電連接器微動(dòng)腐蝕損傷行為與機(jī)理研究綜述

郁大照，劉琦,2，馮利軍，程賢斌,4

（1.海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264000；2.92279 部隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264000；3.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；4.92095 部隊(duì)，浙江 臺(tái)州 318000）

電連接器是廣泛應(yīng)用于配電或傳輸信號(hào)的重要電氣部件，其連接的性能指標(biāo)、質(zhì)量和可靠性水平對(duì)整個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)具有不可忽視的制約和影響作用。電連接器看似結(jié)構(gòu)簡單，但其失效概率卻是最高的，現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示，連接器的退化和故障造成了30%～60%的電接觸問題[1]。電連接器的核心，是以確保電路連續(xù)為目的的電氣/電子設(shè)備的載流元件之間的界面以及包含該界面的部件，定義為電接觸[2]。當(dāng)電連接器處于振動(dòng)、沖擊或溫度變化等環(huán)境時(shí)，接觸件之間可能出現(xiàn)斷路、接觸不良或瞬間斷電等失效問題[3]。典型案例[4]為，將傳輸高速信號(hào)的銅基接觸件暴露于高接觸壓力下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生黑色的細(xì)小侵蝕粉末（CuO），并可能在某一瞬間填充于接觸表面的觸點(diǎn)之間，形成一個(gè)周期為1 μs 的電氣斷路（MIL-STD-202 和GJB360B要求斷路不超過10 μs）。在模擬系統(tǒng)中，短時(shí)間的開路絕不會(huì)被注意到。然而，在高速電子多路傳輸技術(shù)或邏輯電路中，這種開路至少會(huì)造成7～10 個(gè)數(shù)據(jù)位的信息丟失，從而造成各種各樣的問題。比如，汽車的氣囊在撞擊中可能不會(huì)打開，飛機(jī)攜帶的導(dǎo)彈在飛行員按動(dòng)發(fā)射按鈕時(shí)可能不會(huì)點(diǎn)火，而當(dāng)收到錯(cuò)誤的信號(hào)時(shí)，可能發(fā)生導(dǎo)彈墜落或爆炸等災(zāi)難。

在機(jī)械振動(dòng)、疲勞載荷、電磁振動(dòng)或者熱循環(huán)等交變載荷作用下，名義上相對(duì)靜止的接觸表面之間發(fā)生的振幅極小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（位移幅值一般為微米量級(jí)），稱之為“微動(dòng)”[5]。在電接觸領(lǐng)域中，微動(dòng)主要來源于以下4 個(gè)方面：1）外界振動(dòng)以及溫度發(fā)生的變化[6]；2）電連接材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，導(dǎo)致接觸界面匹配狀態(tài)發(fā)生變化；3）工作環(huán)境中的電磁力變化，導(dǎo)致連接件的周期性松動(dòng)，發(fā)生界面有規(guī)律的摩擦磨損等；4）預(yù)緊應(yīng)力的衰減乃至消失。連接件都存在一個(gè)最初的預(yù)緊力，以保證良好的導(dǎo)電性能。但是隨著觸頭的使用次數(shù)增加，服役時(shí)間延長，預(yù)緊力會(huì)逐漸減弱乃至散失，導(dǎo)致接觸界面出現(xiàn)由最初的緊貼狀態(tài)到逐漸發(fā)生界面微幅滑移等現(xiàn)象[7]。實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，10-8cm（<100 nm）量級(jí)的振幅足以產(chǎn)生微動(dòng)[8]。Mindlin[9]證明了微動(dòng)發(fā)生的最小滑移幅度為：

其中，a為接觸外圓直徑，E為楊氏模量，v為泊松比，P為法向力，μ為靜態(tài)接觸表面之間的摩擦系數(shù)，T為切向力（T<μP）。

由于微動(dòng)現(xiàn)象與機(jī)理的復(fù)雜性，對(duì)微動(dòng)問題的研究又可細(xì)分為微動(dòng)磨損、微動(dòng)疲勞和微動(dòng)腐蝕（fretting corrosion）3 個(gè)研究方向[10]。通常研究者根據(jù)具體問題的性質(zhì)和特定的研究目的，對(duì)3 種微動(dòng)類型進(jìn)行區(qū)分。當(dāng)將微動(dòng)過程與環(huán)境介質(zhì)影響結(jié)合考慮時(shí)，就形成了一個(gè)復(fù)雜的涉及機(jī)械運(yùn)動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)等因素共同作用的微動(dòng)腐蝕問題。所以在分析微動(dòng)腐蝕過程中，既要考慮材料受到微動(dòng)和腐蝕影響的單獨(dú)作用，也要注意它們的相互影響和交互作用。

由于機(jī)械、電氣和環(huán)境條件等因素的影響，微動(dòng)腐蝕成為電接觸件的主要失效機(jī)制之一[1]，因此對(duì)電接觸微動(dòng)腐蝕研究的全面了解具有重要意義。本文主要綜述了電連接器微動(dòng)腐蝕損傷行為與機(jī)理以及主要的研究方法，并提出了未來研究的發(fā)展趨勢(shì)。

1 電連接器微動(dòng)腐蝕損傷行為與機(jī)理

1.1 微動(dòng)腐蝕損傷行為研究

人們對(duì)電接觸微動(dòng)腐蝕問題的認(rèn)識(shí)是隨著工業(yè)社會(huì)的發(fā)展逐步深入的，大致可以劃分為基礎(chǔ)學(xué)科建立和學(xué)科交叉融合兩個(gè)階段。

