電接觸材料對(duì)導(dǎo)電滑環(huán)壽命和可靠性的影響

陳鴻武，汪 聰，鄭東輝，陳 潔，蘇傳明，楊銘瑞

（浙江大華技術(shù)股份有限公司<浙江省視覺(jué)物聯(lián)融合應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室> 浙江 杭州 310051）

1 引言

導(dǎo)電滑環(huán)是將圖像、視頻、數(shù)字、網(wǎng)絡(luò)、控制等信號(hào)從一個(gè)靜止機(jī)構(gòu)傳輸?shù)搅硪贿\(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的精密傳導(dǎo)器件[1]。被廣泛用于智慧安防、工業(yè)自動(dòng)化、清潔新能源、儀器儀表、航空航天等領(lǐng)域[2]。隨著國(guó)防科技、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，需要導(dǎo)電滑環(huán)這一精密傳導(dǎo)器件的電流傳輸和信號(hào)傳輸具有較高的穩(wěn)定性，這也引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究[3]。

長(zhǎng)期以來(lái)，高精度，長(zhǎng)壽命，穩(wěn)定性好的高端滑環(huán)主要用于軍工領(lǐng)域，如軍用雷達(dá)、衛(wèi)星、高端武器等精密設(shè)備中，而民用領(lǐng)域的工業(yè)滑環(huán)可靠性和壽命相對(duì)較低。但是，在如今智慧互聯(lián)的數(shù)字化安防時(shí)代，高清的網(wǎng)絡(luò)視頻信號(hào)傳輸對(duì)導(dǎo)電滑環(huán)器件提出了更高的要求[4]。

2 觸帽型導(dǎo)電滑環(huán)的壽命影響因素

在安防領(lǐng)域常用電接觸帽型導(dǎo)電滑環(huán)，主要傳輸電流、控制信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)等。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為帶有信號(hào)輸入/輸出導(dǎo)線(xiàn)的轉(zhuǎn)子和定子兩個(gè)部分，轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以任意角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，定子固定在靜止機(jī)構(gòu)上保持不動(dòng)，兩者通過(guò)運(yùn)動(dòng)解除副傳遞信號(hào)。

轉(zhuǎn)子由導(dǎo)電環(huán)，絕緣材料，外接導(dǎo)線(xiàn)和軸承等部分組成；導(dǎo)電環(huán)和轉(zhuǎn)子導(dǎo)線(xiàn)焊接完成后固定在中心軸上，不同通道的導(dǎo)電環(huán)通過(guò)絕緣材料相互隔開(kāi)[5]。定子由電刷絲、粘結(jié)材料、絕緣支架、法蘭外殼等部分組成，電刷絲和定子端線(xiàn)材焊接完成后通過(guò)樹(shù)脂膠水固定在絕緣支架上，外部使用法蘭外殼進(jìn)行包裹保護(hù)。其中，導(dǎo)電滑環(huán)是通過(guò)內(nèi)部導(dǎo)電環(huán)和電刷絲組成一對(duì)接觸副，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中信號(hào)的聯(lián)通。

影響電接觸帽型導(dǎo)電滑環(huán)壽命和可靠性的因素有滑環(huán)接觸副的接觸電阻、動(dòng)態(tài)接觸電阻波動(dòng)值、接觸副之間的摩擦力矩、特征阻抗匹配程度、系統(tǒng)共模干擾等[6]。而這些因素和導(dǎo)電滑環(huán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電接觸材料、摩擦副的接觸形式、接觸壓力密切相關(guān)[7]。研究表明，若要正常傳輸百兆網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，導(dǎo)電滑環(huán)單個(gè)通道之間的動(dòng)態(tài)電阻變化值需要控制在30 mΩ以?xún)?nèi)[8]。當(dāng)動(dòng)態(tài)接觸阻抗波動(dòng)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)時(shí)產(chǎn)生較大的噪聲波動(dòng)，造成網(wǎng)絡(luò)信號(hào)丟失，影響導(dǎo)電滑環(huán)可靠性和壽命。減小導(dǎo)電滑環(huán)的動(dòng)態(tài)接觸阻抗波動(dòng)值，需要選用導(dǎo)電性好的電接觸材料。電接觸材料的導(dǎo)電耐磨性越好，接觸壓力越大，導(dǎo)電滑環(huán)的接觸電阻和動(dòng)態(tài)接觸電阻波動(dòng)值越小，導(dǎo)電滑環(huán)信號(hào)傳輸穩(wěn)定性越高，但導(dǎo)電滑環(huán)摩擦副的磨損會(huì)越嚴(yán)重[9-10]。

