我國電工合金行業檢驗檢測技術服務現狀分析

余文武，武紅敏，文裕，馬林泉

（桂林賽盟檢測技術有限公司，廣西桂林 541004）

引言

檢驗檢測是社會經濟發展的重要技術支撐，是現代服務業的重要組成部分，其與標準規范、計量校準、認證認可一起構成了國際社會公認的國家質量技術基礎，對維護國家和社會公共安全、促進產品和服務質量提升、促進產業轉型升級、保障消費者權益等，起到十分重要的作用[1]。隨著社會經濟的不斷發展，人們對所用產品的質量、生產生活的安全性、生活環境的保護等方面的要求在不斷提高，從而帶動了檢驗檢測技術服務需求的持續增長，使我國檢驗檢測技術服務業呈現出良好的發展態勢[2]。近年來全球檢驗檢測服務業一直保持著較快的發展速度，年平均增幅超過10%，高于世界經濟的平均增長速度。在全球經濟緩慢復蘇的大背景下，未來幾年全球檢驗檢測服務業平均增速仍將保持在8%左右。

縱觀整個檢驗檢測服務市場，從國際層面看，歐美、日本等地早己形成了較為規范的檢驗檢測市場，并形成了一批國際知名、權威的檢驗檢測機構，如SGS、BV、TüV、UL、Intertek等；從國內層面看，中國檢驗檢測服務業尚處于發展階段，在面向外資機構開放國內檢驗檢測市場帶來的沖擊以及我國經濟迅速發展推動的強大需求的雙重因素作用下，出現了第三次檢驗檢測機構建設浪潮，民營機構紛紛成立，少數國有檢驗檢測機構在政府的協調下成立檢驗檢測集團，市場在迅速擴大[2]，并涌現出一批具有相當實力的檢驗檢測機構，如中檢集團、威凱檢測、華測檢測等。但目前我國還沒有一家國際公認的綜合性第三方檢驗檢測機構，國內檢驗檢測機構在綜合檢測能力、品牌競爭力、市場占有率等方面與外資知名檢測機構相比仍存在較大差距。在一些細分行業，因檢測需求有限，檢測能力建設乏力，導致至今未形成相應規模的檢測市場，我國的電工合金行業就屬于這類行業之一。電工合金包括電觸頭、熱雙金屬、電熱合金、導電合金、電阻合金、熱電偶合金及磁性材料等產品[3]，本文著重分析我國電觸頭產業檢驗檢測技術服務業現狀及檢測技術發展趨勢。

1 我國電觸頭產業及檢驗檢測服務業現狀

1.1 我國電觸頭材料產業總體情況

電觸頭材料是電器完成“接通-傳導-切斷”電流以及信號產生和傳輸的關鍵功能材料，被廣泛應用于繼電器、斷路器、接觸器、傳感器、工業控制等產品及系統中，其性能直接影響到發電和輸變電裝備的技術水平，尤其是其電接觸性能是影響電氣與電子工程可靠性的關鍵，在低壓電器領域有“低壓電器之心臟”的稱譽。長期以來，全世界電觸頭材料主要生產商大多集中在歐洲和日本等地，例如德國DODUCO（大都克公司）、瑞士Metalor（美泰樂公司）、比利時Umicore（優美科公司）、日本TANAKA（田中公司）等[4]。歐洲和日本因基礎科學發展迅速，科技人才儲備充足，在新材料和制造工藝研發能力、生產自動化水平等方面均居于世界領先地位，引領整個行業的發展。我國電觸頭材料產業整體水平與這些國外大公司相比尚有不少差距，有待迎頭趕上。

“十三五”期間，我國電觸頭材料行業的工業總產值呈上升趨勢，出口總額有所波動，利潤總額和利潤率則始終處于較低水平，詳細情況見表1[5]。

表1 2015～2019年電觸頭材料行業各項指標

在產品產量方面，基于行業年度總用銀量的增加可以看出，近幾年低壓電觸頭材料總產量在不斷增加。2015年行業總用銀量約1600 t，2019年行業總用銀量超過2000 t，2015～2019年行業總用銀量詳見圖1。行業主要產品如銀氧化錫、銀鎳、銀石墨、銀碳化鎢等產品的產量見表2[5]。