第一階段為20 世紀(jì)初至50 年代的基礎(chǔ)學(xué)科建立階段。一方面，人們通過機(jī)械磨損認(rèn)識(shí)到了微動(dòng)腐蝕問題的存在及其危害，開始探索微動(dòng)腐蝕的規(guī)律與機(jī)理。1939 年，Tomlinson 等[11]首先通過試驗(yàn)，研究了緊密配合接觸表面的微動(dòng)腐蝕特性，并在對(duì)現(xiàn)象機(jī)理的理論探討中摒棄了傳統(tǒng)的機(jī)械磨損理念，提出了可能與疲勞效應(yīng)密切相關(guān)的分子磨損過程。1954 年，Uhigh[12]認(rèn)為機(jī)械和化學(xué)因素共同作用導(dǎo)致了微動(dòng)腐蝕行為，并概述了可采取的補(bǔ)救措施。另一方面，“電接觸”理論迅速發(fā)展為一門獨(dú)立的學(xué)科，以Ragnar Holm 在1958 年出版《電接觸》一書為標(biāo)志。

第二階段為 20 世紀(jì) 60 年代至今。1964 年Fairweather 等[13]報(bào)道了微動(dòng)引起電話繼電器和開關(guān)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，但微動(dòng)作用并沒有作為導(dǎo)致電連接失效的重要影響因素而受到足夠的重視。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與工程實(shí)踐的需要，電接觸應(yīng)用的需求急劇增加，特別是電氣電子學(xué)的飛速發(fā)展對(duì)電接觸質(zhì)量和可靠性的要求不斷提高，對(duì)電接觸的應(yīng)用提出了新的挑戰(zhàn)，因此人們對(duì)電接觸微動(dòng)腐蝕的危害作用也越來越重視。研究人員圍繞影響電連接器微動(dòng)腐蝕的因素進(jìn)行了大量工作，主要包括材料、鍍層種類和厚度、接觸力、振幅、頻率、溫度、相對(duì)濕度、氣體氛圍等，并試圖不斷提高電接觸的耐久性。這里列舉了其中比較活躍的研究團(tuán)隊(duì)和作者以及他們的主要工作。

德國東威斯特法倫立珀大學(xué)的Song 等[14-18]通過試驗(yàn)測定接觸電阻值（ECR）和使用壽命的方式，研究了多種因素對(duì)鍍錫、鍍鎳和鍍銀電觸點(diǎn)微動(dòng)腐蝕行為的影響。該團(tuán)隊(duì)通過試驗(yàn)證明，增加真空度會(huì)阻礙磨屑氧化物的形成過程，使鍍錫電觸點(diǎn)的微動(dòng)壽命被延長，并測量計(jì)算了真空度與壽命的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系。該團(tuán)隊(duì)還測量計(jì)算了不同溫度、幅值、法向力、鍍層厚度和樣品幾何形狀對(duì)電觸頭壽命的影響。此外，該團(tuán)隊(duì)還從微動(dòng)腐蝕試驗(yàn)壽命、磨損深度、接觸區(qū)的元素分布和磨損過程等方面，研究了第三體對(duì)電觸點(diǎn)耐磨性和電性能的影響。

法國里昂中央學(xué)院的S. Fouvry 等[19-22]運(yùn)用典型實(shí)驗(yàn)和分析模型相結(jié)合的方法，研究了不同鍍層電觸點(diǎn)的失效行為和耐久性，并量化描述了微動(dòng)滑動(dòng)振幅、法向力、材料性能以及鍍層厚度等因素的影響。該團(tuán)隊(duì)在試驗(yàn)中觀察到，貴金屬鍍層可以緩解氧化碎片層的形成，但只能延遲電觸點(diǎn)的磨損變形，磨損到基底金屬后，會(huì)再次觀察到高且不穩(wěn)定的電阻。該團(tuán)隊(duì)還提出，從部分滑移狀態(tài)到全局滑移狀態(tài)對(duì)微動(dòng)磨損壽命有著從無限到有限的影響。因此，為了預(yù)測連接器的電氣性能，確定電接觸之間的臨界躍遷幅度δt十分必要。

北京郵電大學(xué)的許良君、蘆娜等[2]翻譯出版了電接觸研究專著《電接觸理論、應(yīng)用與技術(shù)》，填補(bǔ)了國內(nèi)沒有全面、深入介紹電接觸理論著作的空白，專著中包含了有關(guān)微動(dòng)腐蝕的內(nèi)容。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的任萬濱等[23-26]利用自制的電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)微動(dòng)導(dǎo)致的電接觸失效行為進(jìn)行了系列研究。該團(tuán)隊(duì)從微動(dòng)腐蝕的誘因之一—振動(dòng)環(huán)境著手，對(duì)不同振幅和振動(dòng)頻率條件組合下ECR 的響應(yīng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，證實(shí)了ECR 的瞬態(tài)波動(dòng)頻率與振動(dòng)頻率相同，且只有當(dāng)振動(dòng)幅值超過0.1 mm量級(jí)時(shí)，ECR 才有顯著變化。在溫度對(duì)鍍金觸點(diǎn)的影響研究中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度、摩擦產(chǎn)生的熱以及電流引起的焦耳熱對(duì)觸點(diǎn)微動(dòng)腐蝕的影響是一把雙刃劍：額外的熱量一方面使鍍層軟化，增加有效接觸面積；另一方面提高了總氧化腐蝕速率。

西南交通大學(xué)的劉新龍、蔡振兵等[7,27-30]利用自制的壓電陶瓷微動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，研究了位移幅值、法向載荷、電流、溫度以及不同氣氛、材料對(duì)微動(dòng)腐蝕行為的影響。該團(tuán)隊(duì)在研究溫度對(duì)銅觸點(diǎn)的影響中發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，磨損中材料的粘附和轉(zhuǎn)移減少，有利于保持電觸點(diǎn)有效接觸面積，而阻礙ECR 升高，另一方面，粘附與氧化存在競爭機(jī)制，氧化物增多又增加了膜層電阻。該團(tuán)隊(duì)還對(duì)不同銅-石墨比復(fù)合材料的耐磨性和電接觸耐久性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)扁平試樣的石墨顆粒分層，并在接觸面之間形成石墨摩擦膜，該膜具有優(yōu)異的潤滑性能，但提高石墨含量的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致電導(dǎo)率降低，因此開發(fā)此復(fù)合材料的關(guān)鍵因素在于尋找最優(yōu)的銅-石墨比。

