航天繼電器用AgCuONiO 電接觸材料的 電壽命服役性能研究

喬正陽，劉振武，李江，劉賁，張朝權(quán)，杜開祥，沈濤，吳新合

（1.貴州航天電器股份有限公司，貴州 貴陽 550009；2.浙江大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；3.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094；4.溫州宏豐電工合金股份有限公司，浙江 溫州 325026）

航天繼電器主要應(yīng)用在運載火箭、衛(wèi)星、通信雷達以及測控裝置中，實現(xiàn)信息控制和傳輸、電路轉(zhuǎn)換、控制回路、控制系統(tǒng)供電等任務(wù)[1-2]。航天繼電器對整個軍事武裝體系及其航天航空系統(tǒng)的可靠性具有決定性影響[3-4]，繼電器在飛機上作為轉(zhuǎn)換、接通電流和交流電流之用，占有非常重要的地位，一旦機載設(shè)備上的繼電器發(fā)生故障，將嚴重危及飛行安全[5]。以建造的空間站為例，對其內(nèi)部航天繼電器的要求壽命為30 a，因此需要對航天繼電器的材料、制備工藝以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行改進，使航天繼電器朝長壽命、高可靠方向發(fā)展[6]。

繼電器的電壽命是指在一定的工作條件下，其正常完成閉合和斷開功能而可承受的循環(huán)次數(shù)。繼電器的電壽命主要取決于分斷過程的燃弧特性及電弧對觸點的燒蝕特性，同時，觸點回跳是無法避免的，且通常會導(dǎo)致材料侵蝕以致失效[7-8]。對多起繼電器失效原因進行統(tǒng)計與分析可以發(fā)現(xiàn)，大部分故障均可溯源至觸點處，失效模式主要包括觸點熔焊、觸點接觸不良、材料轉(zhuǎn)移與液滴飛濺等，其中觸點熔焊故障是繼電器最為嚴重的故障[9]，因此消除熔焊故障為研究者們的工作重點。

在電接觸材料中，銀基復(fù)合材料是被研究與應(yīng)用最廣的。銀基復(fù)合材料因其具有良好的抗熔焊性、回跳特性、導(dǎo)電性等優(yōu)勢，在繼電器、斷路器和接觸器等元器件中得到廣泛應(yīng)用[10]。隨著電接觸材料的發(fā)展，廣大研究者發(fā)現(xiàn)，Ag/MeO 材料具有抗熔焊能力強、接觸電阻低、耐磨損性能良好等優(yōu)點[11-12]。AgCdO電接觸材料由于具有優(yōu)異的力學(xué)和電氣性能而被稱作“萬能觸點”[13]，但是CdO 中的Cd 有毒，容易導(dǎo) 致肝癌、前列腺癌和肺癌等重大疾病。為此，歐盟立法并強制執(zhí)行《關(guān)于限制在電子電器設(shè)備中使用某些有害成分的指令》（RoHS 指令）和《廢舊電子電氣設(shè)備》（WEEE 指令），禁止使用含Cd 的電接觸材料[14]。近年來，在電接觸材料領(lǐng)域中，研究的一個重要主題就是開發(fā)新型環(huán)境友好的電接觸材料[15]。AgCuONiO電接觸材料中的CuO、NiO 氧化相彌散分布于基體相中，顯著提高了電接觸材料的抗熔焊和耐磨損性能[16]。采用合金內(nèi)氧化法制備的AgCuONiO 材料具有接觸電阻低且穩(wěn)定、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)良、氧化物細小且分布均勻、電壽命長且工藝相對簡單等特征優(yōu)勢[17]，可用于替代AgCdO，并在航天繼電器上有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 試驗

