影响材料导电率的因素 (1).ppt

影响电接触过程中的导电性能的因素 报告人 薛博宇 SDEM 一 目录 1 金属导电的机理2 影响金属基体导电率的因素3 金属的接触电阻 SDEM 1 金属导电的机理 经典电子论认为金属的电阻是由于电子和晶格碰撞的结果 得出金属的电导率 1 式中 代表电子的平均自由程 n为金属中自由电子的平均密度 e为电子电量 m为电子平均质量 V为电子的运动速度 从金属的电子理论导出欧姆定律的微分形式 设导体内的恒定场强为 则电子的加速度为 电子两次碰撞的时间间隔为t 上次碰撞后的初速度为 则 统计平均后 初速度的平均值为零 则 平均时间间隔等于平均自由程除以平均速率 1 金属导电的机理 则由 和 得平均漂移速度 电流密度为 其中 电导率为 1 金属导电的机理 SDEM 3 金属的接触电阻 从电导率表达式知 电导率与自由电子的密度成正比 与电子的平均自由程成正比 还定性地说明了温度升高 电导率下降的原因 1 金属电阻产生的机理 SDEM 2 影响金属基体导电率的因素 1 不同的金属具有不同的电子密度 2 温度和金属的结构缺陷会降低电子平均自由程 SDEM 2 1自由电子密度不同的金属导电状况 电场 方向 Ag Al SDEM 2 1自由电子密度不同的金属导电状况 电子密度 其中 m是元素质量密度 A是元素相对原子量 Z是单个原子提供的自由电子数 与最外层电子数相关 SDEM 2 2常见金属的电子平均自由程 SDEM 2 2 1缺陷量不同的金属导电状况的对比 电场 方向 退火态钢 淬火态钢 SDEM 2 2 1缺陷量不同的金属导电状况的对比 时效处理对CuCr25合金导电率的影响 SDEM 2 2 2不同温度下金属导电状况的对比 电场 方向 Ag Al SDEM 2 2 2不同温度下金属导电状况的对比 SDEM 2 影响金属基体导电率的因素 1 温度温度对金属电阻的影响是由于温度引起离子晶格热振动造成对电子波的散射 温度升高会使离子振动加剧 热振动振幅加大 原子的无序度增加 而使电阻率随温度的升高而增加 2 金属中的缺陷金属中的各种缺陷 如杂质原子 空位 内部 晶界 的位错和外部的表面造成晶格畸变引起电子波散射 从而影响导电性 SDEM 2 4实际应用 冷加工使晶体点阵发生畸变和产生更多缺陷 从而增加了电子散射的几率 因而电阻率升高 金属冷加工变形后 若再进行退火 则可使电阻降低 尤其当温度接近再结晶温度 T再 0 4T熔 时 电阻可恢复到接近冷加工前的水平 但当退火温度高过再结晶温度时电阻反而又增大了 这是再结晶后新晶粒的晶界阻碍了电子运动造成的 17 3 1接触电阻的理论和计算 一 电接触的定义和分类 1 定义 电接触是导体与导体的接触处 也称电接触是2个或n个导体通过机械方式连接 使电流得以通过的状态 电接触内表面物理图景任何用肉眼看来磨得非常光滑的金属表面 实际上都是粗糙不平的 如图6 1所示 为几种机械加工后钢表面轮廓图并与玻璃表面比较 由图可知 不同材料 不同加工法 不同工艺过程所得到的表面微观状态不相同 6 2接触电阻的理论和计算 电流通过两导体电接触处的主要现象是接触处出现局部高温 产生此现象的原因是电接触处存在一附加电阻 称之为接触电阻 Rj即为导体与导体接触处产生的一附加电阻 这个电阻定义为接触电阻 导体电阻比接触电阻小得多 工程中可近似认为 Rj Rab 3 1接触电阻的理论和计算 电接触学科的奠基人霍尔姆 R Holm 指出 任何用肉眼看来磨得非常光滑的金属表面 实际上都是粗糙不平的 当两金属表面互相接触时 只有少数凸出的点 小面 发生了真正的接触 