品制备 国内外标准对腐蚀的气体、腐蚀条件等都作了不同的规定，比较各标准中对 制备仪器、气体配置的方法、浓度稳定程度等条件【1 5 l 【1 6 1 l 埘，采用j i s h 8 6 2 0 标 准制备s 0 2 气体腐蚀样品【1 8 】，该方法所得s 0 2 气体浓度稳定，制备仪器简单， 可广泛适用。气体浓度为1 0 2 p p m ，温度为4 0 l ，湿度为踟5 ，腐蚀时 北京邮电人学硕i j 学位论文 问为2 4 小时。分别选用三种不同种类的镀金样片( 分别命名为样片a 、b 、c ) 进行腐蚀，样片尺寸为2 5 m m 1 0 m m 。 2 、腐蚀后样片表面形貌 图4 1 样片a 腐蚀后表面形貌图4 - 2 样片b 腐蚀后表面形貌 图4 3 样片c 腐蚀后表面形貌 从样片表面腐蚀物的情况可以看出，不同的样片表面腐蚀物的数量和形貌 是不同的。样片a 和样片c 表面都有明显的腐蚀物产生，但腐蚀物尺寸不同。样 片a 表面腐蚀物颗粒较大，样片c 表面腐蚀物颗粒较小。样片b 则没有或只有轻 微的腐蚀发生。样片c 为没有中间镀层n i 的镀金样片，a u 直接镀于c u 表面之 上，其腐蚀产物为c u s 0 4 ；样片a 和样片b 有中间镀层n i ，其腐蚀产物为n i s 0 4 ， 但由于两种样片镀层质量不同，其腐蚀物产生的数量不同。 3 、接触电阻的测试 接触电阻是接触性能的直接体现，因此通过对三种样片腐蚀后的接触电阻测