因此，獲得最佳匹配的電接觸材料，合理的接觸形式和接觸壓力，是提高導(dǎo)電滑環(huán)可靠性和壽命的關(guān)鍵。

3 導(dǎo)電滑環(huán)電接觸材料

在傳輸電流和電信號(hào)的過(guò)程中，導(dǎo)電環(huán)和電刷絲長(zhǎng)期處于滑動(dòng)接觸狀態(tài)，在載荷和電流的雙重耦合作用下，出現(xiàn)機(jī)械磨損和電氣磨損，直接影響導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命和可靠性。因此，為了滿(mǎn)足導(dǎo)電滑環(huán)壽命和接觸穩(wěn)定的要求，導(dǎo)電環(huán)和電刷絲此類(lèi)電接觸材料一般采用貴金屬材料，常用的電接觸材料主要有銀基電接觸材料、鉑基電接觸材料、金基電接觸材料、鈀基電接觸材料。以下總結(jié)了不同滑環(huán)和電刷絲的電接觸材料的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 不同電接觸材料的優(yōu)缺點(diǎn)

在實(shí)際應(yīng)用中，單一成分的電接觸材料往往無(wú)法滿(mǎn)足導(dǎo)電滑環(huán)器件的使用要求，目前常用的導(dǎo)電環(huán)和電刷絲材料主要以合金為主。導(dǎo)電環(huán)和電刷絲作為一對(duì)互配的電接觸摩擦副，需要綜合考慮耐磨和電接觸性能。

根據(jù)使用場(chǎng)景的不同，電刷絲材料主要有銀基合金材料AgCuNi、和金基合金材料AuNi、AuNiGd[15]。試驗(yàn)結(jié)果顯示Au基合金材料制成的電刷絲耐磨損性能較好，加入稀土金屬元素可以彌補(bǔ)刷絲熔焊性差的缺陷，以此來(lái)獲得良好的電學(xué)和機(jī)械綜合性能。Au基合金材料主要用于高性能導(dǎo)電滑環(huán)的電刷絲[16]，而Ag基合金材料制成的電刷絲具有易于加工，價(jià)格低廉等明顯的優(yōu)勢(shì)，在普通工業(yè)產(chǎn)品中使用普遍。

導(dǎo)電環(huán)電接觸材料的選擇考量較多的是導(dǎo)電系數(shù)、耐磨系數(shù)和抗氧化能力，常用的是AgCu、AgCuV、AuAgCu、PtIr、PdNiCu等[17]，此類(lèi)貴金屬合金材料的價(jià)格較高，而導(dǎo)電滑環(huán)器件中導(dǎo)電環(huán)的用量較大，在普通的工業(yè)用導(dǎo)電滑環(huán)領(lǐng)域，通常在AgCu合金的基體上電鍍貴金屬來(lái)獲得成本和導(dǎo)電、焊接、耐磨等性能的平衡。

其中，在安防領(lǐng)域，導(dǎo)電滑環(huán)的電刷絲和導(dǎo)電環(huán)分別采用AgCuNi合金和H59銅合金材料鍍金處理，這樣既可以滿(mǎn)足電接觸材料導(dǎo)電，易于加工的特性，又可以提高互配摩擦副的耐磨性。圖2是導(dǎo)電環(huán)和電刷絲配合的工作原理圖。