1.1 合金內(nèi)氧化原理

合金內(nèi)氧化法是指在一定溫度下，通過調(diào)控氧原子擴散過程，對溶質(zhì)進行選擇性氧化，從而生成氧化物，作為第二相增強金屬基復(fù)合材料。其機理為，合金材料表面間隙受到O2分子的侵入，從而使得O2分子吸附在合金粒子表面，且在一定條件下分解，形成的O 原子繼續(xù)吸附于合金粒子表面。O 原子開始向合金粒子內(nèi)部擴散，遇到易氧化的金屬原子發(fā)生氧化反應(yīng)，從而生成金屬氧化層。O 原子繼續(xù)向內(nèi)擴散，擴大氧化區(qū)域，至合金被完全氧化[18]。內(nèi)氧化要求：合金中氧的溶解度和擴散系數(shù)大；氧與溶質(zhì)元素能形成穩(wěn)定的氧化物。這樣容易形成氧化物微粒，且穩(wěn)定分布在合金內(nèi)部[19]。該工藝的生產(chǎn)流程如圖1 所示。

圖1 合金內(nèi)氧化工藝流程 Fig.1 Flow chart for internal oxidation process of alloy

1.2 AgCuONiO 電接觸材料的制備

本試驗所采用原材料Ag（浙江宏達化學(xué)制品有限公司，浙江）、Cu（洛陽銅加工集團有限責(zé)任公司，河南）、Ni（金川集團股份有限公司，甘肅）的純度均大于99.95%。將原料按Cu（4%）、Ni（0.5%）、Ag（余量）成分配料，采用RMT100 型水平連鑄機，在N2氣氛保護下進行熔鑄，再利用冷軋工藝獲得合金試樣。在箱式電阻爐中，對AgCu(4)Ni(0.5)合金試樣進行內(nèi)氧化處理，氧化介質(zhì)為空氣，平均升溫速率為10 ℃/min，氧化溫度為800 ℃，保溫時間為5 h，冷卻方式為空冷，制備出相應(yīng)的AgCuONiO 電接觸材料[17,20]。電壽命試驗組件實物如圖2 所示。

圖2 電壽命試驗組件實物 Fig.2 Physical map of electrical life test components: a) front view;b) side view

1.3 電壽命模擬試驗

利用電壽命模擬試驗設(shè)備（自制CES-3000L 觸點材料電性能模擬試驗系統(tǒng)），在相同的電壓電流下對AgCuONiO 與商用AgCdO 電接觸材料進行通斷試驗。具體試驗設(shè)置參數(shù)：電壓（DC）為28 V，電流為25 A；負載性質(zhì)為阻性；通/斷時間比為1 s∶1 s；觸點開距為0.65 mm；觸點靜壓力為0.7 N；環(huán)境條件為空氣、室溫、常濕；定數(shù)5 萬次為試驗終止閾值，若中途發(fā)生觸點熔焊粘接等故障，則立刻終止試驗。

本文的模擬試驗主要考察了循環(huán)次數(shù)對其失效模式、質(zhì)量損失、燃弧特性、熔焊力、接觸電阻、回跳特性等電接觸性能的影響規(guī)律，并與商用AgCdO材料進行對比。

2 結(jié)果與討論

2.1 電壽命循環(huán)服役能力

AgCuONiO 與AgCdO 電接觸材料經(jīng)過電壽命模擬試驗后，其終態(tài)電壽命服役周期差異明顯。AgCuONiO 材料的電壽命服役周期較高，為44 073次，明顯高于商用AgCdO 產(chǎn)品（15 005 次）。因此，在電壽命服役周期方面，AgCuONiO 明顯優(yōu)于商用AgCdO 電接觸材料。AgCuONiO 與AgCdO 電接觸材料的失效模式分別為無法分斷電弧和粘連失效。無法分斷電弧表現(xiàn)為電弧持續(xù)燃燒，無法滅弧，其機理為觸點分斷到額定開距后，電弧不能在規(guī)定時間內(nèi)熄滅，或電弧熄滅后又發(fā)生擊穿，導(dǎo)致觸點燒毀失效[21]。粘連失效表現(xiàn)為動靜觸點發(fā)生熔焊，其機理為提供給觸點的分離力小于觸點的熔焊力，動觸點和靜觸點分斷失效，從而無法分斷電路[22]。

