Progrès récents dans le domaine de la résistance de contact des matériaux de contact électrique

En ingénierie, la résistance de contact et l'élévation de température des contacts peuvent provoquer des courts-circuits, des soudures ou des incendies. Actuellement, la recherche sur la résistance de contact des matériaux de contact électrique se divise en deux axes principaux : la recherche théorique, basée sur des modèles ou formules mathématiques. Par exemple, le blocage de l'état permanent a introduit les formules de résistance de contact circulaire, elliptique, circulaire, carrée et rectangulaire. Senchang Chen a présenté le dernier modèle de résistance de contact, le modèle GW. La recherche sur les équipements de test est également menée. Les données de résistance de contact sont obtenues grâce à des équipements de test, tels que le système de mesure automatique de la résistance de contact des nouveaux matériaux de contact de Wanbing Reng. Sa théorie est qu'il peut être utilisé pour tester 20 contacts avec une résolution de 0,1 M. Le système de détection ICT, fabriqué par Zhi Chen, permet de tester la résistance de contact des relais de puissance de 1 à 30 A. Comme chacun sait, la résistance de contact se compose de deux éléments : la résistance à la contraction et la résistance du film. De nombreux facteurs influencent la résistance de contact dans les applications pratiques, notamment les propriétés des matériaux, la rugosité, la forme des contacts, la suspension pneumatique, etc. Par conséquent, cet article se concentre sur l'analyse des facteurs d'influence de la résistance de contact des matériaux de contact électrique. Il présentera quelques méthodes pour réduire la résistance de contact des contacts électriques et présentera l'ensemble du développement de l'industrie électrique basse tension afin d'apporter un soutien technique.

Ⅰ. ANALYSE DES FACTEURS D'INFLUENCE

De nombreux facteurs influant sur la résistance de contact dépendent de sa nature. Il s'agit principalement du procédé de post-traitement, des propriétés du contact, de la pression de contact, de l'état du contact, de la pollution, de l'élévation de température, des facteurs environnementaux, etc. Les facteurs suivants sont analysés individuellement.

A. Procédé de post-traitement :
l'état de surface du produit de contact dépend principalement de la technologie de post-traitement. Il affecte directement la rugosité et la propreté de la surface de contact, ainsi que la qualité du post-traitement. Il influence également la taille et la stabilité de la résistance de contact. C'est pourquoi la taille et le nombre de points conducteurs sur les surfaces de contact rugueuses sont faibles. Idéalement, la surface de contact doit présenter une rugosité appropriée pour obtenir une résistance de contact faible et stable. Plus la rugosité est faible, plus la surface de contact est efficace pour réduire les gaz et particules nocifs, et réduire la formation de film d'oxyde, de film de durcissement et les risques de pollution environnementale. La propreté de la surface de contact se mesure par la quantité d'impuretés adsorbées. Ces impuretés ont un impact négatif sur la résistance de contact, ce qui est l'une des principales causes d'instabilité de la durée de vie électrique du contact. Jingxian Xiong a répertorié dans le tableau 1 quatre types de post-traitement d'échantillons de rivets, chacun étant mesuré à l'aide d'un testeur de résistance de contact CRM-2. Les conditions de test sont les suivantes : tension d'essai de 6 V CA, courant d'essai de 100 mA, pression de contact de 0,15 N. La résistance de contact moyenne des quatre séries d'échantillons est de 1,22 m, 2,05 m, 1,50 m et 0,74 m. Jingxian Xiong estime que les résultats des premiers groupes montrent une instabilité de la surface de contact due à l'adsorption inévitable de certaines impuretés lors de la production. De plus, l'adsorption de substances nocives lors de la production persiste sur la surface de contact. Si elle n'est pas éliminée, elle s'érode lentement, ce qui aggrave la détérioration de la surface de contact et augmente la résistance de contact. Les résultats des groupes 2 et 3 ne sont pas satisfaisants, ce qui indique qu'un post-traitement inapproprié aggraverait l'état de la surface de contact et que l'introduction de nouvelles impuretés nocives accélérerait la formation de Le film de surface a considérablement augmenté la résistance de contact. Les résultats des tests du quatrième groupe d'échantillons montrent que la surface de contact présente une bonne rugosité et une bonne propreté, et que la résistance de contact est faible et stable.