圖1 2015～2019年電接觸材料行業用銀量

表2 2019年電觸頭材料行業主要產品產量單位：t

1.2 我國電觸頭材料及成品檢驗檢測服務業現狀

在國家標準GB/T 2900.4—2008《電工術語 電工合金》中，將（電）“觸頭”定義為：“一組導電元件，它們彼此接觸時能建立電路的連續性，而且，由于它們在運行中的相對運動，可斷開或閉合一個電路；或在某些鉸接或滑動元件的情形下，能維持電路的連續性。”，但該標準沒有界定什么是“電觸頭材料”或“電接觸材料”。顧名思義，本文暫且將“電觸頭材料”簡單地定義為:“一類用來制造電觸頭的材料”。從電觸頭的定義可以看出，電觸頭起到了斷開或閉合一個電路的作用，以保證電路本身的安全運行和使用者的人身安全。所以說，電觸頭材料作為電器完成“接通-傳導-切斷”電流以及信號產生和傳輸的關鍵功能材料，為確保電路、電器本身的安全運行和使用者的人身安全，必須選擇性能符合要求的材料來制造電觸頭。要判斷一種電觸頭材料是否符合要求，需要人們依據一定的標準對各類電觸頭材料開展檢驗檢測。通過對中國合格評定國家認可委員會（CNAS）官網的搜索查證，得知目前國內專業承接電觸頭材料及電觸頭全參數第三方檢測的機構唯獨桂林賽盟檢測技術有限公司一家。其他一些綜合性第三方檢測機構目前僅能承接個別電觸頭材料部分參數的檢測，如雞西市石墨產品質量監督檢驗檢測中心僅能承接銀鎳石墨電觸頭銀含量等8個參數的檢測，廣州計量檢測技術研究院僅能承接銅及銅合金銅含量等22個參數的檢測，浙江省冶金產品質量檢驗站有限公司僅能承接銅及銅合金銅含量等28個參數的檢測，短期內這些機構尚未能擴展到承接各類電觸頭材料全部參數的檢測。另外，電觸頭材料行業排名前列的福達合金材料股份有限公司和溫州宏豐電工合金股份有限公司均建有通過CNAS認可的第一方實驗室，其中溫州宏豐電工合金股份有限公司檢測中心（L7084）獲認可的檢測能力有4大類：電觸頭材料（銀含量等18個項目/參數）、銀及銀合金（鉛和鉍含量等5個項目/參數）、鋼鐵（總碳硫含量1個項目/參數）、銅及銅合金（氧含量1個項目/參數）；福達合金材料股份有限公司檢測中心（L5555）獲認可的檢測能力只有2大類：電觸頭材料（銀含量等16個項目/參數）、銀及銀合金（銅含量等7個項目/參數），而且只能對內承接電觸頭材料的檢測工作。國內幾個知名的電觸頭大用戶如浙江正泰電器股份有限公司和德力西電氣有限公司，也建有通過CNAS認可的第二方實驗室，其中浙江正泰電器股份有限公司質量檢測中心（L7801）獲認可的相關檢測能力有：銅及銅合金（銅含量等13個項目/參數）、電觸頭（銅含量等8個項目/參數）、金屬材料及制品（拉伸試驗、洛氏硬度等5個項目/參數）；德力西電氣有限公司檢測校準中心（L5826）獲認可的相關檢測能力有：電觸頭材料（銀含量1個項目/參數）、銅及銅合金（銅含量1個項目/參數）、金屬材料（布氏硬度、維氏硬度2個項目/參數）。

綜上所述，目前我國電觸頭材料及成品檢驗檢測服務業能對外承接檢測業務的機構只有桂林賽盟檢測技術有限公司一家。由于我國電觸頭材料行業整體規模不大，檢測市場培育不力，第三方檢測需求量十分有限。據了解，桂林賽盟檢測技術有限公司近幾年電工合金檢測收入尚不足10萬元/年。但是，可以預見隨著我國經濟社會的不斷發展，人們安全意識的不斷增強，未來各類電觸頭產品的電壽命評估試驗的市場需求必將大幅增長。目前各類電觸頭產品的電壽命評定試驗由于缺少成熟的試驗設備及快速評估的標準方法，大多是由部分高校和生產企業進行模擬試驗，或參照各類電器產品的試驗方法標準裝機進行整機型式試驗[6,7]。近期，桂林金格電工電子材料科技有限公司投資建立了全新的低壓觸頭材料電性能試驗室，能按國標GB/T 24273—2009《電觸頭材料電性能試驗方法》開展各類低壓觸頭電壽命試驗，這將有助于促進電觸頭產品質量的進一步提升，推動我國電觸頭材料產業不斷發展壯大。