利用掃描電子顯微鏡（GEMINI 300）對樣品進行掃描，AgCuONiO 電接觸材料失效時的形貌以及成分如圖3 所示。圖3a、c、d 為陽極（動觸點）的形貌與元素掃描圖，圖3b、e、f 為陰極（靜觸點）的形貌與元素掃描圖。在元素掃描圖中未檢測到Cu、Ni 元素，這是由于觸點表面在電弧作用下形成熔池，輕質(zhì)高熔點的 CuO 顆粒與NiO 顆粒在電弧熱、力場等共同作用下發(fā)生趨膚行為，聚集于陰極熔池和陽極熔池的表面，在持續(xù)的多場循環(huán)作用后，觸點表面的CuO、NiO 等組分以飛濺形式逃逸。圖3a 中A 區(qū)域是一個較大的電弧侵蝕凹坑，大部分材料轉(zhuǎn)移至圖3b 中的Β 區(qū)域，這與后文質(zhì)量損失變化保持一致。由于開距為0.65 mm（＜1 mm），此時金屬相電弧為主導(dǎo)，材料從陽極轉(zhuǎn)移到陰極，即當溫度達到沸點時，熔池汽化轉(zhuǎn)化為金屬蒸氣，產(chǎn)生蒸發(fā)損耗。電弧熄滅后，氣體、液體材料冷凝為固體，并伴隨材料轉(zhuǎn)移[23]。結(jié)合圖3c、d 可以看出，轉(zhuǎn)移的材料成分為Ag。因此，AgCuONiO 電接觸材料的失效原因主要為液滴飛濺與材料轉(zhuǎn)移，電弧不能在規(guī)定時間內(nèi)熄滅，從而導(dǎo)致無法分斷電弧。AgCdO 電接觸材料失效時的形貌以及元素掃描圖見圖4。圖4a、c、d、e 為陽極（動觸點）的形貌與元素掃描圖，圖4b、f、g、h 為陰極（靜觸點）的形貌與元素掃描圖。圖4a 中A、Β 處表現(xiàn)為凹坑，圖4b 中C、D 處表現(xiàn)為凸丘。結(jié)合元素掃描圖可知，凹坑與凸丘為富Ag 區(qū)，因此A、Β處分別與C、D 處發(fā)生點熔焊，導(dǎo)致觸點分斷失效，進而無法分斷電路。

圖3 AgCuONiO 電接觸材料失效時的形貌（a、b）與元素掃描圖（c—f）Fig.3 Morphology (a,b) and scanned element (c—f) of AgCuONiO electrical contact material at failure

圖4 AgCdO 電接觸材料失效時的形貌（a、b）與元素掃描圖（c—h）Fig.4 Morphology (a,b) and scanned element (c—h) of AgCdO electrical contact material at failure

2.2 質(zhì)量損失變化

AgCuONiO 與AgCdO 電接觸材料的質(zhì)量損失變化見表2。AgCuONiO 材料的動觸點質(zhì)量變化量為增量，而靜觸點的質(zhì)量變化量為減量，觸點表面材料從陽極向陰極發(fā)生轉(zhuǎn)移，而商用AgCdO 材料則出現(xiàn)了相反的質(zhì)量變化趨勢，觸點表面材料從陰極向陽極發(fā)生轉(zhuǎn)移，AgCuONiO 的動靜觸點的材料轉(zhuǎn)移量均為商用AgCdO 材料的10 倍左右。AgCuONiO 與AgCdO電接觸材料的總質(zhì)量損失均為負值，其中AgCuONiO材料的總質(zhì)量損失較大。這與其更長的電壽命服役周期有關(guān)，而優(yōu)良的電壽命服役性能表現(xiàn)為小的質(zhì)量損失與材料轉(zhuǎn)移，因此AgCuONiO 電接觸材料還需進一步減小質(zhì)量損失變化。

表1 AgCuONiO 與AgCdO 電接觸材料的質(zhì)量損失變化 Tab.1 Changes in mass loss of AgCuONiO and AgCdO electrical contact materials

