海洋大氣環(huán)境下微動開關(guān)觸點(diǎn)回跳時間增大故障的試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)與分析

朱 蒙，李 明，陳 宇，賈潤川，李 宏，董 冰，蔡紅霞

（1.中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧沈陽 110035；3.貴州華陽電工有限公司，貴州貴陽 550006）

0 引言

目前，武器裝備系統(tǒng)中大量應(yīng)用基礎(chǔ)機(jī)電產(chǎn)品，開關(guān)、連接器、繼電器等是裝備外場故障發(fā)生率最高的通用系列化產(chǎn)品。2018年，航空質(zhì)量數(shù)據(jù)中心統(tǒng)計(jì)信息表明，由基礎(chǔ)產(chǎn)品引發(fā)的質(zhì)量問題約占所有問題的50%。微動開關(guān)作為典型的基礎(chǔ)機(jī)電產(chǎn)品，是構(gòu)成電氣互聯(lián)系統(tǒng)的重要組成器件，任何一次轉(zhuǎn)換動作失靈或觸點(diǎn)接觸不良，都將使武器裝備發(fā)生故障[1-2]。近年來，隨著近海任務(wù)部署力度不斷加大，高濕、高鹽霧環(huán)境導(dǎo)致的腐蝕行為已成為影響產(chǎn)品服役壽命的重要因素[3-4]。

微動開關(guān)功能性能的表征參數(shù)繁多，包括力學(xué)參數(shù)、行程參數(shù)、電參數(shù)和時間參數(shù)等，各種環(huán)境及工作載荷對微動開關(guān)功能性能的影響十分復(fù)雜。觸點(diǎn)回跳時間是微動開關(guān)的固有特性，是關(guān)鍵性能參數(shù)之一，其物理意義為動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)從第1 次閉合的瞬間起至動觸點(diǎn)后閉合的瞬間止的時間間隔。觸點(diǎn)回跳是1 個較為復(fù)雜的暫態(tài)過程，回跳會導(dǎo)致過電壓和電弧等現(xiàn)象的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響電路穩(wěn)定性[5-6]。目前，國內(nèi)外對于微動開關(guān)產(chǎn)品本身的加速試驗(yàn)分析的文獻(xiàn)資料較少，大多是從仿真建模的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，而對于微動開關(guān)動作特性的研究卻不多，尤其是對開關(guān)觸點(diǎn)回跳時間參數(shù)的研究暫未見相關(guān)報(bào)道。國內(nèi)外對于微動開關(guān)的系統(tǒng)研究開始于20世紀(jì)80年代。國內(nèi)李堅(jiān)石教授等將微動開關(guān)抽象為幾何平面梁柱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)計(jì)算機(jī)模擬與開關(guān)接觸熱過程解析[7]；美國空軍理工大學(xué)R.A.Coutu Jr等和美國空軍研究室的L.A.Starman 等提出了開關(guān)接觸力方程，并研究了吸合電壓、釋放電壓和接觸力的關(guān)系[8]；Hamed Raeisifard等提出了受靜電驅(qū)動的微動開關(guān)綜合模型，從材料長度、厚度和電壓變化角度分析了機(jī)械性能的變化特點(diǎn)[9]；宋琪琦進(jìn)行了微動開關(guān)的熱性能研究，得出了微動開關(guān)工作時的溫度分布主要與對流換熱系數(shù)、電流以及觸點(diǎn)形狀等因素相關(guān)[10]；王莉結(jié)合導(dǎo)彈發(fā)射裝備工作環(huán)境下微動開關(guān)典型失效案例，指出開關(guān)的主要失效形式為機(jī)械故障和電氣故障，機(jī)械故障模式主要為彈簧片疲勞，電氣故障的主要模式為接觸電阻增大和絕緣性能降低[11]；筆者在前期研究了不同環(huán)境下微動開關(guān)腐蝕機(jī)理，得出含硫環(huán)境對開關(guān)內(nèi)部銀質(zhì)觸點(diǎn)的影響最為嚴(yán)重，腐蝕產(chǎn)物硫化銀的產(chǎn)生是導(dǎo)致微動開關(guān)接觸電阻升高的主要原因[12]。國內(nèi)外對觸點(diǎn)回跳的影響研究多集中于密封電磁繼電器產(chǎn)品，從電磁吸合與釋放過程、碰撞行為等角度進(jìn)行分析[13-14]，對非密封微動開關(guān)觸點(diǎn)回跳行為的影響機(jī)制研究較少，影響因素不清，復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)方法缺乏。