2 我國電觸頭材料檢測技術發展趨勢

2.1 我國電觸頭材料基本性能檢測技術現狀及發展趨勢

電觸頭材料檢測通常可分基本性能檢測和化學分析兩類。其中，基本性能檢測又被分為物理特性檢測、力學性能檢測、電學性能檢測等，它們各自的技術現狀及發展趨勢淺析如下。

2.1.1 電觸頭材料物理特性檢測

常見的檢測項目有密度、金相分析，是確保產品內在質量的重要手段，也是開發研究新材料、新工藝、新產品的基礎技術。上述檢測項目，均有相應的方法標準可依，所需的試驗儀器設備普遍簡單，檢測技術相對成熟，檢測人員只需具備一定的基礎知識，經過適當培訓即可上崗操作。

2.1.2 電觸頭材料力學性能檢測

常見的檢測項目有硬度、拉伸、彎曲等,人們可通過硬度、拉伸、彎曲試驗來了解材料的強度（抵抗負荷破壞的能力）及剛度（抵抗變形的能力）等。上述檢測項目均有相應的方法標準可依，所需的試驗儀器設備是各類電子萬能試驗機、布洛維硬度計，檢測技術相對成熟，檢測人員需具備一定的材料力學知識和機電專業常識，經過嚴格培訓考核方可上崗操作。

2.1.3 電觸頭材料電學性能檢測

常見的檢測項目有體積電阻率、電導率、電弧燒蝕等，是確保作為電觸頭材料應具有優異電性能的主要手段，而且也是開發研究電觸頭新材料、新工藝、新產品的基礎技術，對提高電工電子產品的運行可靠性和技術水平具有極為重要的意義。上述檢測項目，均有相應的方法標準可依，所需的試驗儀器設備普遍定型生產，檢測技術已相當成熟，檢測人員只需具備一定的電學專業知識和安全常識，經過適當培訓考核即可上崗操作。隨著高新技術的不斷發展，電觸頭材料電學性能檢測技術的發展趨勢是研發快速壽命評定技術，相應的試驗方法標準及試驗設備有待完善。

2.2 我國電觸頭材料化學分析技術現狀及發展趨勢

眾所周知，組織結構決定了金屬材料性能的優劣。材料組織結構會隨元素的種類及其含量的不同而改變，因此準確分析電觸頭材料元素種類和含量，對于研發新材料和合理利用性能更優異的材料非常重要[8,9]。正因為如此，需要人們合理地利用化學分析方法，足夠準確地測定相關元素的含量。

分析化學是當代最富活力的學科之一，隨著分析技術的發展，化學分析方法先后出現了重量法、滴定法、分光光度法、原子光譜法(原子發射光譜法和吸收光譜法)和電感耦合等離子質譜法等，其中重量法、滴定法和分光光度法早在分析化學學科形成之初就已被人們熟練掌握[8,9]，其優點是試驗人員只需要一些簡單的儀器設備即可開展試驗，缺點是此類方法會因操作人員的不同而出現結果的偏差。原子光譜法和電感耦合等離子質譜法是物理學研究深入到原子核階段以后才相繼出現的儀器分析方法，優點是高精度、高效率、易操作，缺點是儀器設備比較昂貴，一般試驗室無法普及。下面就以上幾種方法的現狀及未來發展做一簡單介紹。

2.2.1 重量分析法

該方法是出現時間最早、技術最成熟的經典定量分析方法，其原理是利用化學反應將材料中待測元素轉化為沉淀的化合物，再經過濾、烘干、稱量即可準確計算出材料中待測元素的含量，主要適用于高含量的S、P、Si、Cu、Ag、Ni等元素的測定[8,9]。該方法的最大優點是操作簡單，缺點是試驗人員必需熟練掌握每一個操作步驟，且需要經過多次測定才能獲得令人滿意的測定結果。由于操作簡單，該方法未來仍將被一般試驗室廣泛采用。

