電接觸材料對導(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<浙江省視覺物聯(lián)融合應(yīng)用重點實驗室> 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)、控制等信號從一個靜止機構(gòu)傳輸?shù)搅硪贿\動機構(gòu)上的精密傳導(dǎo)器件[1]。被廣泛用于智慧安防、工業(yè)自動化、清潔新能源、儀器儀表、航空航天等領(lǐng)域[2]。隨著國防科技、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傳輸具有較高的穩(wěn)定性，這也引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究[3]。

長期以來，高精度，長壽命，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、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)可靠性和壽命相對較低。但是，在如今智慧互聯(lián)的數(shù)字化安防時代，高清的網(wǎng)絡(luò)視頻信號傳輸對導(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、網(wǎng)絡(luò)信號等。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為帶有信號輸入/輸出導(dǎo)線的轉(zhuǎn)子和定子兩個部分，轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)機構(gòu)以任意角度進行旋轉(zhuǎn)，定子固定在靜止機構(gòu)上保持不動，兩者通過運動解除副傳遞信號。

轉(zhuǎn)子由導(dǎo)電環(huán)，絕緣材料，外接導(dǎo)線和軸承等部分組成；導(dǎo)電環(huán)和轉(zhuǎn)子導(dǎo)線焊接完成后固定在中心軸上，不同通道的導(dǎo)電環(huán)通過絕緣材料相互隔開[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，電刷絲和定子端線材焊接完成后通過樹脂膠水固定在絕緣支架上，外部使用法蘭外殼進行包裹保護。其中，導(dǎo)電滑環(huán)是通過內(nèi)部導(dǎo)電環(huán)和電刷絲組成一對接觸副，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子在相對運動的過程中信號的聯(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、動態(tài)接觸電阻波動值、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，導(dǎo)電滑環(huán)單個通道之間的動態(tài)電阻變化值需要控制在30 mΩ以內(nèi)[8]。當動態(tài)接觸阻抗波動過大會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信號通過導(dǎo)電滑環(huán)時產(chǎn)生較大的噪聲波動，造成網(wǎng)絡(luò)信號丟失，影響導(dǎo)電滑環(huán)可靠性和壽命。減小導(dǎo)電滑環(huán)的動態(tài)接觸阻抗波動值，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)的接觸電阻和動態(tài)接觸電阻波動值越小，導(dǎo)電滑環(huán)信號傳輸穩(wěn)定性越高，但導(dǎo)電滑環(huán)摩擦副的磨損會越嚴重[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的過程中，導(dǎo)電環(huán)和電刷絲長期處于滑動接觸狀態(tài)，在載荷和電流的雙重耦合作用下，出現(xiàn)機械磨損和電氣磨損，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。

表1 不同電接觸材料的優(yōu)缺點

在實際應(yīng)用中，單一成分的電接觸材料往往無法滿足導(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刷絲熔焊性差的缺陷，以此來獲得良好的電學(xué)和機械綜合性能。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，價格低廉等明顯的優(yōu)勢，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]，此類貴金屬合金材料的價格較高，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 試驗設(shè)計

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)。通過測試不同電接觸材料導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命來評估其網(wǎng)絡(luò)信號傳輸情況，并對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的Ag78Cu20Ni2材料，通過更換不同的導(dǎo)電環(huán)電接觸材料制成5種導(dǎo)電滑環(huán)，對其進行使用壽命測試。具體的測試傳輸鏈路如圖3所示。

圖3 導(dǎo)電滑環(huán)測試原理簡圖

將攝像機和導(dǎo)電滑環(huán)測試樣品通過網(wǎng)線連接，再接入網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機（NVR，NetworkVideoRecorder），并通過顯示器實時顯示視頻信號傳輸畫面。測試原理即模擬導(dǎo)電滑環(huán)器件在安防產(chǎn)品中的實際應(yīng)用情況，將導(dǎo)電滑環(huán)串聯(lián)如網(wǎng)絡(luò)信號傳輸鏈路，且在高低溫循環(huán)條件下讓導(dǎo)電滑環(huán)在測試工裝上以恒定速率旋轉(zhuǎn)，如圖4原理簡圖所示。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，通過視頻信號的通斷來判斷導(dǎo)電滑環(huán)的網(wǎng)絡(luò)信號傳輸情況。