本文結(jié)合某微動開關(guān)觸點(diǎn)回跳時間增大導(dǎo)致某系統(tǒng)故障問題，通過實(shí)驗(yàn)室加速模擬試驗(yàn)，復(fù)現(xiàn)了外場故障現(xiàn)象，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對腐蝕性環(huán)境、電燒蝕等因素對觸點(diǎn)回跳時間增加的影響機(jī)制進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)

1.1 對象

本文選取微動開關(guān)型號為WWK-6A，與外場故障件型號一致，非密封結(jié)構(gòu)，開關(guān)殼體、蓋子、按鈕均為塑料材質(zhì)，內(nèi)部動、靜觸點(diǎn)均為Ag-Pd合金，表面處理工藝為酸洗，彈簧片為鈹青銅，止動片和接觸片材質(zhì)為基底銅表面鍍銀。該型號微動開關(guān)實(shí)際使用電負(fù)載參數(shù)為28 VDC、70 mA。

1.2 試驗(yàn)方法

本文選取20只微動開關(guān)進(jìn)行試驗(yàn)，為了模擬該型微動開關(guān)實(shí)際使用特點(diǎn)，將試驗(yàn)件等分為2 組。試驗(yàn)前，對第2組微動開關(guān)進(jìn)行預(yù)處理，具體方式為對微動開關(guān)常開端觸點(diǎn)對施加28 VDC、0.6 A的電負(fù)載，同時按壓按鈕完成200 次分?jǐn)?、閉合的轉(zhuǎn)換動作。本文設(shè)計(jì)了微動開關(guān)海洋大氣環(huán)境效應(yīng)加速模擬試驗(yàn)方法，由鹽霧試驗(yàn)?zāi)K和濕熱試驗(yàn)?zāi)K組成試驗(yàn)循環(huán)，如圖1 所示。試驗(yàn)過程中，在酸性鹽霧試驗(yàn)?zāi)K中，將第1組和第2 組中的5 只微動開關(guān)置于屏蔽罩（屏蔽罩側(cè)面開孔，非完全密閉狀態(tài)）內(nèi)，其余微動開關(guān)直接暴露。濕熱試驗(yàn)?zāi)K時，所有開關(guān)試驗(yàn)件無差別置于試驗(yàn)箱內(nèi)，彼此無接觸，擺放間距不小于30 mm。

圖1 微動開關(guān)海洋大氣環(huán)境效應(yīng)加速模擬試驗(yàn)方法Fig.1 Accelerated simulation test profile of a microswitch under the effect of marine atmospheric environment

微動開關(guān)海洋大氣環(huán)境效應(yīng)加速模擬試驗(yàn)剖面各試驗(yàn)?zāi)K具體條件如下。

酸性鹽霧試驗(yàn)條件：試驗(yàn)箱溫度為（35±2）℃；鹽溶液為（5±1）%的NaCl水溶液；添加稀硫酸調(diào)節(jié)pH值為3.5±0.5；鹽霧沉降率為1.0～3.0 mL/（80 cm2·h）；收集液pH值約3.5；噴霧方式為間歇性，每48 h干濕交替為1 個循環(huán)，其中，噴霧24 h，開箱干燥24 h。本試驗(yàn)?zāi)K共進(jìn)行2個循環(huán)，試驗(yàn)時長96 h。