圖2 導(dǎo)電環(huán)和電刷絲工作原理圖

4 不同電接觸材料導(dǎo)電滑環(huán)的可靠性

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究電接觸材料與導(dǎo)電滑環(huán)壽命及可靠性之間的關(guān)系，采用圖1中安防行業(yè)通用導(dǎo)電滑環(huán)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，保持接觸形式和接觸壓力不變的條件下，更換不同的電接觸材料制作成導(dǎo)電滑環(huán)。通過(guò)測(cè)試不同電接觸材料導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命來(lái)評(píng)估其網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸情況，并對(duì)比分析不同電接觸材料的磨損情況，研究電接觸材料和導(dǎo)電滑環(huán)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸穩(wěn)定性的關(guān)系。

圖1 帽型導(dǎo)電滑環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

電接觸材料中的電刷絲使用常見(jiàn)的Ag78Cu20Ni2材料，通過(guò)更換不同的導(dǎo)電環(huán)電接觸材料制成5種導(dǎo)電滑環(huán)，對(duì)其進(jìn)行使用壽命測(cè)試。具體的測(cè)試傳輸鏈路如圖3所示。

圖3 導(dǎo)電滑環(huán)測(cè)試原理簡(jiǎn)圖

將攝像機(jī)和導(dǎo)電滑環(huán)測(cè)試樣品通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接，再接入網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī)（NVR，NetworkVideoRecorder），并通過(guò)顯示器實(shí)時(shí)顯示視頻信號(hào)傳輸畫(huà)面。測(cè)試原理即模擬導(dǎo)電滑環(huán)器件在安防產(chǎn)品中的實(shí)際應(yīng)用情況，將導(dǎo)電滑環(huán)串聯(lián)如網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸鏈路，且在高低溫循環(huán)條件下讓導(dǎo)電滑環(huán)在測(cè)試工裝上以恒定速率旋轉(zhuǎn)，如圖4原理簡(jiǎn)圖所示。將所有導(dǎo)電滑環(huán)網(wǎng)絡(luò)傳輸碼流設(shè)置為4 096 Kb/S，采用同一解碼方式，通過(guò)視頻信號(hào)的通斷來(lái)判斷導(dǎo)電滑環(huán)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸情況。

表2 測(cè)試環(huán)境中的相關(guān)參數(shù)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)多次試驗(yàn)，排除導(dǎo)電滑環(huán)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸鏈路中其他因素的干擾，以視頻信號(hào)出現(xiàn)斷線(xiàn)即網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸不暢時(shí)，測(cè)試工裝記錄的累計(jì)轉(zhuǎn)速作為該導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命。具體測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 不同電接觸材料導(dǎo)電滑環(huán)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸壽命

對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，不同電接觸材料制成導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命各不相同。樣品A、B和C的電接觸摩擦副的導(dǎo)電環(huán)和電刷絲均為AgCuNi材料，區(qū)別在于Ag含量不同。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在電刷絲的Ag含量為78%的條件下，導(dǎo)電環(huán)材料的Ag含量越高，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電滑環(huán)器件的使用壽命越低。在保持電刷絲材料為AgCuNi不變的條件下，當(dāng)在導(dǎo)電環(huán)AgCuNi合金中添加稀土元素后，導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命有明顯的提升，達(dá)到了1 000萬(wàn)轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)樣品D測(cè)試數(shù)據(jù)。此外，在傳統(tǒng)的H59銅材料表面電鍍1～3 μm的AuCoNi合金鍍層后，導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命隨著鍍金層厚度的增加而增加，在300～500萬(wàn)轉(zhuǎn)之間。

