１０许军等：电接触的接触电阻研究电工材料２０１１
Ｎｏ．１
电接触的接触电阻研究许军，李坤（装甲兵工程学院控制工程系，北京１０００７２）
摘要：电接触是研究电连接可靠性的应用学科，接触电阻是衡量电接触系统可靠性的重要指标。本文从影响接触电阻的因素以及接触电阻的微观模型出发介绍了最新的研究成果，给出了工程上计算及测量接触电阻的方法。指出了电接触未来的发展方向。关键词：电接触；接触电阻；可靠性中图分类号：ＴＭ５０１．３文献标志码：Ａ文章编号：１６７１—８８８７（２０１１）０１—００１０—０４
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ｌ引言电连接是电力电子设备与系统中必不可少且大量存在的环节。而电接触是电连接的核心。电连接可分为强电（电力）连接和弱电（电子）连接。强电连接的主要功能是传输能量，其中电弧与热效应问题是影响连接寿命和可靠性的主要因素；弱电连接的主要功能是传递信号，对这一类连接的故障或电连接可靠性问题，环境是主要的影响因素之一１１】。电连接的质量与水平对设备与系统的可靠性有着重要的影响。电接触学属于交叉学科。它将物理、机械、电学、材料、化学、环境等多个学科的概念和理论应用于电连接可靠性问题，形成了电接触理论。电接触是电子、通信、控制、电力系统中存在着的普遍现象。现代系统的元件之间、整机甚至系统之间都需要电气连接，如果接触点发生故障，则可能影响到整个系统的可靠运行。由此引出了电接触作者简介：李坤（１９８７一），男，山东枣庄人，硕士研究生，研究方向电子系统可靠性。收稿日期：２０１０—１２—１５的稳定性、寿命等与可靠性相关的研究内容。而接触电阻是电连接的一个基本、重要的参数。这一参数与电接触的材料、结构、制造工艺、工作环境都有密切关系。由此，由接触电阻引起的电连接可靠性问题越来越受到研究者的重视，并取得了一定的研究成果。
２接触电阻的影响因素应用中一般希望得到低而稳定的接触电阻。以保证电接触工作的可靠性。影响接触电阻的因素主要有导体材料性质、接触形式、接触压力、温度、腐蚀、频率等。
２．１材料性质用于电接触领域的金属材料范围很广。按使用范围分类时，铜、铝以及铜、铝合金在大电流（强电）接触领域使用最多，而贵金属材料及其合金则大多应用在小电流（弱电）接触领域。纯贵金属主要用作镀层材料。
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构成电接触的金属材料性质直接影响接触电阻的大小，这些性质主要有材料的电阻率ｐ、材料的硬度Ｈ等。每个导电斑点表现的收缩电阻与ｐ成正比。接触面上导电斑点的数目则由材料的接触硬度决定。根据对材料接触硬度Ｈ的定义，接触面上微小接触面积与接触压力Ｆ之间有如下关系：Ｆ＝∈Ｈ丌ｎ式中，毒为小于１的常数；口为微小接触面的半径。２．２接触形式电接触按接触形式可概括为三类：点接触、线接触和面接触。接触形式对收缩电阻Ｒ，的影响主要表现在接触点的数目上。一般而言，面接触的接触点数行最多，收缩电阻Ｒ。＝』Ｄ／２咒口最小。点接触的接触点数咒最少，收缩电阻应最大。线接触介于二者之间。接触形式对膜电阻的影响主要表现在每个接触点上所承受的压力，如果触头上外加压力为Ｆ，接触点数为以，则每个接触点上的压力Ｆ。＝Ｆ／行，由此可见，每个接触点上的压力Ｆ。与接触形式有关。一般认为点接触的接触点数ｎ最少。在触头外加压力Ｆ相同的条件下，点接触形式下每个接触点所承受的压力最大，也就是最容易破坏接触表面的表面膜，从而使膜电阻Ｒ。减小。反之，面接触的接触点数ｎ最多，排除和破坏表面膜的能力小，膜电阻Ｒ。就增大。线接触介于两者之间。此外，接触形式对接触电阻的影响还与接触压力的大小有关。当接触压力较小时，面接触的接触电阻不一定比点接触或线接触的接触电阻小。表１的数据可说明这一点。表１接触电阻Ｒｊ与接触形式的关系（铜）Ⅲ２．３接触压力由表１可以看出，接触压力Ｆ对接触电阻Ｒ有重要影响，没有足够的压力，只靠加大接触面的外形尺寸，并不能使接触电阻有明显的下降。当增大接触压力Ｆ，材料受压超过弹性变形的极限，就会产生塑性形变，这时接触面增加，接触点也增加，Ｒ。＝｜Ｄ／２扎Ⅱ减小。同时增大接触压力可以压碎金属表面的薄膜，使膜电阻下降。所以增大接触压力，可以使接触电阻减小。２．４温度接触点温度升高后，金属的电阻率增大，但材料的硬度有所降低，使有效接触面积增大，接触点增加。前者使Ｒ。增大，后者使Ｒ。减小。二者相互补偿，所以接触电阻变化甚微。但是，如果接触处通过的电流超过短路电流Ｊ。时。温度会急剧升高，使接触面氧化，加剧氧化膜的生长、变厚，使膜电阻Ｒ。增大，导致发热更甚，形成恶性循环。为了使接触电阻保持稳定，电接触的长期工作允许温度规定得很低。