濕熱試驗(yàn)條件：試驗(yàn)箱升溫階段由30℃升至60℃，相對濕度95%，持續(xù)時間2 h；高溫、高濕極端溫度保持在60℃，相對濕度保持95%，持續(xù)時間6 h；降溫階段由60℃降至30℃，相對濕度大于85%，持續(xù)時間為8 h；低溫高濕階段溫度保持在30℃，相對濕度保持95%，持續(xù)時間8 h；每24 h 為1 個循環(huán)。本試驗(yàn)?zāi)K共進(jìn)行5個循環(huán)，試驗(yàn)時長120 h。

本文中腐蝕試驗(yàn)共進(jìn)行3 個循環(huán)，每個循環(huán)包括96 h 的酸性鹽霧試驗(yàn)和120 h 的濕熱試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，每個腐蝕循環(huán)試驗(yàn)后，對所有微動開關(guān)進(jìn)行觸點(diǎn)回跳時間和接觸電阻的測試，測試結(jié)束后鹽霧試驗(yàn)入箱前，再次對全部微動開關(guān)試驗(yàn)件進(jìn)行200 次帶電轉(zhuǎn)換，具體實(shí)施方式與預(yù)處理相同。根據(jù)微動開關(guān)安裝位置的特殊性，本文規(guī)定觸點(diǎn)回跳時間超過2 ms即失效。根據(jù)GJB 809B—2013《微動開關(guān)通用規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）規(guī)定[15]，本文以微動開關(guān)實(shí)際裝機(jī)電氣負(fù)載電阻的1%，即400 Ω為開關(guān)接觸電阻的失效閾值。

1.3 測試方法

1.3.1 觸點(diǎn)回跳測試方法

按照《規(guī)范》中4.5.24規(guī)定的條件進(jìn)行觸點(diǎn)回跳測試，具體實(shí)施方式如下：首先，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定搭建測試平臺，對開關(guān)施加22 VDC、3.2 mA的電負(fù)載；然后，以平行于促動件運(yùn)動方向周期循環(huán)驅(qū)動促動件，同時，用示波器進(jìn)行監(jiān)測，記錄觸點(diǎn)首次閉合前直到穩(wěn)定接觸的全過程。周期循環(huán)驅(qū)動促動件的速率為（0.025±0.01 mm）次/秒，觸點(diǎn)回跳的時間為連續(xù)10個讀數(shù)中最大的1個。

1.3.2 接觸電阻測試方法

按照《規(guī)范》中4.5.6條款中的規(guī)定，使用微歐計(jì)對開關(guān)常開端和常閉端進(jìn)行測量，測試的電負(fù)載條件為28 VDC、70 mA。測試前，按壓開關(guān)按鈕動作3 次，測試過程中動作3次，每次動作的測試次數(shù)為1次。

1.3.3 表面微觀形貌觀測方法

利用相機(jī)對微動開關(guān)外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行表觀觀察，利用Quanta400 型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察簧片和觸點(diǎn)表面微觀形貌。利用Link2SISI 能譜分析儀（EDS）對樣品表面的腐蝕產(chǎn)物元素組成進(jìn)行測試分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 性能參數(shù)變化特點(diǎn)

隨著循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行，微動開關(guān)觸點(diǎn)回跳時間整體呈上升趨勢。第1 組微動開關(guān)在第1 循環(huán)和第2 循環(huán)試驗(yàn)后觸點(diǎn)回跳時間明顯增大，但最大值仍在1.18 ms以下。第2循環(huán)試驗(yàn)后，1#、2#、4#、5#、6#和10#開關(guān)觸點(diǎn)回跳時間均超過2 ms，最大值達(dá)到3.13 ms。試驗(yàn)過程中，第1組微動開關(guān)常開端接觸電阻變化不大，均未失效，接觸電阻超差均發(fā)生在常閉端。第1 循環(huán)試驗(yàn)后，6#和10#開關(guān)常閉端接觸電阻超差，電阻增大至MΩ 量級，其余開關(guān)常閉端接觸電阻均有不同程度的增大，為歐姆級；第2 循環(huán)試驗(yàn)后，開關(guān)常閉端接觸電阻持續(xù)增大，新增5#和8#開關(guān)常閉端接觸電阻失效；第3循環(huán)試驗(yàn)后，新增1#和2#開關(guān)常閉端接觸電阻失效。整個試驗(yàn)過程中，開關(guān)常閉端接觸電阻測試結(jié)果呈現(xiàn)非線性增大現(xiàn)象，測試結(jié)果離散性較大。外場故障件返廠復(fù)測的17 只WWK-6A 微動開關(guān)中有8 只開關(guān)觸點(diǎn)回跳時間超過2 ms，2 只開關(guān)常閉端接觸電阻超閾值。從復(fù)測數(shù)據(jù)來看，觸點(diǎn)回跳時間出現(xiàn)超2 ms的開關(guān)也同時出現(xiàn)常開端接觸電阻增大的情況，接觸電阻的離散性較大。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果與外場試驗(yàn)結(jié)果具有相似性。