1.2 微動(dòng)腐蝕損傷機(jī)理研究

電連接器的接觸件必須導(dǎo)通且接觸可靠，其接觸狀態(tài)的變化可通過ECR 來進(jìn)行判斷，超過一定閾值即可判定為接觸失效[31]。

接觸表面在微觀上是粗糙不平的，兩個(gè)工程物體之間的接觸發(fā)生在兩個(gè)表面的凸體機(jī)械接觸所產(chǎn)生的離散點(diǎn)上。對(duì)于所有固體材料，在很大范圍的接觸載荷下，其真實(shí)接觸面積僅為公稱接觸面積的一小部分。因此，電流流過的“a 斑點(diǎn)（a-spots）”面積要比實(shí)際接觸面積小得多，如圖1 所示。當(dāng)接觸界面接近時(shí)，電流線變得越來越扭曲，而流線束在一起通過單獨(dú)的a 斑點(diǎn)時(shí)，a 斑點(diǎn)對(duì)電流的收縮使作用于導(dǎo)電的材料體積減小，從而增加了電阻。這種由于電流線通過a 斑點(diǎn)時(shí)收縮而增加的電阻定義為收縮電阻。

圖1 實(shí)際接觸面積和電流收縮的示意圖[2]Fig.1 Schematic diagram of actual contact area and electric current constriction[2]

在配合元件為金屬的電接口中，接觸面通常覆蓋有氧化物或其他電絕緣層。一般來說，只有當(dāng)金屬對(duì)金屬的觸點(diǎn)真正形成接觸時(shí)，即在接觸表面的粗糙處電絕緣膜破裂或移位時(shí)，界面才具有導(dǎo)電性。通常，接觸表面存在污染物膜，膜層會(huì)導(dǎo)致a 斑點(diǎn)的電阻增加，使其超過收縮電阻值。由于接觸表面污染膜的阻礙作用而增加的電阻稱為膜層電阻。收縮電阻與膜層電阻之和稱為接觸電阻（ECR）[2]。

1985 年，Antler[32]對(duì)自己和其他研究者發(fā)表的微動(dòng)研究成果作出了批判性評(píng)論，包括微動(dòng)機(jī)理、試驗(yàn)參數(shù)、不同材料的微動(dòng)行為以及潤滑劑的作用等方面。Antler 在其中描述的微動(dòng)腐蝕模型如圖2 所示，最早在1955 年Waterhouse 等[33]也曾發(fā)表過與之相似的描述。錫鉛焊料之間的微動(dòng)腐蝕過程為：首先，接觸副之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使金屬表面磨損產(chǎn)生碎屑，碎屑隨即被氧化；之后，新舊氧化物在力和運(yùn)動(dòng)的作用下變得致密并累積，ECR 增大；長期使用后，會(huì)形成一層較厚的絕緣層，接觸力不能再破壞這層絕緣層，導(dǎo)致ECR 顯著增加，電觸點(diǎn)不再可靠工作。

圖2 Antler 描述的微動(dòng)腐蝕模型示意圖[32]Fig.2 Schematic diagram of fretting corrosion model described by Antler[32]

1993 年，Bryant[34]在Antler 描述的微動(dòng)腐蝕模型基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步的研究。Bryant 描述的模型假設(shè)微動(dòng)振動(dòng)分離了接觸表面，使原始金屬a 斑點(diǎn)暴露在環(huán)境污染物的侵蝕下，具體過程如圖3 所示。通過分析得出，ECR 是隨時(shí)間單調(diào)增加的，且最初增長緩慢，隨后迅速增長。

圖3 Bryant 描述的微動(dòng)腐蝕模型示意圖[34]Fig.3 Schematic diagram of fretting corrosion model described by Bryant[34]: a) rough contact surface cleaned initially; b) film formed by corrosion erosion when the surface is relatively fretting; c) reverse fretting causes the corrosion layer to be sheared; d)continuous fretting causes repeated corrosion and erosion on the contact surface; e) the corrosion layer between the rough contact surfaces is damaged, and the corrosion products are mixed with the rough metal; f) the resistance value increases after the rough surface is polluted by corrosion products; g) corrosion debris completely fills the valley

Antler 和Bryant 描述的微動(dòng)腐蝕模型，代表了20 世紀(jì)人們對(duì)電接觸微動(dòng)腐蝕的經(jīng)典認(rèn)知。隨著試驗(yàn)設(shè)備、測量體系、失效分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，對(duì)微動(dòng)腐蝕的研究方法更加成熟多樣。借助掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散X 射線光譜儀（EDX）等微觀分析手段，目前受到普遍認(rèn)可和使用的觀點(diǎn)是：不同的微動(dòng)磨損狀態(tài)是影響ECR 波動(dòng)的直接原因。

當(dāng)平行于界面方向施加的力超過配合表面之間的摩擦力時(shí)，接觸界面就會(huì)發(fā)生微動(dòng)運(yùn)動(dòng)，如圖4 所示。假設(shè)發(fā)生了振幅為δ的界面位移，δ的大小決定了接觸表面損傷狀態(tài)，進(jìn)而影響收縮電阻和膜層電阻。

圖4 電連接器微動(dòng)腐蝕SEM 形貌和EDX 元素圖[35]Fig.4 SEM image and EDX elements maps of electrical connectors[35]

1）粘著狀態(tài)。此狀態(tài)下，觸面間的宏觀位移主要由兩部件表層區(qū)域的彈性變形所調(diào)節(jié)。粗糙表面的凸體粘著連接，使接觸界面保持粘著接觸狀態(tài)，位移較大時(shí)則會(huì)引起微動(dòng)方向上的塑性變形和剪切作用。根據(jù)材料、接觸幾何和其他因素，大約1 μm 的運(yùn)動(dòng)可能會(huì)發(fā)生粘著狀態(tài)。雖然在初始階段基本上不會(huì)產(chǎn)生可檢測的表面損傷，但由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致表面疲勞裂紋的形核和擴(kuò)展，特別是沿著接觸區(qū)域的邊緣，這將導(dǎo)致磨損碎片的形成，因此不能將粘著狀態(tài)視為非微動(dòng)。