2.2.2 滴定分析法

該方法也是出現較早、技術較成熟的經典定量分析方法，其原理同樣是利用了化學反應，通過滴加使兩種溶液相互混合產生化學反應，并通過顯色指示劑判斷化學反應的終點，然后按照化學反應式計算出待測元素的含量。滴定分析法可根據其化學反應機理的不同分為酸堿滴定法、氧化還原滴定法、沉淀滴定法和絡合滴定法四類。其中，酸堿滴定法常用來測定C、P、N、B、Si等元素，氧化還原滴定法常用來測定S、Fe、Mn、Cr、V、Cu、Zn、Co等元素，而絡合滴定法常用來測定Al、Zn、Ni、Mg、Pb等元素。滴定分析法的主要優點是只需購置滴定管與容量瓶等成本低廉、操作簡單的玻璃儀器，使用易于判斷化學反應終點的指示劑即可完成試驗。缺點是每次操作只能分析測定一個非微量的元素，而且分析周期長、分析結果會隨試驗人員的熟練程度而波動。盡管如此，由于成本低廉、操作簡便，該類方法未來也仍將被各類試驗室普遍采用。

2.2.3 分光光度法

該方法又稱吸收光譜法，是基于物質對光的選擇性吸收而建立起來的定性和定量分析方法，其理論基礎是朗伯（Lambert）-比耳（Beer）定律，基本原理是通過測定被測物質在特定波長處或一定波長范圍內的吸光度，對該物質進行定性和定量分析。分析待測樣品前，應配制一組不同濃度的標準溶液，然后分別測定一定波長下的吸光度，以吸光度為縱坐標、濃度為橫坐標繪制曲線，得到一條被稱為標準曲線的直線，因而試驗人員在測定待測樣品吸光度后可通過這一標準曲線找出對應的濃度值，進行待測元素的定量分析。常用于分光光度法分析的光源有紫外光、可見光和紅外光。吸收光譜法的優點是只需一臺分光光度計即可完成，靈敏度高，操作簡單，效率高，應用范圍廣，既可測金屬元素，也可測S、N、Br、F等非金屬元素，既可測常量元素，也可測1 μg/L～10 μg/L濃度范圍的微量元素。缺點是每次只可單元素分析，而且分析結果的準確性取決于標準溶液配制的準確性和儀器設備的準確度。另外，不同元素間往往會有一定的干擾，導致最終分析結果存在未知偏差。該方法未來有可能被其他更先進的儀器分析方法所取代。

2.2.4 原子光譜法

屬于這類分析方法的有原子發射光譜法（AES）、原子吸收光譜法（AAS）、原子熒光光譜法（AFS）以及X射線熒光光譜法（XFS）等。

（1）原子吸收光譜法。該方法又稱原子分光光度法，是基于待測元素的基態原子蒸氣對其特征譜線的吸收，由特征譜線的特征性和譜線被減弱的程度對待測元素進行定性定量分析的一種儀器分析方法。其工作原理是用被測元素的純金屬制成空心陰極燈的陰極，將該燈輻射出的特征波長光通過分光系統尋找該譜線并置于峰線極大位置，此時吸收池溶液在原子化器的作用下生成該元素的基態原子，基態原子吸收特征波長光而上升到激發態，根據特征波長光強度的改變分析得出該元素的含量。該法所用光譜儀因其核心部件原子化器的不同（主要有火焰、石墨爐和汞/氫化物三種原子化器）導致名稱也有所不同，目前常用的是火焰原子吸收光譜儀和石墨爐原子吸收光譜儀[8]。原子吸收光譜法的優點是檢出限低、準確度高、選擇性好（干擾少）、分析速度快、應用范圍廣。缺點是不能多元素同時分析、樣品前處理比較麻煩、對試驗人員的基礎理論和操作技術要求較高、儀器設備較昂貴等。原子吸收光譜法既可分析液態樣品，也可分析氣態樣品，甚至可以直接分析某些固態樣品；既可分析低含量和常量元素，又可分析微量、痕量甚至超痕量元素；既可分析金屬元素、類金屬元素，又可間接分析某些非金屬元素，也可間接分析有機物。這是其他分析技術所不能及的，因而具有強大的生命力。