4.3 結(jié)果分析

（1）電接觸材料的動(dòng)態(tài)接觸電阻分析

使用GOM-802精密電阻測(cè)試儀分析測(cè)試5種不同電接觸材料組成的互配摩擦副導(dǎo)電滑環(huán)的動(dòng)態(tài)電阻變化值，將動(dòng)態(tài)電阻變化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后如圖4所示。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可得，隨著電接觸材料中Ag含量的增加，導(dǎo)電滑環(huán)的動(dòng)態(tài)接觸電阻變化值逐漸減小，這和Ag的良好導(dǎo)電性有關(guān)。在接觸形式和接觸壓力不變的情況下，電接觸材料導(dǎo)電環(huán)中的Ag含量比例增加，可以提高合金材料中的電子遷移率，有效降低摩擦副之間的接觸電阻，減小動(dòng)態(tài)阻抗的波動(dòng)值。

圖4 不同電接觸材料導(dǎo)電滑環(huán)樣品的動(dòng)態(tài)接觸電阻變化值

將樣品E和樣品A、B、C、D的動(dòng)態(tài)接觸電阻對(duì)比，AgCuNi合金材料組成的摩擦副動(dòng)態(tài)阻抗波動(dòng)值低于H59銅電鍍AuCoNi合金組成的摩擦副。

（2）電接觸材料的硬度分析

為了研究不同種電接觸材料硬度和磨損情況之間的關(guān)系，使用Micro Vicker HV-1000Z數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)測(cè)試電接觸合金材料的表面硬度，測(cè)試原理如下：

式中F代表加載力；S代表菱形壓痕的面積；α代表金剛石壓頭相對(duì)面的夾角，136°；D代表壓痕兩對(duì)角線(xiàn)的算術(shù)平均值。

顯微維氏硬度測(cè)試結(jié)果如圖5所示，電刷絲材料的顯微維氏硬度為HV187.1，而不同導(dǎo)電環(huán)的銀合金材料中隨著Ag含量的增加，顯微維氏硬度在逐漸降低。當(dāng)向AgCuNi合金中添加稀土金屬元素后，導(dǎo)電環(huán)電接觸材料獲得最小硬度值HV101，遠(yuǎn)低于H59銅合金的表面硬度。結(jié)合不同電接觸材料導(dǎo)電滑環(huán)器件的使用壽命分析，硬度配合為HV101的導(dǎo)電環(huán)和HV187.1的電刷絲有利于提高導(dǎo)電滑環(huán)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，使導(dǎo)電滑環(huán)器件具有最高使用壽命。

圖5 不同電接觸材料的顯微硬度

（3）電接觸材料的顯微結(jié)構(gòu)分析

使用Leica-CMS光學(xué)顯微鏡和JSM-7610F Plus掃描電子顯微鏡在微觀條件下進(jìn)一步分析電接觸材料的表面形貌和顯微組織，顯微圖片如圖6所示：

對(duì)比不同電接觸材料壽命測(cè)試完的導(dǎo)電環(huán)和電刷絲顯微圖片可以發(fā)現(xiàn)，銀含量為95%的導(dǎo)電滑環(huán)樣品壽命測(cè)試后，導(dǎo)電環(huán)機(jī)械磨損嚴(yán)重，產(chǎn)生的金屬磨屑較多，對(duì)應(yīng)圖6中的a和b。在AgCuNi合金材料中添加稀土元素， 1000萬(wàn)轉(zhuǎn)壽命測(cè)試后，導(dǎo)電環(huán)和電刷絲的磨損較小，對(duì)應(yīng)圖6中的c和d。結(jié)合顯微維氏硬度測(cè)試數(shù)據(jù)，當(dāng)導(dǎo)電環(huán)中Ag含量越高，導(dǎo)電環(huán)的硬度越小，在電接觸的運(yùn)動(dòng)摩擦副中容易發(fā)生黏著磨損和磨粒磨損，隨著摩擦副運(yùn)動(dòng)的加劇，產(chǎn)生的金屬磨損微粒也越多，直接影響導(dǎo)電滑環(huán)的動(dòng)態(tài)接觸電阻，致使導(dǎo)電滑環(huán)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸不穩(wěn)定，視頻信號(hào)傳輸不暢，影響導(dǎo)電滑環(huán)的壽命。