第2組微動開關(guān)觸點(diǎn)回跳時間增大十分明顯。第1循環(huán)試驗(yàn)后，14#和19#微動開關(guān)失效，觸點(diǎn)回跳時間無法測試，其余微動開關(guān)觸點(diǎn)回跳時間測試結(jié)果正常，最大值為1.6 ms；第2循環(huán)后，12#、14#、15#、19#和20#微動開關(guān)失效，最大值高達(dá)4.75 ms。第2循環(huán)后，超過半數(shù)微動開關(guān)觸點(diǎn)回跳時間超差，因此，預(yù)處理后，微動開關(guān)試驗(yàn)件僅進(jìn)行了2 個循環(huán)試驗(yàn)。預(yù)處理后的開關(guān)接觸電阻超差不再集中于常閉端。第1循環(huán)試驗(yàn)后，置于屏蔽罩內(nèi)的14#微動開關(guān)常開端接觸電阻失效；第2循環(huán)試驗(yàn)后，12#和15#開關(guān)常開端出現(xiàn)接觸電阻超差，14#開關(guān)常開端與常閉端均出現(xiàn)接觸電阻超差。

2.2 主要影響因素分析

2.2.1 觸點(diǎn)表面電燒蝕的影響

從試驗(yàn)結(jié)果總體上看，觸點(diǎn)表面電燒蝕加快了微動開關(guān)失效的進(jìn)程。從觸點(diǎn)回跳時間測試結(jié)果來看，第2 組微動開關(guān)經(jīng)歷預(yù)處理后，在第1 循環(huán)試驗(yàn)后便出現(xiàn)了失效現(xiàn)象，而第1 組未預(yù)處理的開關(guān)在第3 循環(huán)試驗(yàn)后才出現(xiàn)失效，這與預(yù)處理造成的銀質(zhì)觸點(diǎn)試驗(yàn)的起始損傷狀態(tài)有關(guān)，預(yù)處理造成的電燒蝕提高了觸點(diǎn)的腐蝕敏感性，更利于腐蝕發(fā)生和發(fā)展，并為腐蝕產(chǎn)物積聚提供了便利條件。另外，0.6 A、200次帶電轉(zhuǎn)換后觸點(diǎn)回跳時間無明顯變化，且該型號微動開關(guān)經(jīng)歷整個電壽命試驗(yàn)（10 000次帶電轉(zhuǎn)換）后觸點(diǎn)回跳時間仍正常，說明電應(yīng)力和電燒蝕不足以導(dǎo)致觸點(diǎn)回跳時間失效，但預(yù)處理試驗(yàn)在第1 個循環(huán)試驗(yàn)后就出現(xiàn)失效，則可進(jìn)一步證明腐蝕和腐蝕產(chǎn)物是造成觸點(diǎn)回跳時間失效的關(guān)鍵，而電燒蝕與腐蝕的耦合會加劇該失效的進(jìn)程。