（2）原子發射光譜法。該方法是基于物質中的基態原子獲得外界能量被激發后發出輻射線形成的光譜與標準光譜比較以識別物質中相應元素種類和含量的分析方法。電弧、火花等均可作為激發源，使基態原子或離子受激發后發射出紫外光和可見光。目前利用原子發射光譜研制的光譜儀有：照相式攝譜儀、光電直讀光譜儀和電感耦合等離子發射光譜儀等。原子發射光譜法的優點是可多元素同時分析、分析速度快、選擇性好、檢出限低、準確度較高、試樣消耗少。缺點是常見的非金屬元素如O、S、N、Br、F等譜線在遠紫外區，目前一般的光譜儀尚無法檢測，有一些非金屬元素如P、Se、Te等因其激發電位高，分析靈敏度較低。

總之，原子光譜法相較于傳統化學分析法，分析靈敏度更高、檢出限更低、測試效率更高，是未來在一般試驗室推廣普及使用的方法之一。

2.2.5 電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）

該方法是20世紀80年代發展起來的一種元素分析方法，是目前公認的最強有力的痕量元素和同位素分析方法，應用范圍廣泛。該方法所用的電感耦合等離子質譜儀實際上是一臺電感耦合等離子發射光譜儀與四極桿質譜儀的組合體，其工作原理是根據被測元素通過一定形式進入高溫等離子體中,在高溫下電離成離子,離子經過離子光學透鏡聚焦后進入四極桿質譜分析器，在直流電場和交流電場的交互作用下將質荷比不同的離子分開，通過測量各種離子譜峰的強度分析計算出各種元素的含量。ICP-MS的顯著優點是可應用于幾乎所有分析領域內痕量、微量和常量元素的測定，能分析測定幾乎所有形態的樣品，并且實現了一次采集完成多元素同時分析，同時提供同位素的信息，靈敏度高、極低的檢出限(10-15～10-12量級)、分析速度快等，缺點是運行費用高、試驗人員需要有豐富的操作經驗、所用試劑的質量對分析結果的影響較大等。目前該方法已從最初在地質科學研究應用迅速發展到廣泛應用于環境、食品安全、衛生防疫、半導體、生物、醫學、法學、冶金、核工業、石油、化工等領域。未來需降低運行成本，只有這樣方可在電工合金行業推廣使用。

3 結束語

綜上所述，電觸頭是各類電器完成“接通-傳導-切斷”電流以及信號產生和傳輸的關鍵功能元件，被廣泛應用于繼電器、斷路器、接觸器、傳感器、工業控制等產品中，其性能直接影響到發電和輸變電裝備的技術水平，尤其是其電接觸性能是影響電氣與電子工程可靠性的關鍵。電觸頭產業在我國整個國民經濟中盡管猶如滄海一粟，雖細小，但其扮演的角色卻十分重要。展望未來，隨著電器工業的發展，新型高性能電觸頭材料及電觸頭產品的研發和生產需求日益增加，各種電觸頭材料痕量元素的快速與簡便測定，以及電觸頭電壽命試驗將變得愈加重要。鑒于目前的主流元素分析方法或多或少都有一些缺點，如直讀光譜儀只能分析特定尺寸塊狀樣品，部分電感耦合等離子光譜儀需要酸或堿溶樣，溶樣過程處理不當會危害環境和人體健康，且延長了測試周期等，已經不能滿足實際應用需要，迫切需要人們研發出使用方便、分析周期短、靈敏度高、檢出限低和綠色環保的新方法和新儀器[8]。而對于電觸頭電壽命試驗，傳統的試驗方法既費時又費錢，企業不易接受，很難全面鋪開。因此，期望業內廣大工程技術人員與試驗儀器制造商在試驗方法標準研發、試驗儀器研制等方面攜手合作，推出高速、便捷的試驗方法和試驗設備，促進我國電觸頭檢驗檢測技術的發展及產品質量的進一步提升，共同推動我國電觸頭產業不斷進步。