其中仅仅是一小部分金属接触或准金属接触的斑点才能导电 当电流通过这些很小的导电斑点时 电流线必然会发生收缩现象 见下图6 4的示意图 其次 由于金属表面上有膜的存在 如果实际接触面之间的薄膜能导电 则当电流通过薄膜时将会受到一定阻碍而有另一附加电阻 称膜电阻 它是构成接触电阻的另一个分量 式中Rb 表面间膜电阻 Rs 收缩电阻 3 1接触电阻的理论和计算 3 金属表面膜的形成 金属表面膜的生长与材料种类 环境介质的情况 以及其它许多复杂的情况有关 以铜和银为例说明金属表面膜的形成 a 以银为例分析 空气 银不易氧化 臭氧 Ag2O 易清除 200 即分解 含H2S的空气 在银表面水膜中易生成Ag2S绝缘暗膜 干燥时不易侵蚀银 Ag2S是半导体 近似于绝缘件 b 以铜为例 空气中 金属材料表面由吸附膜发展成肉眼可见的氧化暗膜 生长规律理论上由氧化速率的抛物线定律决定 但实际的生长规律复杂 图6 6示出几种常见触头材料在某些条件下膜的生长厚度与时间的关系 6 2接触电阻的理论和计算 3 2膜电阻的生成与击穿 4 绝缘暗膜的击穿 1 半导体特征 如果施加一电压于具有完整的绝缘暗膜的接触面之间 当电压U由0升高 膜电阻由M 级下降 但一直保持绝缘状态 但膜电阻随电压升高而下降 U下降 膜电阻上升 2 U上升至某临界值 如5伏 膜被击穿 膜电阻突然消失 接触面之间的电压立即下降到零点几伏的数量级 图6 8表示绝缘膜的这种电击穿过程绝缘暗膜的电击穿过程 实线 加压或减压时 膜处于完好绝缘状态 U0 临界电压 当U U0 膜被击穿 用虚线表示 并最终稳定在终止点 Rz Uz 霍尔姆把膜的击穿称之为膜的熔解 6 2接触电阻的理论和计算 3 2膜电阻的生成与击穿 5 绝缘暗膜击穿的机理 1 电击穿 电场内部电子发射 形成电子云 使金属表面局部加热直至熔化 由于强大静电力作用 液态金属被吸入放电通道而桥接 最后形成金属的电流通路 2 热击穿 由于膜的不均匀性 使电流集中通过局部电导率较高的点 引起半导体膜的温度升高 电导率增大 又使电流更加集中和加大 以致发生最终的热击穿 被熔化的金属最后引入击穿通道而桥接 3 机械击穿 在接触元件上施加一定的外力 从而使实际接触面微观凸丘接触处获得极高的应力 当凸丘受压变形时 膜亦随之破裂 或者在两接触面受压的同时 使两表面作相对滚滑 将膜磨碎并剥离 膜的机械破坏要求实际接触面上作用有很高的局部压力 并且边面膜比本体金属应具有大得多的硬度和脆性 为此需要接触表面有一定的粗糙度 使接触斑点有小的接触面积 以获得高的局部接触压力 同时选用适当的接触材料和结构 6 2接触电阻的理论和计算 3 2膜电阻的生成与击穿 3 3 收缩电阻的影响因素 当理想球形与平面接触时若呈弹塑性变形 则为 P 压力r 球半径H 接触材料的硬度 N m2 2020 1 31 第2章接触电阻理论 23 现象 当接触压力P由小增大时 收缩电阻Rc减小 当接触压力进一步增大时 Rc的减小变得非常缓慢 当接触压力由大减小时 Rc的增加极其缓慢 2020 1 31 第2章接触电阻理论 24 3 3 1接触压力对收缩电阻的影响 Au接触表面的收缩电阻与接触压力P的关系 材料的硬度越高 收缩电阻越大 但硬度提高有利于表面氧化膜的去除 接触的压力越大 收缩电阻越小 但会缩短断路器弹簧机构的疲劳寿命 Ag表面不易生成氧化膜 膜电阻小 本身导电率高 硬度低 收缩电阻小 是比较理想的电接触材料 但其本身强度硬度不够 导致在接触时容易发生形变影响寿命 所以经常与W Ni Fe等高强度材料相配合以提高触头的机械寿命 并且其可焊性极好 易发生熔焊 所以经常