2）部分滑移狀態(tài)。如果δ小于臨界躍遷幅度δt，如圖5 中虛線左側(cè)所示，滑動(dòng)狀態(tài)被定義為部分滑移。在這種界面運(yùn)動(dòng)條件下，有一環(huán)形區(qū)域?qū)?nèi)部粘著區(qū)域包圍，該環(huán)發(fā)生滑移但位移很小，力-位移曲線類似于以原點(diǎn)為中心的滯回曲線。在小的局部滑移振幅下，粘著區(qū)仍然相對(duì)無損，但周圍的環(huán)形滑移區(qū)可能會(huì)形成裂紋、微動(dòng)疲勞和磨損碎片。對(duì)應(yīng)的SEM形貌和EDX 元素圖見圖4a，其中的電觸點(diǎn)為銅材質(zhì)鍍錫，銅和錫之間鍍鎳作為墊層。中心粘著區(qū)以完美的金屬-金屬接觸保證了接觸導(dǎo)電性，而在外部環(huán)形區(qū)，兩個(gè)表面之間發(fā)生了較小的相對(duì)位移，產(chǎn)生了氧化磨屑。

3）全局滑移狀態(tài)。當(dāng)δ大于δt時(shí)，滑移狀態(tài)對(duì)應(yīng)于全局滑移。在這種情況下，滑動(dòng)發(fā)生在整個(gè)接觸區(qū)域，力-位移曲線本質(zhì)上為梯形，如圖5 中虛線右側(cè)所示。切向力T與位移幅值δ無關(guān)，與法向接觸力P根據(jù)常規(guī)關(guān)系T=μP有關(guān)，其中μ為摩擦系數(shù)。初始全局滑移有利于消除表面原生氧化物，促進(jìn)金屬與金屬之間的強(qiáng)烈相互作用。在每個(gè)滑動(dòng)周期中，粗糙表面的凸體粘著連接狀態(tài)被打破，凸體滑過對(duì)應(yīng)表面的多個(gè)凸體。如果發(fā)生分層磨損，損傷會(huì)更加嚴(yán)重。對(duì)應(yīng)的SEM 形貌和EDX 元素圖見圖4c，鍍錫層已經(jīng)完全磨損，鎳覆蓋了整個(gè)表面接觸區(qū)，銅基板暴露。此外，高濃度的氧集中在鎳周圍，導(dǎo)致ECR 增大，波動(dòng)較大。

圖5 球面-平板接觸界面的滑移機(jī)制[21]Fig.5 Sliding regimes for a contact interface consisting of a sphere and a flat[21]

4）混合滑移狀態(tài)。顯然，在部分滑移與全局滑移之間將會(huì)有一個(gè)中間滑移區(qū)，該區(qū)域中的位移由部分滑移和全局滑移共同產(chǎn)生，這種滑動(dòng)狀態(tài)定義為混合滑移狀態(tài)。混合滑移狀態(tài)下的微動(dòng)通常表現(xiàn)為先全局滑移、后部分滑移。初始全局滑移有利于消除表面原生氧化物，促進(jìn)形成金屬-金屬冶金結(jié)合。摩擦系數(shù)不斷增大，直至達(dá)到局部滑移條件。隨著微動(dòng)循環(huán)次數(shù)的增加，切向力隨往復(fù)位移的變化由典型的全局滑移演變?yōu)椴糠只频奶卣鳌?duì)應(yīng)的SEM 形貌和EDX 元素圖見圖4b，中央?yún)^(qū)域同時(shí)覆蓋有銅和鎳，整個(gè)損傷區(qū)域和外部區(qū)域可以觀察到氧。

分析4 種微動(dòng)磨損狀態(tài)可知，第一種狀態(tài)對(duì)ECR基本沒有影響，后三種狀態(tài)可能會(huì)造成ECR 波動(dòng)。微動(dòng)接觸在小的部分滑移條件下運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生閉合的微動(dòng)環(huán)，由于內(nèi)部保持了未受損的粘著區(qū)，保證了直接的金屬/金屬相互作用和良好的導(dǎo)電，從而保持低而穩(wěn)定的ECR。當(dāng)位移幅值δ大于臨界躍遷幅度δt時(shí)，整個(gè)微動(dòng)界面發(fā)生全局滑移，促進(jìn)普遍的表面磨損，導(dǎo)致非導(dǎo)電氧化物碎片（可能包含多種材料的氧化物）形成，ECR 與位移幅值的典型變化規(guī)律見圖6[20]。

圖6 ECR 與位移幅值的變化規(guī)律（10 000 次循環(huán)）[20]Fig.6 Evolution of ECR as a function of the displacement amplitude at 10 000 cycles[20]

1.3 主要影響因素

微動(dòng)腐蝕是微動(dòng)磨損與氧化等環(huán)境腐蝕的結(jié)合現(xiàn)象，是一個(gè)涉及機(jī)械運(yùn)動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)共同作用的復(fù)雜問題。已知的影響微動(dòng)的因素可以分為三類，即：材料性能與行為、接觸條件以及環(huán)境條件，如圖7 所示。

圖7 影響微動(dòng)的因素示意圖Fig.7 Schematic representations of the factors affecting fretting

1.3.1 材料性能與行為

1）材料的影響。電接觸材料在使用中會(huì)受到不同的機(jī)械力、熱應(yīng)力和環(huán)境的影響，所以材料特性對(duì)電接觸性能有最直接的影響。材料的楊氏模量和泊松比影響電接觸的機(jī)械性能，電導(dǎo)率和電阻率決定ECR大小，熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱率影響電連接器工作溫度。用于電接觸領(lǐng)域中的金屬材料范圍很廣，文獻(xiàn)[36]將其分為四大類，分別是：銅基、銀基、金基和新型電接觸材料。銅、鋁以及銅鋁合金在大電流領(lǐng)域使用最多，而貴金屬材料及其合金則大多應(yīng)用在小電流接觸領(lǐng)域，純貴金屬主要用作鍍層材料。