B. Propriétés de contact :
les faibles courants utilisent principalement des métaux précieux et leurs alliages ; les courants élevés utilisent principalement le cuivre, l’aluminium et leurs alliages ; les métaux précieux purs sont principalement utilisés dans le revêtement des contacts électriques, selon leur intensité. La microstructure du matériau de contact électrique détermine directement la résistance de contact, qui comprend principalement la dureté H et la résistivité ρ. La formule théorique de la résistance totale au retrait des points conducteurs est :


Le type a dans (1) correspond au rayon des points conducteurs. On constate que la résistance au retrait est liée à la résistance du métal. La résistivité du matériau de contact électrique est proportionnelle à la conductivité du rayon du point, qui est inversement proportionnelle. En cas de déformation plastique, la relation entre la surface d'indentation et la force de contact F est la suivante :


Le type ξ dans (2) est constant, compris entre 0,3 et 1. On observe que pour la dureté H, plus le rayon du point conducteur est grand, plus la résistance à la contraction Rs est élevée lorsque la force de contact F est en phase. Par conséquent, les propriétés de contact des matériaux, la dureté H et la résistivité, ont un effet déterminant sur la résistance de contact. Il convient de considérer cette valeur pour des duretés et des résistivités plus faibles de la même manière que la stabilité des matériaux de contact.

C. Pression de contact.
Selon l'analyse ci-dessus, la pression exercée sur l'unité de surface de contact est :


Le R est le rayon de courbure de la sphère rigide et H est la profondeur de l'indentation lorsque la sphère rigide et le plan entrent en contact.


La formule (4) permet d'obtenir la courbe PD. Comme le montre la figure 1, la courbe commence à monter rapidement, la surface de contact étant en phase de déformation élastique. Par la suite, la courbe tend à s'adoucir et la surface de contact est en phase de déformation plastique élastique. Lorsque D > 0,03, P reste constant et la surface de contact est en phase de déformation plastique complète.




Par conséquent, la résistance de contact du matériau de contact diminue avec l'augmentation de la pression de contact. Lorsque la pression atteint une certaine valeur, la résistance de contact reste pratiquement inchangée. Une augmentation continue de la pression entraînera une usure mécanique plus importante. La pression du matériau de contact doit donc être efficace et contrôlée dans une plage scientifiquement raisonnable. Pour les relais, la pression de contact augmente et l'aspiration électromagnétique augmente. Cela entraîne une augmentation de la taille du relais, une réduction de sa sensibilité, mais aussi un rebond important au contact, une augmentation de l'usure des contacts et une réduction de leur durée de vie. Ainsi, la pression de contact n'est pas la meilleure. Un contrôle raisonnable dans une plage sûre est assuré après une analyse approfondie et basée sur les facteurs ci-dessus.

D. État du contact.
Le matériau de contact électrique est divisé en trois types selon le type de contact. (1) Contact ponctuel, principalement entre une sphère et un plan ou entre une sphère et une surface en arc de cercle. D'un point de vue géométrique, les deux côtés se touchent en un point, mais la zone de contact est en réalité réduite ; (2) Contact linéaire, contact cylindre-plan, contact à surface cylindrique et contact à surface cylindrique parallèle ; (3) Contact surfacique, contact sur une surface large. L'influence de l'état de contact sur la résistance au retrait Rs s'exprime principalement par le nombre de points de contact. En général, pour un point de contact « n » au moins, la résistance au retrait doit être maximale et le contact linéaire entre les deux points de contact. L'effet de la forme du contact sur la résistance du film se manifeste principalement par la pression à chaque point de contact. Si la pression de contact est F et le point de contact est n, alors la pression à chaque point de contact F1 = F/n. Ainsi, la pression à chaque point de contact F1 et la forme du contact sont considérées comme des points de contact « n ». Dans les mêmes conditions, la pression de contact F est au moins égale à F, et chaque point de contact sous pression est le plus susceptible de détruire la surface de contact, ce qui diminue la résistance membranaire Rb. À l'inverse, pour un point de contact « n » au moins, la capacité de destruction de la surface de la table est réduite, la résistance du film Rb augmente et le contact linéaire entre les deux points de contact est plus faible. De plus, l'effet de la résistance de contact sur l'état de contact est lié à la pression de contact. Lorsque la pression de contact est faible, une faible résistance de contact n'est pas nécessairement meilleure qu'un contact ponctuel ou linéaire, comme l'illustrent les données du tableau 1.