２．５腐蚀电接触所处的外界环境也会对电接触产生影响。其中腐蚀会严重影响电接触的接触电阻，从而影响电接触的可靠性。影响电接触可靠性的腐蚀或污染形式可分为三种：孔隙腐蚀、蠕变腐蚀和失泽。孔隙腐蚀是指空气污染物和基体金属之间通过镀层表面的孔隙和其他薄弱环节发生的化学或电化学反应。反应形成的绝缘膜和腐蚀产物会导致接触不稳定、加速摩擦、接触电阻增加等现象，最终导致电接触失效。铜等基体金属与金等贵金属镀层粘接后会发生蠕变腐蚀反应。该反应过程的特点是在金镀层表面明显分布有基体材料的蠕变腐蚀产物。有些金属生成硫化物的趋势超过生成氧化物的趋势，靠近镀层附近的气态含硫类物质会在这些金属的表面发生化学反应，并产生扩散现象，从而导致金属失泽，失泽也会对电接触的可靠性产生影响。Ａｂｂｏｔｔ、Ａｎｔｌｅｒ以及其他研究人员分别就失泽现象对电连接器的影响进行了广泛研究。
２．６信号频率当接触点通以交流电时，由于存在集肤效应，电流仅流经导体的表面，在高频情况下更为明显。集
万方数据１２许军等：电接触的接触电阻研究
电工材料２０１１Ｎｏ．１
肤深度８可按下式计算：艿＝压
式中，ＩＤ为导体电阻率；厂为交流激励的频率；卢。为真空磁导率。图１为两个具有相同半径圆柱和相同的球形顶端构成的导体的接触情况。
图１基体的集肤效应和收缩电阻假定由于集肤效应，有效电流仅在穿透深度限定的薄层外壳流过，并且假定其值小于接触斑点的半径，Ｍａｌｕｃｃｉ给出了计算由于集肤效应而导致的附加电阻的公式：肛案·ｎ刚－＋√－一㈦）］式中，ｌＤ为导体电阻率；艿为集肤深度；口为两导体接触处圆柱最小半径；Ｂ。为接触圆柱最大半径。３接触电阻模型的研究进展３．１霍姆电接触模型Ｈ１霍姆（Ｈ０１ｍ）提出，总接触电阻应是所有实际接触点电阻的并联值（称为自身电阻）与因相互影响而造成的电阻值（称为相互电阻）相串联，即：Ｄ—Ｄ上Ｄ一巳士卫一—卫一牟卫Ｒｊ＝Ｒｓ＋Ｒｉ２≮■＋专２亩＋言２■口ｉ式中，Ｒ；为总接触电阻，口称为相互电阻的霍姆半径或点集半径。后来，Ｓ．Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ等…通过对某一密集点群作繁荣估算得出Ｒｉ＝未詈，而簧＝ｏ．５４０４≈｛，结果与Ｈｏｌｍ公式基本一致。３．２格林伍德电接触模型Ｍ１１９６６年格林伍德（Ｇｒｅｅｎｗｏｏｄ）在假定电流是通过接触点圆之间的接触来导电的模型下给出了计算接触电阻的公式：‰＝表＋詈（善∑引胭ｎ，）２＝Ｒｐ。，＋ＲｊｌＩ‘式中，ｌＤ为电阻率，日ｉ为第ｉ个点圆的半径，ｄ。为第ｉ个点圆与第』个点圆之间的距离，Ｒ叫和Ｒｈ。分别为所有独立点圆的并联电阻和考虑每个点圆之间相互影响的电阻值。若假定所有点圆的大小都相同，则上式可近似为：‰≈焘＋告善∑丢Ｒ６２≈莠ｉ＋嘉≤∑著２００１年ＬｉｏｎｅｌＢｏｙｅｒ【７１对格林伍德给出的计算公式进行了推广，通过增加一形状因数Ｓ（Ｎ），使得格林伍德给出的计算公式也可以用来计算其他形状导电斑点的接触电阻。其中方形形状因数Ｓ（４）＝（２＋１／√２）／兀＝ｏ．８６１７，与Ｎａｋａｍｕｒａ的ｏ．８６８非常接近。三角形的形状因数Ｔ（４）＝３（１＋√３）／２兀＝１．３０，而在Ｎａｋａｍｕｒａ的文献中ＲＴＮ＝半。
３．３考虑表面膜的电接触电接触表面上，由于种种原因覆盖着一层导电性很差的物质，例如金属氧化物、硫化物、灰尘、污物或夹在接触面间的油膜、水膜等。一般来说，电接触表面氧化膜居多，而氧化膜多半是半导体，电阻率很高。氧化膜使接触电阻大大增加。接触表面导电膜层的存在，对导电斑点收缩电阻的影响既有有利的一面又有有害的一面，这主要取决于膜和基底材料电阻率间的关系。膜的存在还可以改变接触表面的硬度，并通过改变接触表面的变形方式影响接触电阻。当接触表面膜层很薄（厚度约为５Ａ～１００Ａ），膜层电场强度低于１０８～１０９ｖ／ｍ时，由薛定谔方程可知膜的隧道电阻率为：Ｕ萨了－
式中，Ｕ为接触面之间的电压；＿ｒ为流过膜的电流密度。则电子穿过半径为口的斑点表面所遇到的膜电阻为：。一旦一—Ｌ—ｊ乙一１、６一Ｊ—Ｊ丌ｎ２一丌口２
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