從接觸電阻測試結(jié)果來看，無預(yù)處理微動開關(guān)接觸電阻失效均發(fā)生在常閉端，常開端接觸電阻均正常，而預(yù)處理微動開關(guān)接觸電阻失效在常開和常閉端均有發(fā)生。鑒于0.6 A 電流僅作用于微動開關(guān)常開端，所以，對比有無預(yù)處理試驗(yàn)件常開端接觸電阻失效情況，表明在預(yù)處理中，0.6 A 電流引起觸點(diǎn)表面燒蝕與后續(xù)試驗(yàn)過程中腐蝕的耦合作用加劇了開關(guān)常開端接觸電阻的性能劣化。

外場與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)微動開關(guān)內(nèi)部觸點(diǎn)表面形貌對比如圖2 所示，內(nèi)外場產(chǎn)品的損傷特征具有相似性。外場故障件和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)后微動開關(guān)觸點(diǎn)表面均有明顯電燒蝕和氧化痕跡。

圖2 微動開關(guān)觸點(diǎn)表面形貌Fig.2 Surface morphology of microswitch contacts

2.2.2 腐蝕試驗(yàn)應(yīng)力的影響

隨著循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)的增多，出現(xiàn)觸點(diǎn)回跳時間增加的情況也就越多，該性能超差比例將越高。對于第1 組未預(yù)處理的微動開關(guān)試驗(yàn)件，在試驗(yàn)第1、2 循環(huán)時，直接暴露在鹽霧試驗(yàn)箱內(nèi)的微動開關(guān)失效個數(shù)較多，但當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至第3循環(huán)時，有鹽霧遮蔽的開關(guān)失效數(shù)量反而略多。對于第2組預(yù)處理后的微動開關(guān)試驗(yàn)件，屏蔽罩對開關(guān)失效數(shù)量的影響并不明顯。

在鹽霧試驗(yàn)環(huán)節(jié)，屏蔽罩能夠防止鹽霧直接沉降在開關(guān)表面產(chǎn)生積液，但鹽霧仍能通過側(cè)邊開孔擴(kuò)散、沉降在產(chǎn)品表面。在鹽霧試驗(yàn)和隨后的濕熱試驗(yàn)中，沉積的鹽會沿產(chǎn)品縫隙進(jìn)入內(nèi)部，在觸點(diǎn)、簧片等金屬結(jié)構(gòu)表面附著，加速腐蝕的發(fā)生。在鹽霧試驗(yàn)的干燥環(huán)節(jié)，由于屏蔽罩的影響，內(nèi)部濕氣擴(kuò)散慢，造成高濕度環(huán)境持續(xù)時間更長。另外，每1 個循環(huán)試驗(yàn)的測試環(huán)節(jié)后，開關(guān)均會進(jìn)行0.6 A電流轉(zhuǎn)換動作50次，帶電轉(zhuǎn)換會由于觸點(diǎn)接觸動作以及可能燃起的電弧而將表面部分鹽沉積和腐蝕產(chǎn)物清除。

對于第1 組未進(jìn)行預(yù)處理的試件，在第1 個循環(huán)試驗(yàn)中，直接暴露的產(chǎn)品內(nèi)部更容易滲入鹽分，誘發(fā)觸點(diǎn)表面腐蝕。腐蝕發(fā)生和發(fā)展的初期，對于具有鈍化膜保護(hù)的觸點(diǎn)表面，滲入鹽的多少顯著影響著腐蝕程度。經(jīng)過50次帶電轉(zhuǎn)換動作，置于屏蔽罩內(nèi)和直接暴露于鹽霧箱內(nèi)的開關(guān)樣品內(nèi)部觸點(diǎn)表面殘留鹽的狀態(tài)基本一致。隨著觸點(diǎn)腐蝕的發(fā)展和表面損傷的積累，沉積鹽對腐蝕程度的影響減弱，表面連續(xù)微液膜持續(xù)時間的影響更加顯著，使置于屏蔽罩內(nèi)的產(chǎn)品腐蝕程度相對較高。對于第2組預(yù)處理的試件，在第1個循環(huán)試驗(yàn)前，觸點(diǎn)表面具有一定防護(hù)性能的鈍化膜就已經(jīng)遭到了破壞，在高濕度環(huán)境中的腐蝕敏感性提高，腐蝕發(fā)生階段鹽分破鈍作用不大，鹽沉積對腐蝕的影響較小，這是造成不同組別試件受屏蔽罩影響存在差別的主要原因。