圖6 不同電接觸材料導(dǎo)電滑環(huán)接觸副顯微圖片

此外，樣品E中的導(dǎo)電環(huán)材料為顯微維氏硬度為HV182.4的H59銅鍍金，與顯微維氏硬度為HV187.1的AgCuNi材料電刷絲組成的摩擦副在壽命測(cè)試后，電刷絲出現(xiàn)磨損斷裂，磨損程度最為嚴(yán)重，如圖e和f。由此說(shuō)明，導(dǎo)電滑環(huán)器件中的導(dǎo)電環(huán)和電刷絲硬度接近時(shí)，影響導(dǎo)電滑環(huán)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸穩(wěn)定性的主要因素是機(jī)械磨損，導(dǎo)電環(huán)和電刷絲的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)使相對(duì)薄弱的電刷絲磨損嚴(yán)重，甚至是電刷絲磨斷，這不利于導(dǎo)電滑環(huán)壽命的提升。

使用JSM-7610F Plus掃描電子顯微鏡對(duì)比分析AgCuNiRE合金和AgCuNi合金電接觸材料壽命測(cè)試后的微觀形貌，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。從SEM圖像中可以看出，AgCuNiRE電接觸材料磨損程度較AgCuNi合金材料小，說(shuō)明在同等條件下，在AgCuNi電接觸材料中添加稀土金屬RE可以有效提高其耐磨性，保障導(dǎo)電滑環(huán)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。結(jié)合相關(guān)研究數(shù)據(jù)[18-21]，AgCuNi合金材料中的稀土金屬元素以第二相的形式存在于晶體結(jié)構(gòu)中，部分稀土元素會(huì)和晶界結(jié)合，起到釘扎保護(hù)的作用，阻止AgCuNi合金材料中滑移和位錯(cuò)等缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展，使合金材料保持原有的晶格形態(tài)，可以提高基體的耐磨性和電子遷移率，使電接觸材料間長(zhǎng)久的保持著良好的電接觸，減小運(yùn)動(dòng)摩擦副之間的動(dòng)態(tài)接觸電阻變化，進(jìn)而保障網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，達(dá)到提高導(dǎo)電滑環(huán)壽命和可靠性的目的。

圖7 電接觸材料壽命測(cè)試后的SEM圖像

5 結(jié)論

本文研究了不同電接觸材料導(dǎo)電滑環(huán)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸?shù)奶匦裕C合分析得出以下結(jié)論：

（1）在導(dǎo)電滑環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，摩擦副會(huì)受到機(jī)械磨損和電氣磨損的雙重耦合作用。傳統(tǒng)導(dǎo)電滑環(huán)電接觸材料H59銅鍍金的導(dǎo)電環(huán)和Ag78Cu20Ni2的電刷絲組成互配摩擦副，兩者硬度均在HV180～HV190之間，主要以機(jī)械磨損中的黏著磨損和磨粒磨損為主，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電刷絲磨斷，最終影響網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸穩(wěn)定性。

（2）導(dǎo)電滑環(huán)器件中，硬度為HV101的電刷絲和HV187.1的導(dǎo)電環(huán)為合理的硬度配合，有助于減小電接觸材料之間的機(jī)械磨損，提高導(dǎo)電滑環(huán)的導(dǎo)電性。

（3）在電接觸材料中增加Ag的比例可以有效減小導(dǎo)電滑環(huán)的動(dòng)態(tài)接觸阻抗，并且會(huì)降低電接觸材料的硬度，有利于提高導(dǎo)電滑環(huán)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸穩(wěn)定性。

（4）在電接觸材料Ag90Cu6Ni合金中添加稀土金屬RE，可以阻止電接觸材料內(nèi)部晶格缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展，提高導(dǎo)電環(huán)的耐磨性和導(dǎo)電性，保障導(dǎo)電滑環(huán)的網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定性和可靠性，使其使用壽命提升85%，達(dá)到1 000萬(wàn)轉(zhuǎn)。