2）涂（鍍）層的影響。目前，電子和電氣行業(yè)在電接觸中使用的保護(hù)和耐磨涂層不斷增加。使用涂層不僅有利于控制成本，而且能夠?qū)崿F(xiàn)一些有用的功能，比如：腐蝕和磨損防護(hù)、形成擴(kuò)散阻擋層、構(gòu)成導(dǎo)電電路元件以及在電介質(zhì)表面制造無源器件等。電子/電氣連接器的性能基本上是由表面現(xiàn)象控制的，如污染、氧化、再氧化、硫化物形成、腐蝕等。這些污染物存在于接觸表面，增加了ECR，降低了連接的可靠性[37]。同時(shí)也應(yīng)注意到，盡管涂層具有很多優(yōu)點(diǎn)，仍有許多不利因素，如表面缺陷（孔隙率）、硬度對(duì)基底材料的粘附性、抗氧化性和腐蝕環(huán)境的影響等，會(huì)影響幾乎所有類型的涂層電氣連接。例如，鍍金層如果孔隙率過高，在涉及暴露在高濕度的環(huán)境試驗(yàn)和嚴(yán)重污染的實(shí)驗(yàn)室或戶外環(huán)境中時(shí)，無法起到良好的抗腐蝕作用。在銅基片上加入一層硬質(zhì)鎳中間層，可以明顯提高金鍍層的耐磨性能[38]。穩(wěn)定的鎳層對(duì)長壽命至關(guān)重要，而且通過在金鍍層中添加硬質(zhì)納米顆粒和優(yōu)化合金含量也可以提高耐磨性能[18]。

3）粗糙度的影響。電接觸的粗糙度是包含接觸表面以及鍍層和底板的粗糙度的定量表征。但是在微動(dòng)條件下，測量初始表面粗糙度和ECR 演化之間的直接關(guān)系還有一定的困難，文獻(xiàn)[39]分析認(rèn)為主要原因是：在幾個(gè)往復(fù)循環(huán)之后，微動(dòng)區(qū)表面粗糙度也會(huì)發(fā)生快速變化。如果電接觸微動(dòng)幅值很小，那么提高摩擦系數(shù)就能夠提高摩擦力，當(dāng)摩擦力大到足以與滑動(dòng)切向力抗衡時(shí)，就能夠阻止滑動(dòng)。但是摩擦力增大會(huì)引起嚴(yán)重塑性變形和疲勞失效，促進(jìn)磨損顆粒產(chǎn)生，磨粒在大的摩擦力下形成犁削效應(yīng)，進(jìn)一步加劇接觸表面損傷。然而，如果滑動(dòng)不可避免，則應(yīng)采用小的摩擦系數(shù)，因?yàn)槟Σ亮p小，會(huì)使接觸面的彈性滑動(dòng)增多，以及塑性應(yīng)變的量值和程度降低，有利于保持接觸表面的完好性。

1.3.2 接觸條件

1）力的影響。微動(dòng)腐蝕導(dǎo)致的接觸劣化速率通常隨著接觸載荷的增加而降低。ECR 本質(zhì)上是由接觸力和接觸面積決定的，當(dāng)增大微動(dòng)界面受力時(shí)，界面之間的微動(dòng)腐蝕產(chǎn)物或摩擦聚合物就更容易被穿透，從而抑制了微動(dòng)的危害作用。在滑動(dòng)界面中，增加接觸載荷會(huì)導(dǎo)致更大的摩擦力，從而阻礙運(yùn)動(dòng)，并減輕微動(dòng)腐蝕產(chǎn)物的形成。在連接器中，提高法向負(fù)載會(huì)增加固位力，從而減少微動(dòng)的趨勢(shì)[16]。同時(shí)也要看到，提高接觸載荷只能推遲微動(dòng)腐蝕的發(fā)生，但長時(shí)間的微動(dòng)依然會(huì)導(dǎo)致微動(dòng)疲勞和表面層斷裂。因此，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的接觸件均規(guī)定有最大插入力和最小分離力。大的插拔力有利于保證接觸穩(wěn)定可靠，但同時(shí)插拔力越大也意味著帶來的磨損更大，導(dǎo)致每次插合和分離都會(huì)加劇磨損，甚至使表面受到損傷，在提高接觸不確定性的同時(shí)，又降低了使用壽命。接觸件的插拔力和機(jī)械壽命、接觸件結(jié)構(gòu)、接觸部位鍍層質(zhì)量均直接相關(guān)[40]。插針插孔最理想的設(shè)計(jì)狀態(tài)為：插拔力大小適中，既可以保證插針插孔之間平滑插拔，將插合與分離造成的表面損傷降到最低，又能保證電連接器插合后接觸緊密，ECR 和接觸壓力穩(wěn)定連續(xù)。

2）微動(dòng)頻率的影響。由于微動(dòng)是以一定的速率進(jìn)行的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而腐蝕是時(shí)間的函數(shù)，所以微動(dòng)頻率是微動(dòng)腐蝕試驗(yàn)的重要控制因素之一。對(duì)于非貴金屬涂層接觸，在試驗(yàn)的典型范圍內(nèi)，接觸件在不同頻率下發(fā)生微動(dòng)腐蝕，電阻和金屬體積比隨微動(dòng)周期數(shù)的增加而增加，如圖8 所示[41]。可以觀察到，頻率越低，性能退化速率越快，頻率升高，早期周期的電阻上升變得溫和。這主要是因?yàn)樵谳^低頻率下，氧化物在一個(gè)循環(huán)時(shí)間內(nèi)積累較多。對(duì)于鍍金銅合金電觸點(diǎn)，文獻(xiàn)[23]將其微動(dòng)形態(tài)分為3 類，分別是無限大壽命態(tài)、氧化主導(dǎo)失效態(tài)和瞬態(tài)不穩(wěn)定電導(dǎo)率失效態(tài)，固定振幅增加頻率，會(huì)導(dǎo)致微動(dòng)從部分滑移態(tài)過渡到氧化磨損的全局滑移態(tài)，進(jìn)而過渡到電導(dǎo)率不同的全局滑移態(tài)。