2.3 燃弧特性

AgCuONiO 與AgCdO 電接觸材料的燃弧時間隨循環(huán)次數(shù)的變化如圖5a 所示。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，AgCuONiO 電接觸材料的燃弧時間呈緩慢減小的趨勢，整體趨于平穩(wěn)，而AgCdO 材料隨循環(huán)次數(shù)的增加，燃弧時間呈先快速增大、后逐漸減小的趨勢，直至觸點粘連失效。經(jīng)計算得出，AgCuONiO 材料的平均燃弧時間（燃弧時間的總和與循環(huán)次數(shù)的比值）為4 222 μs，AgCdO 材料的平均燃弧時間為3 391 μs。AgCuONiO 材料具有更長的燃弧時間的原因可能是CuO 與NiO 顆粒聚集，能夠長時間維持電弧能量，從而導(dǎo)致在某些循環(huán)次數(shù)中其燃弧時間相對較長。

AgCuONiO 與AgCdO 電接觸材料的燃弧能量隨循環(huán)次數(shù)的變化如圖5b 所示。分析可知，燃弧能量與燃弧時間隨循環(huán)次數(shù)的變化趨勢基本一致，這說明燃弧能量與燃弧時間之間存在一定的正相關(guān)性。較低的燃弧時間表明，觸點在閉合斷開過程中克服的熔焊力較小，僅需相對較小的燃弧能量維持電弧。經(jīng)計算得出，AgCuONiO 材料的平均燃弧能量（燃弧能量的總和與循環(huán)次數(shù)的比值）為694 mJ，AgCdO材料的平均燃弧能量為539 mJ。AgCuONiO 材料具有更高的燃弧能量，主要原因在于團聚的 CuO 與NiO 顆粒使得電弧弧根在其表面停留時間較久，增加了燃弧時間，導(dǎo)致動靜觸點結(jié)合處發(fā)生了更嚴重的熔焊，需要較大的燃弧能量維持電弧。AgCuONiO電接觸材料具有更大的熔焊力也在后續(xù)試驗中得到印證。

圖5 2 種材料燃弧時間和燃弧能量隨循環(huán)次數(shù)的變化 Fig.5 Changes of arcing time (a) and arcing energy (b) of two kinds of materials with cycle numbers

2.4 熔焊力與接觸電阻

熔焊是繼電器最為嚴重的故障，由于動、靜觸點的接觸碰撞經(jīng)常產(chǎn)生回跳現(xiàn)象，其發(fā)生熔焊時可分為3 種情況：觸點閉合接觸瞬間；觸點回跳分離瞬間；回跳后閉合接觸瞬間。由此產(chǎn)生的熔焊機理有2 種形式：熔池熔焊與橋熔焊。其中第一和第三種情況屬于熔池凝固形成的熔焊，即熔池熔焊，第二種情況屬于分離時產(chǎn)生液橋凝固，即橋熔焊[24]。因此，要以提升觸點的抗熔焊能力為目的，即要降低觸點回跳次數(shù)，減小熔焊力。

接觸電阻是表面膜電阻與收縮電阻之和[25]。在觸點斷開閉合操作的過程中，隨操作次數(shù)的增加，其一，舊膜幾乎被全部破壞，從而降低了接觸電阻；其二，觸點多次相互接觸碰撞，造成材料內(nèi)部電場不均勻與晶格畸變，從而增加了電子散射，接觸電阻相應(yīng)增大；其三，在負載操作過程中，材料溫升增高，形成新的表面膜，從而增大接觸電阻。因此，影響接觸電阻的因素取決于上述共同作用效果[26]。

應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域繼電器設(shè)備中的觸點材料，要求其具備優(yōu)異的抗熔焊性及接觸電阻低且穩(wěn)定的綜合性能。本試驗研究了AgCuONiO 材料和AgCdO材料的熔焊力與接觸電阻，2 種材料的熔焊力隨循環(huán)次數(shù)的變化如圖6a 所示。AgCuONiO 與AgCdO 材料熔焊力的波動范圍均基本在0.03～0.08 N，經(jīng)計算得出，AgCuONiO 材料的平均熔焊力為0.049 N，AgCdO材料的平均熔焊力為0.037 N，且2 種材料的方差十分接近，均在平均值附近波動。因此，AgCdO 材料的抗熔焊性能更加優(yōu)異，與上述試驗AgCdO 材料的燃弧時間和燃弧能量均較低相互印證。2 種材料接觸電阻隨循環(huán)次數(shù)的變化如圖6b 所示。從圖6b 中可以看出，AgCuONiO 材料的接觸電阻較穩(wěn)定，且主要分布在平均值以下，而AgCdO 的接觸電阻極不穩(wěn)定，波動范圍很大。經(jīng)計算得出，AgCuONiO 材料的平均接觸電阻為4.785 mΩ，方差為0.827，AgCdO 材料的平均接觸電阻為6.652 mΩ，方差為3.390。因此，與AgCdO 相比，AgCuONiO 材料的接觸電阻更低且穩(wěn)定，這是其電壽命服役周期長的主要原因。