2.2.3 觸點(diǎn)開閉狀態(tài)的影響

從不同循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果來看，僅發(fā)生腐蝕的常閉觸點(diǎn)端接觸電阻相比于常開觸點(diǎn)端增大顯著。這說明觸點(diǎn)表面腐蝕的發(fā)生和發(fā)展是造成觸點(diǎn)對接觸電阻增大的最主要原因。微動開關(guān)內(nèi)部常閉觸點(diǎn)對特殊的細(xì)微結(jié)構(gòu)更容易造成腐蝕介質(zhì)積聚，腐蝕介質(zhì)作用時間更長，且存在縫隙的誘導(dǎo)腐蝕因素，腐蝕程度更高。由于預(yù)處理和帶電轉(zhuǎn)換動作均施加于常開觸點(diǎn)端，常開觸點(diǎn)對雖然存在電燒蝕與腐蝕損傷的耦合效應(yīng)，但腐蝕性微液膜持續(xù)作用時間短、局部腐蝕嚴(yán)酷度低，且受到電流的清除作用影響，表面腐蝕產(chǎn)物積聚少，接觸電阻增大程度相對較低。

3 微動開關(guān)觸點(diǎn)回跳時間增大故障機(jī)理分析

從失效微動開關(guān)中選取5#（未預(yù)處理、有屏蔽罩）、10#（未預(yù)處理、直接暴露）、15#（預(yù)處理、有屏蔽罩）和19#（預(yù)處理、直接暴露）進(jìn)行拆解，觀察開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)形貌如圖3所示。

圖3 失效開關(guān)內(nèi)部簧片及常開、常閉觸點(diǎn)形貌圖Fig.3 Surface morphology of the reed,normally open contact and normally closed contact of failed microswitches

試驗(yàn)后，開關(guān)按鈕與殼體縫隙處白色鹽堆積明顯，塑料殼體內(nèi)表面附著鹽顆粒沉積，開關(guān)3個接線端子均變色發(fā)黑。觀察內(nèi)部簧片、常開端觸點(diǎn)和常閉端觸點(diǎn)表面形貌，預(yù)處理后的15#和19#開關(guān)常開觸點(diǎn)表面有大量黑色物質(zhì)覆蓋，電燒蝕情況嚴(yán)重。無論是否置于屏蔽罩內(nèi)，簧片均發(fā)生一定程度的腐蝕，顏色變黑，簧片材料為鈹青銅，在高濕度鹽霧環(huán)境下極易被腐蝕。試驗(yàn)結(jié)束后，常閉觸點(diǎn)表面大部分區(qū)域仍保持光潔，局部位置出現(xiàn)腐蝕點(diǎn)并呈現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物堆積。

常開端觸點(diǎn)在試驗(yàn)中不僅會受到腐蝕性環(huán)境影響，而且還會受到預(yù)處理和各循環(huán)試驗(yàn)中由帶電轉(zhuǎn)換引起的電弧影響。微動開關(guān)內(nèi)部常開端觸點(diǎn)與常閉端觸點(diǎn)材質(zhì)相同，在相同的試驗(yàn)環(huán)境中，表面發(fā)生的腐蝕類型也相同。未預(yù)處理的開關(guān)常開端觸點(diǎn)表面狀態(tài)較光潔，僅有較小區(qū)域出現(xiàn)深色損傷點(diǎn)，而預(yù)處理后的開關(guān)常開端觸點(diǎn)表面深色范圍更大、程度更深。