圖8 不同頻率下歸一化電阻和金屬體積比隨微動(dòng)循環(huán)次數(shù)增加而增加[41]Fig.8 Increase of normalized resistance and volume ratio of metal with fretting cycles for different frequencies[41]

3）微動(dòng)振幅的影響。微動(dòng)位移幅值對(duì)ECR 的影響趨勢(shì)為，幅值越大，達(dá)到相同ECR 增量值所需要經(jīng)歷的循環(huán)數(shù)越少。這種趨勢(shì)源于材料在滑動(dòng)過程中，金屬碎片產(chǎn)生和氧化的機(jī)制。在這一前提下，微動(dòng)位移幅值對(duì)ECR 的影響可能取決于表面接觸的化學(xué)性質(zhì)（如易氧化性等）和物理性質(zhì)（如金相組織、表面硬度和匹配材料的厚度等）。最終表現(xiàn)在ECR 上的差異，可以用碎屑移動(dòng)的動(dòng)力學(xué)和接觸區(qū)域內(nèi)a 斑點(diǎn)的形成和隔斷來合理地解釋。微動(dòng)幅值越短，暴露用于氧化作用的接觸點(diǎn)數(shù)越少，可以延遲ECR 增大的時(shí)間；微動(dòng)幅值增加，導(dǎo)致接觸區(qū)域曝露在空氣中的接觸點(diǎn)數(shù)增多，氧化作用加劇，ECR 升高明顯加快，較大的幅值使磨損加劇，摩擦力增大。振幅超過某一臨界值時(shí)會(huì)產(chǎn)生全局滑移，將不可避免地導(dǎo)致電接觸的有限壽命，使用貴金屬涂層也只能延緩故障發(fā)生的時(shí)間[19]。

4）電流的影響。電流對(duì)電接觸性能的影響過程非常復(fù)雜，電流載荷流過電連接器時(shí)，既符合工況規(guī)律又實(shí)時(shí)變化，所以這一個(gè)過程具有循環(huán)反復(fù)的特征。文獻(xiàn)[24]總結(jié)這一過程為，首先，大電流下，觸點(diǎn)因發(fā)熱而軟化，直接導(dǎo)致導(dǎo)電面積變大，并減少電流收縮的發(fā)生，使ECR 大大降低；其次，觸點(diǎn)發(fā)熱可加速接觸區(qū)域的氧化速度，并且伴隨著接觸區(qū)域磨屑的加速氧化，導(dǎo)致ECR 波動(dòng)和急劇上升，但是大電流能夠有效擊穿材料表面形成的氧化膜，消除膜層電阻；最終表現(xiàn)出來的ECR 也保持在較低值。文獻(xiàn)[19]認(rèn)為，交流電和直流電條件下ECR 行為沒有顯著差異，交流電流下的微動(dòng)會(huì)在接觸區(qū)外圍形成松散的片狀碎片，而直流電流下形成的微動(dòng)碎片更致密，表面更粘連。文獻(xiàn)[42]中使用最大采樣率為1 GHz 的數(shù)字存儲(chǔ)示波器測量觸點(diǎn)和限流電阻上的電壓降，觀測到電流值對(duì)高壓降的發(fā)生有影響，電流越大，不連續(xù)點(diǎn)發(fā)生得越早且發(fā)生得越頻繁。

1.3.3 環(huán)境條件

1）相對(duì)濕度的影響。相對(duì)濕度對(duì)于電接觸中微動(dòng)作用的影響是重要而復(fù)雜的，主要涉及對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率、表面磨屑物理特性和接觸材料表面機(jī)械特性等因素的影響以及各因素之間的相互作用[2]。微動(dòng)磨損在濕度飽和空氣中比在干燥空氣中低[43]。文獻(xiàn)[7]通過試驗(yàn)說明，在有限的時(shí)間內(nèi)，濕度對(duì)觸頭接觸區(qū)域的影響主要還是物理特性，改變的是表面產(chǎn)物的積累方式和組合狀態(tài)，外界相對(duì)濕度對(duì)觸頭表面的化學(xué)成分改變需要長時(shí)間的化學(xué)反應(yīng)過程。

2）溫度的影響。溫度可以同時(shí)影響氧化或腐蝕的速度和材料的力學(xué)性能。文獻(xiàn)[44]采用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)和恒溫箱搭建了綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)裝置，通過試驗(yàn)證明，ECR 增大源自溫升、微動(dòng)磨損和微動(dòng)腐蝕。文獻(xiàn)[45]研究了溫度對(duì)鍍金銅合金觸點(diǎn)的微動(dòng)腐蝕特性的影響，提出金的軟化是導(dǎo)致低ECR 擴(kuò)展區(qū)和較高溫度下故障率降低的原因，然而，高溫下形成的氧化銅顆粒硬度較高，導(dǎo)電性差，導(dǎo)致ECR 惡化更嚴(yán)重。文獻(xiàn)[46]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鍍錫銅合金觸點(diǎn)的壽命隨溫度的升高而降低，并給出了振幅在35 μm 以下時(shí)的壽命預(yù)測方程。

3）環(huán)境氣體的影響。大氣中存在的氧氣、二氧化碳、水蒸氣、硫和氯化物與金屬材料接觸，會(huì)使其逐漸劣化或蝕變。文獻(xiàn)[29]通過微動(dòng)試驗(yàn)研究了3 種不同氣氛（氧氣、空氣和氮?dú)猓?duì)電連接器ECR 的影響，結(jié)果表明，在高摩擦系數(shù)條件下，氮?dú)猸h(huán)境下的ECR 值最小且穩(wěn)定，富氧環(huán)境促進(jìn)Cu2O 的形成，從而增加ECR。文獻(xiàn)[47]對(duì)銅基連接器的連接部位進(jìn)行化學(xué)成分分析和微觀組織分析，發(fā)現(xiàn)富氧環(huán)境下觸點(diǎn)接觸表面容易生成大量的CuO 和Cu2O，其中CuO是絕緣體，它的產(chǎn)生直接分離兩接觸界面，Cu2O 則是電阻值極大的半導(dǎo)體，它的生成直接導(dǎo)致電阻值上升。