圖6 2 種材料的熔焊力和接觸電阻隨循環(huán)次數(shù)的變化 Fig.6 Changes of welding force (a) and contact resistance (b) of two kinds of materials with cycle numbers

2.5 回跳特性

觸點回跳的原因可分為2 種：觸點機械碰撞導(dǎo)致表面的回跳變形；其他零件工作時引起的附加回跳。觸點回跳的類型可分為伴有熔橋或伴有電弧形成的回跳。在回跳閉合過程中，產(chǎn)生的電弧電壓只與材料有關(guān)，與電流、電壓及環(huán)境等因素?zé)o關(guān)[27]?；靥^程中產(chǎn)生的燃弧現(xiàn)象是導(dǎo)致熔焊失效的主要原因，且回跳閉合過程中產(chǎn)生的電弧所引起的熔焊力是最強的[28]。觸點回跳特性嚴重影響著質(zhì)量損失、燃弧時間、燃弧能量、熔焊力等電弧侵蝕性能，因此為了研究電壽命模擬試驗中電氣磨損和材料侵蝕特性，本試驗記錄了AgCuONiO 材料和AgCdO 材料的回跳次數(shù)、回跳時間和回跳能量。

AgCuONiO 材料和AgCdO 材料不同回跳次數(shù)對應(yīng)的頻率見表2。由表2 可知，AgCuONiO 材料回跳2 次的頻率最大，平均回跳次數(shù)為1.799；AgCdO 材料回跳1 次的頻率最大，平均回跳次數(shù)為1.466，2種材料的回跳次數(shù)特性接近。

表2 不同回跳次數(shù)對應(yīng)的頻率 Tab.2 Frequency corresponding to different bounce cycles

從圖7 可以看出，AgCuONiO 材料的平均回跳時間為592.999 μs，平均回跳能量為63.892 mJ，AgCdO材料的平均回跳時間為467.021 μs，平均回跳能量為50.262 mJ。2 種材料回跳時間和回跳能量的波動情況相似，均在較大范圍內(nèi)波動。分析可知，與AgCdO材料相比，AgCuONiO 材料的回跳時間較長，回跳能量較大，這是導(dǎo)致其質(zhì)量損失大、燃弧時間長、燃弧能量大、熔焊力大的主要原因。

圖7 2 種材料回跳時間和回跳能量隨循環(huán)次數(shù)的變化 Fig.7 2 Changes of bounce time (a) and bounce energy (b) of two kinds of materials with cycle numbers

3 結(jié)論

將用合金內(nèi)氧化法制備的 AgCuONiO 與商用AgCdO 電接觸材料進行電壽命模擬試驗，AgCuONiO材料的電壽命服役周期是AgCdO 材料的3 倍左右，其總質(zhì)量損失、燃弧時間、燃弧能量、熔焊力、回跳次數(shù)、回跳時間、回跳能量均大于AgCdO 電接觸材料，但其接觸電阻低且穩(wěn)定，可在需要服役壽命更長的航天繼電器應(yīng)用中代替AgCdO 電接觸材料。

接下來的工作重點應(yīng)放在改善回跳特性上，即減小回跳次數(shù)、回跳時間和回跳能量。如適當減小動簧片的剛度，抑制回跳電弧，以減小電氣磨損和材料侵蝕，進而減小質(zhì)量損失，提升燃弧特性和抗熔焊性能?？傮w而言，本試驗制備的AgCuONiO 電接觸材料可用于替代AgCdO，在航天繼電器應(yīng)用上有著廣泛的應(yīng)用前景。