圖4 為15#開關(guān)常開觸點(diǎn)對表面微觀形貌。從損傷分布和微觀特征上看，其表面不僅存在電燒蝕的典型特征，而且腐蝕損傷特征也比較顯著，存在腐蝕產(chǎn)物的積聚。預(yù)處理樣品在0.6A、200 次轉(zhuǎn)換動作作用下，觸點(diǎn)對之間起弧、燒蝕，觸點(diǎn)表面材料熔融，伴隨分?jǐn)嚅]合動作，觸點(diǎn)對之間的物質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，造成觸點(diǎn)表面損傷。在鹽霧和高濕的作用下，損傷后粗糙不平的觸點(diǎn)表面為連續(xù)微液膜的形成提供了便利條件，不均勻鈍化膜也更有利于腐蝕發(fā)生和發(fā)展。

圖4 15#開關(guān)常開觸點(diǎn)對表面微觀形貌Fig.4 Surface micromorphology of the normally open contacts of microswitch 15#

各試驗(yàn)循環(huán)中的帶電轉(zhuǎn)換雖對表面腐蝕產(chǎn)物具有一定的清除作用，但也會進(jìn)一步加劇表面的損傷，進(jìn)而加速隨后循環(huán)試驗(yàn)中的腐蝕發(fā)展。相比于預(yù)處理200 次的帶電轉(zhuǎn)換，循環(huán)試驗(yàn)中的帶電轉(zhuǎn)換次數(shù)較少，對觸點(diǎn)表面損傷范圍和程度的影響也較小。

外場故障件和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)后微動開關(guān)觸點(diǎn)表面微觀形貌對比如圖5 所示，觸點(diǎn)表面均有明顯電燒蝕與腐蝕耦合的痕跡。

圖5 微動開關(guān)內(nèi)部觸點(diǎn)表面微觀形貌Fig.5 Surface micromorphology of microswitch contacts

外場故障件典型腐蝕區(qū)域EDS分析結(jié)果表明，該位置檢測到O、Si、Ag、Pd、Fe等元素，其中含O和Fe元素說明該區(qū)域存在腐蝕產(chǎn)物，應(yīng)為銀鈀合金（AgPd20）中Fe雜質(zhì)所致，AgPd20中Fe元素含量達(dá)0.1%。使用環(huán)境中的腐蝕性氣氛進(jìn)入微動開關(guān)易使得內(nèi)部金屬觸點(diǎn)材料腐蝕，在電燒蝕和按壓轉(zhuǎn)換動作的影響下，腐蝕氧化程度加重，因此，觸點(diǎn)接觸區(qū)域腐蝕產(chǎn)物堆積明顯。EDS 結(jié)果中，Si 元素含量18%，應(yīng)為大氣中漂浮的塵土顆粒所致，塵土顆粒從按鈕周圍的縫隙逐漸滲入到開關(guān)內(nèi)部觸點(diǎn)表面并沉積，在振動環(huán)境下加劇觸點(diǎn)表面的磨損，加速腐蝕。

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)后，微動開關(guān)常閉觸點(diǎn)端EDS分析表明，局部腐蝕點(diǎn)腐蝕產(chǎn)物中含有大量的Fe元素。在腐蝕性液膜環(huán)境中，銀質(zhì)觸點(diǎn)表面的含F(xiàn)e 雜質(zhì)相對于Ag的電極電位更負(fù)，容易發(fā)生陽極溶解，產(chǎn)生腐蝕點(diǎn)，腐蝕產(chǎn)物在局部堆積。這也是觸點(diǎn)表面出現(xiàn)褐色的主要原因。在腐蝕和電燒蝕的疊加作用下，微動開關(guān)觸點(diǎn)表面粗糙度增大顯著。由于腐蝕產(chǎn)物的存在，大大降低了觸點(diǎn)材料電導(dǎo)率，增大了觸點(diǎn)對之間的接觸電阻。