綜上所述，振動(dòng)應(yīng)力、溫度應(yīng)力和電應(yīng)力綜合作用于電連接器，使電連接器的內(nèi)部接觸件發(fā)生復(fù)雜的電-熱-機(jī)械多物理場耦合作用。主要影響插針與插孔之間的接觸壓力、接觸面積以及針孔材料的電阻率，導(dǎo)致間歇性故障的出現(xiàn)，文獻(xiàn)[25]總結(jié)了影響ECR 波動(dòng)因素的物理機(jī)理，如圖9 所示。

圖9 影響ECR 波動(dòng)因素的物理機(jī)理分析[25]Fig.9 Physical mechanism analysis of the influencing factors to ECR fluctuation[25]

2 電連接器微動(dòng)腐蝕的主要研究方法

2.1 試驗(yàn)觀測法

雖然目前各研究機(jī)構(gòu)和人員對(duì)微動(dòng)腐蝕問題的研究仍以試驗(yàn)分析為主，但尚未在文獻(xiàn)中看到可直接用于微動(dòng)腐蝕試驗(yàn)的成熟商業(yè)設(shè)備，人們大多基于自身需求自行開發(fā)試驗(yàn)機(jī)。微動(dòng)腐蝕試驗(yàn)機(jī)應(yīng)具備合理的驅(qū)動(dòng)裝置和微動(dòng)平臺(tái)、載荷加載裝置和腐蝕環(huán)境控制裝置，并配備數(shù)據(jù)測量、采集和處理系統(tǒng)[48]。試驗(yàn)機(jī)中最關(guān)鍵的部件是產(chǎn)生執(zhí)行力的驅(qū)動(dòng)裝置，按照動(dòng)力源形式的不同可分為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)式驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)式振動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電磁激振器驅(qū)動(dòng)幾種類型，具體見表1。相對(duì)而言，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)因其行程精度高、可控性好的優(yōu)點(diǎn)，在基礎(chǔ)試驗(yàn)研究中更具綜合優(yōu)勢(shì)。根據(jù)試驗(yàn)需要可以配置環(huán)境試驗(yàn)箱，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境氣體、相對(duì)濕度和溫度等因素的控制。

表1 微動(dòng)試驗(yàn)裝置分類Tab.1 Classification table of fretting test equipment

試驗(yàn)接觸件分為單觸點(diǎn)模擬結(jié)構(gòu)和成品件結(jié)構(gòu)。單觸點(diǎn)模擬結(jié)構(gòu)通常是球面/平板結(jié)構(gòu)和交叉圓柱結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)既能做到對(duì)插針插孔接觸的合理簡化，也能避免因錯(cuò)位帶來的試驗(yàn)數(shù)據(jù)離差。成品件結(jié)構(gòu)主要用于產(chǎn)品指標(biāo)閾值的分析測定[49]、故障問題的復(fù)現(xiàn)定位[50]以及可靠性水平的評(píng)定等[51]。

2.2 理論分析法

在對(duì)電接觸微動(dòng)腐蝕問題的理論分析中，研究者們普遍運(yùn)用了數(shù)值分析與數(shù)學(xué)建模的方法。

數(shù)值分析是研究分析用計(jì)算機(jī)求解數(shù)學(xué)計(jì)算問題的數(shù)值計(jì)算方法，尤其注重理論分析與實(shí)踐檢驗(yàn)相結(jié)合，使理論分析結(jié)果及時(shí)得到驗(yàn)證。在電接觸微動(dòng)腐蝕研究中，數(shù)值分析主要用于ECR 值的回歸分析和接觸件的壽命預(yù)測問題。對(duì)于法向力對(duì)ECR 的非單調(diào)演化，F(xiàn)ouvry 等[21]通過將摩擦能量密度法與基本柔度描述相結(jié)合，描述了法向力與位移幅值的協(xié)同效應(yīng)，并預(yù)測了電接觸的耐久性。Kim 等[46]研究了溫度和跨度振幅對(duì)ECR 的影響，并應(yīng)用阿倫尼烏斯方程提出了壽命預(yù)測公式。運(yùn)用模型法可以抽象出研究對(duì)象的各個(gè)組成部分、特征、屬性和關(guān)系，進(jìn)而通過綜合分析，把握其規(guī)律性。Ji 等[41]建立了計(jì)算微動(dòng)循環(huán)過程中電阻上升和氧化物積聚的理論模型，針對(duì)錫-錫電接觸的微動(dòng)腐蝕過程，以解析形式導(dǎo)出了歸一化電阻方差和氧化體積，得到了微動(dòng)頻率和法向力對(duì)壽命的影響規(guī)律。Zhu 等[57]以電連接器成品件為試驗(yàn)對(duì)象，建立了電連接器間歇故障再現(xiàn)和電連接器損傷模型，基于間歇故障和損傷模型，建立了一種基于遺傳算法的優(yōu)化方法。Li 等[50]分析了電連接器的電接觸模型和斷續(xù)失效機(jī)理，選取斷續(xù)失效頻率作為斷續(xù)失效再現(xiàn)的特征，建立了加速斷續(xù)破壞表征模型，最終計(jì)算了間歇失效頻率的分布。

學(xué)者們進(jìn)行研究時(shí)并不會(huì)限定單純使用某種方法，例如數(shù)學(xué)分析方法有利于對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和歸納，數(shù)學(xué)建模方法有利于從試驗(yàn)現(xiàn)象中抽離本質(zhì)和特征，結(jié)合運(yùn)用兩種方法，才能更好地評(píng)價(jià)和預(yù)測電阻積累、金屬損耗與相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果的吻合性。比如，Sun等[58]提出一種考慮表面膜厚度增加，導(dǎo)致ECR 增加的振動(dòng)誘發(fā)物理模型，并利用粒子濾波方法預(yù)測了航空?qǐng)A形電連接器的剩余使用壽命。