表2 測試環(huán)境中的相關(guān)參數(shù)

4.2 試驗結(jié)果

通過多次試驗，排除導(dǎo)電滑環(huán)網(wǎng)絡(luò)信號傳輸鏈路中其他因素的干擾，以視頻信號出現(xiàn)斷線即網(wǎng)絡(luò)信號傳輸不暢時，測試工裝記錄的累計轉(zhuǎn)速作為該導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命。具體測試結(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)信號傳輸壽命

對比試驗測試結(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，達到了1 000萬轉(zhuǎn)，對應(yīng)樣品D測試數(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300～500萬轉(zhuǎn)之間。

4.3 結(jié)果分析

（1）電接觸材料的動態(tài)接觸電阻分析

使用GOM-802精密電阻測試儀分析測試5種不同電接觸材料組成的互配摩擦副導(dǎo)電滑環(huán)的動態(tài)電阻變化值，將動態(tài)電阻變化數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后如圖4所示。由統(tǒng)計數(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，減小動態(tài)阻抗的波動值。

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

將樣品E和樣品A、B、C、D的動態(tài)接觸電阻對比，AgCuNi合金材料組成的摩擦副動態(tài)阻抗波動值低于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)顯顯微維氏硬度計測試電接觸合金材料的表面硬度，測試原理如下：

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面的夾角，136°；D代表壓痕兩對角線的算術(shù)平均值。

顯微維氏硬度測試結(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：

對比不同電接觸材料壽命測試完的導(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)樣品壽命測試后，導(dǎo)電環(huán)機械磨損嚴重，產(chǎn)生的金屬磨屑較多，對應(yīng)圖6中的a和b。在AgCuNi合金材料中添加稀土元素， 1000萬轉(zhuǎn)壽命測試后，導(dǎo)電環(huán)和電刷絲的磨損較小，對應(yīng)圖6中的c和d。結(jié)合顯微維氏硬度測試數(shù)據(jù)，當導(dǎo)電環(huán)中Ag含量越高，導(dǎo)電環(huán)的硬度越小，在電接觸的運動摩擦副中容易發(fā)生黏著磨損和磨粒磨損，隨著摩擦副運動的加劇，產(chǎn)生的金屬磨損微粒也越多，直接影響導(dǎo)電滑環(huán)的動態(tài)接觸電阻，致使導(dǎo)電滑環(huán)網(wǎng)絡(luò)信號傳輸不穩(wěn)定，視頻信號傳輸不暢，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試后，電刷絲出現(xiàn)磨損斷裂，磨損程度最為嚴重，如圖e和f。由此說明，導(dǎo)電滑環(huán)器件中的導(dǎo)電環(huán)和電刷絲硬度接近時，影響導(dǎo)電滑環(huán)網(wǎng)絡(luò)信號傳輸穩(wěn)定性的主要因素是機械磨損，導(dǎo)電環(huán)和電刷絲的相對運動會使相對薄弱的電刷絲磨損嚴重，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掃描電子顯微鏡對比分析AgCuNiRE合金和AgCuNi合金電接觸材料壽命測試后的微觀形貌，測試結(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，部分稀土元素會和晶界結(jié)合，起到釘扎保護的作用，阻止AgCuNi合金材料中滑移和位錯等缺陷的產(chǎn)生和擴展，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，使電接觸材料間長久的保持著良好的電接觸，減小運動摩擦副之間的動態(tài)接觸電阻變化，進而保障網(wǎng)絡(luò)信號的穩(wěn)定傳輸，達到提高導(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)信號傳輸?shù)奶匦?，綜合分析得出以下結(jié)論：

（1）在導(dǎo)電滑環(huán)運動過程中，摩擦副會受到機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，主要以機械磨損中的黏著磨損和磨粒磨損為主，嚴重時會導(dǎo)致電刷絲磨斷，最終影響網(wǎng)絡(luò)信號傳輸穩(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)的動態(tài)接觸阻抗，并且會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%，達到1 000萬轉(zhuǎn)。