根據(jù)Holm 電接觸理論，理想的接觸表面應(yīng)是光滑的，但實(shí)際接觸面微觀上是凹凸不平的，凸起的地方相互接觸形成機(jī)械接觸面積，在機(jī)械接觸面積中，由導(dǎo)電斑點(diǎn)直接相互接觸的部分才構(gòu)成實(shí)際的導(dǎo)電接觸面，導(dǎo)電接觸面積只占接觸面積的很小一部分[16-17]。由于上述原因，實(shí)際電接觸是通過凸起的導(dǎo)電尖峰進(jìn)行導(dǎo)電的，當(dāng)電流流經(jīng)接觸表面時，電流線在尖峰處會發(fā)生收縮和彎曲。電流線收縮會導(dǎo)致路徑的延長，這一現(xiàn)象產(chǎn)生的附加電阻被稱為收縮電阻，在未退化的條件下，直流接觸電阻可以等效為若干收縮電阻的并聯(lián)。事實(shí)上，隨著接觸表面的退化，在接觸表面往往覆蓋一層污染膜，此現(xiàn)象所產(chǎn)生的附加電阻稱為膜層電阻，因此，在直流條件下，接觸電阻往往可表示為收縮電阻和膜層電阻之和，其中，膜層電阻是造成接觸電阻變化的主要原因[18]。由電接觸理論可知：

式（1）～（3）中：Rc為接觸電阻；Rδ為收縮電阻；Rf為膜電阻；a為接觸點(diǎn)半徑；n為接觸面接觸點(diǎn)個數(shù)；ρ為導(dǎo)體電阻率；α為Holm 半徑；σ為膜層隧道電阻率。接觸面積、導(dǎo)體電阻率、表面粗糙度、腐蝕產(chǎn)物膜等都是影響開關(guān)接觸電阻的主要影響因素，同時，這些因素也會對觸點(diǎn)回跳時間產(chǎn)生影響。另外，觸點(diǎn)表面狀態(tài)、觸點(diǎn)閉合速率、接觸壓力、接觸形式等對開關(guān)接觸回跳現(xiàn)象均有直接影響。觸點(diǎn)回跳時間和接觸電阻的影響因素、影響規(guī)律基本一致。

試驗(yàn)中，腐蝕和電燒蝕造成的接觸表面改變主要集中在表面粗糙度增大、腐蝕/氧化、多余物（腐蝕產(chǎn)物）積聚等方面，這與外場故障微動開關(guān)的接觸片多處位置發(fā)黑，動、靜觸點(diǎn)有明顯腐蝕/氧化痕跡一致。電燒蝕對表面粗糙度的影響較為明顯，同時可以促進(jìn)表面氧化。表面粗糙度的增大可能造成接觸面積的增大或減小，對接觸電阻和觸點(diǎn)回跳時間的影響具有不確定性。

銀質(zhì)觸點(diǎn)在本次試驗(yàn)條件下主要發(fā)生雜質(zhì)相的微電偶腐蝕，對表面粗糙度的影響不大，但會產(chǎn)生較多的腐蝕產(chǎn)物積聚在觸點(diǎn)表面，形成疏松、導(dǎo)電性差的氧化物（腐蝕產(chǎn)物）膜層，使得接觸位置膜電阻增大，在相同接觸壓力和觸發(fā)速率下，開關(guān)觸點(diǎn)對完全閉合所需的時間延長，觸點(diǎn)回跳時間延長。相比于電燒蝕對觸點(diǎn)表面膜電阻的影響，腐蝕產(chǎn)物形成的膜層厚度更大，導(dǎo)電率更低，對開關(guān)性能退化的影響更大。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的由干濕交替酸性鹽霧試驗(yàn)和濕熱試驗(yàn)組成的海洋大氣環(huán)境效應(yīng)加速模擬試驗(yàn)剖面，成功復(fù)現(xiàn)了外場故障現(xiàn)象，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對腐蝕性環(huán)境、電燒蝕等因素對觸點(diǎn)回跳時間增大的影響機(jī)制進(jìn)行了分析，可以得出如下結(jié)論：

1）觸點(diǎn)回跳時間和接觸電阻的主要影響因素、影響規(guī)律基本一致；

2）預(yù)處理過程中的電燒蝕破壞了觸點(diǎn)表面，提高了觸點(diǎn)的腐蝕敏感性，腐蝕與電燒蝕耦合效應(yīng)對微動開關(guān)觸點(diǎn)回跳時間增大的影響非常顯著。