2.3 有限元仿真分析法

微動(dòng)過程和腐蝕過程都是瞬態(tài)過程，并伴隨著幾何非線性和材料非線性的演化過程，因此采用有限元方法求解時(shí)，通常采用增量方法，通過反復(fù)迭代更新模型狀態(tài)。求解接觸問題時(shí)，通常利用接觸約束算法，將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題，常用的有罰函數(shù)法、拉格朗日乘子法和增廣拉格朗日乘子法。微動(dòng)腐蝕仿真的難點(diǎn)在于建立多物理場耦合的有限元模型，熱循環(huán)和振動(dòng)不僅導(dǎo)致微動(dòng)腐蝕，同步發(fā)生的疲勞、磨損和腐蝕都會(huì)引起表面的損傷[59]。

印度全球科技學(xué)院的Angadi 等[60]總結(jié)了世界各地的研究人員對(duì)電連接器本體區(qū)域和接觸區(qū)域進(jìn)行有限元建模的方法和分析內(nèi)容，并將有限元模型分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。Huang 等[61]建立了微型連接器的扭銷-插接三維有限元模型，根據(jù)連接器的真實(shí)接觸界面，設(shè)置尺寸和材料性能，模擬了插入過程中發(fā)生小幅振動(dòng)引起的微動(dòng)過程。Fallahnezhad等[62]利用ABAQUSTM自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，建立了新的有限元模型來模擬金屬-金屬接觸微動(dòng)腐蝕過程，同時(shí)捕捉由機(jī)械微動(dòng)磨損和電化學(xué)腐蝕引起的材料表面損傷，該模型能夠計(jì)算去除/再生的被動(dòng)氧化層，以及微動(dòng)磨損和腐蝕造成的材料損失。Ibrahim 等[59]在早期工作的基礎(chǔ)上，建立了葉片插頭/插座連接系統(tǒng)有限元模型，模擬振動(dòng)和熱循環(huán)引起的微動(dòng)腐蝕影響。Zhang 等[63-64]利用ABAQUSTM和ANSYSTM建立三維有限元模型，分析了軸向振動(dòng)對(duì)葉片插頭/插座連接器微動(dòng)腐蝕的影響，得出需考慮不同電纜長度、彈簧力和鍍層類型的計(jì)算結(jié)果。

3 電連接器微動(dòng)腐蝕研究的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，為電接觸微動(dòng)腐蝕研究提供了更多方法和手段，同時(shí)也對(duì)接觸可靠性與壽命提出了更高的要求。現(xiàn)從多個(gè)角度提出未來電連接器微動(dòng)腐蝕研究的發(fā)展趨勢(shì)。

1）多因素耦合作用下電接觸微動(dòng)腐蝕損傷的行為與機(jī)理研究。當(dāng)前，國內(nèi)外的研究人員關(guān)于電接觸微動(dòng)腐蝕方面的研究工作已取得長足的進(jìn)步，但大多數(shù)還是局限于對(duì)某一特定材料、特定條件、特定環(huán)境下的特性研究，還未能綜合微動(dòng)幅值、法向力、鍍層類型、基材、溫度、濕度以及環(huán)境參數(shù)等對(duì)壽命有影響的因素進(jìn)行系統(tǒng)研究，也未形成適用于多因素耦合作用下的微動(dòng)腐蝕行為和失效機(jī)制的統(tǒng)一理論。未來應(yīng)不斷提高數(shù)學(xué)建模、加速試驗(yàn)與有限元分析等現(xiàn)代分析手段在微動(dòng)腐蝕研究中的應(yīng)用水平，并與材料設(shè)計(jì)及磨損、腐蝕行為更好地結(jié)合起來，構(gòu)建完整的電接觸微動(dòng)腐蝕研究理論體系，以提高電連接器設(shè)計(jì)和制造水平。

2）海洋環(huán)境下電連接器微動(dòng)腐蝕問題研究。21世紀(jì)，人類進(jìn)入了大規(guī)模開發(fā)利用海洋的時(shí)期，而電連接器的性能變化受海洋環(huán)境影響十分顯著。例如，海軍飛機(jī)服役環(huán)境大多數(shù)是在海上或者沿海基地，環(huán)境特點(diǎn)是高溫、高濕和鹽霧出現(xiàn)的時(shí)間長，加上沿海城市工業(yè)廢氣的作用，飛機(jī)停放環(huán)境條件十分惡劣，會(huì)造成金屬件腐蝕、非金屬件老化、油液污染變質(zhì)等[65-66]，在這樣的環(huán)境下，電連接器極易發(fā)生殼體腐蝕、絕緣性能下降、導(dǎo)通電阻增加甚至斷路等問題[67]。海洋環(huán)境對(duì)電連接器微動(dòng)腐蝕的影響同樣是多因素共同作用的結(jié)果。因此，開展考慮接觸件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、復(fù)雜工況和海洋環(huán)境等因素綜合作用下的電連接器微動(dòng)腐蝕問題研究，是十分必要且迫切的。

3）射頻連接器微動(dòng)腐蝕問題研究。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來和軍事高技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率迅速增加，所需的頻段變得越來越寬，系統(tǒng)中的互連組件（包括電連接器）對(duì)信號(hào)完整性的影響愈發(fā)凸顯。特別是在高頻環(huán)境下，射頻連接器表現(xiàn)出更為復(fù)雜的電磁特性，趨膚效應(yīng)、表面粗糙度等許多過去可以忽略的物理效應(yīng)變得重要起來[68]。盡管已有研究表明微動(dòng)可以影響交流信號(hào)，但迄今為止，關(guān)于射頻信號(hào)條件下微動(dòng)對(duì)電接觸的影響的詳細(xì)研究還很不夠深入。數(shù)字傳輸需要電連接器傳輸射頻信號(hào)，這些連接器可能會(huì)因惡劣的服役環(huán)境而退化，在接觸界面產(chǎn)生微動(dòng)腐蝕損傷，進(jìn)而對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生影響。因此，不斷將射頻信號(hào)向高頻擴(kuò)展，研究連接器微動(dòng)腐蝕損傷對(duì)其的影響，已成為一個(gè)重要的研究課題。