E. Pollution de contact.
En raison de la diversité des polluants, tels que la poussière, les fibres, les liquides, etc., la plupart proviennent de l'environnement ou des technologies de traitement. La pollution est un facteur important affectant la résistance de contact du relais. Elle peut entraîner une résistance de film relativement élevée ou une corrosion chimique importante, augmentant ainsi la résistance de contact, réduisant ainsi considérablement sa durée de vie. Par conséquent, une production propre est aujourd'hui possible afin de réduire efficacement la pollution. Zhi Chen a signalé que les relais de contact présentent deux principales sources de pollution. Lors de leur fabrication, les relais sont inévitablement contaminés par la puce de cuivre, en raison de la présence de cuivre à la base. La surface de la puce de cuivre, recouverte d'une couche composite en alliage d'argent, s'oxyde facilement pour former de l'oxyde de cuivre. Elle est inévitablement affectée par les températures élevées, l'humidité et d'autres facteurs environnementaux après l'assemblage et le stockage du relais. La résistance de contact est mesurée entre 180 et 260 mV (6 V/1 A). La résistance de contact du contact sélectionné est inférieure à 30 mA (6 V/1 A). En cas de contact avec une autre surface de contact en présence de cuivre, la résistance de contact du contact augmentera et sera instable. (2) Substance volatile de colle instantanée : avant le test, la résistance de contact est inférieure ou égale à 30 mA (6 V/1 A). Colle plastique pour colle instantanée (phosphate modifié), température ambiante 26 °C, résistance de contact du relais après un certain temps. Lorsque la colle instantanée atteint 280-311 µg, la résistance de contact est supérieure à 999 µm, le contact n'est pas conducteur et un corps étranger blanc est visible sur la surface de contact. Le phosphate modifié étant un matériau isolant, une grande quantité de matériau adhérant à la surface de contact peut entraîner une résistance de contact élevée, voire non conductrice, du relais. Sa résistance de contact a été réduite, mais toujours supérieure à 138 m Lors de la réduction de l'utilisation de colle instantanée (95-110 mg). On peut voir que l'effet des volatils du gel instantané sur la résistance de contact est très important.

Xiaoping Bai a signalé l'impact des corps étrangers sur la résistance de contact, notamment une augmentation de la résistance de contact à la lumière ou une défaillance du contact. Les principales causes de la présence de corps étrangers sur la surface des contacts électriques sont : (1) la contamination des surfaces de contact lors du processus de fabrication par l'alliage, le cuivre et l'huile ; (2) l'utilisation de matériaux réfractaires, d'ustensiles, d'abrasifs, de produits de polissage et de lubrifiants pour les surfaces de contact électriques lors du traitement thermique et du traitement de surface ; (3) la contamination par la poussière, les fibres et la peau humaine lors de l'emballage et du stockage ; (4) la pollution par les plastiques et les huiles lors du processus d'assemblage. Des phénomènes fréquents se produisent, tels qu'une résistance de contact élevée, une élévation de température, voire une défaillance prématurée des contacts électriques due à la présence de corps étrangers sur la surface. Dix groupes de données expérimentales montrent que la surface du corps étranger augmente la résistance de contact. Lorsque la surface du corps étranger est retirée, la valeur moyenne des 10 ensembles de données de résistance de contact est de 5,145 m ; après retrait, la valeur moyenne des 10 ensembles de données de résistance de contact est de 0,474 m.

F. Élévation de la température de contact
 : lorsque la température de la surface de contact augmente, la surface et la surface de contact changent. Si la pression du contact ne change pas, la température élevée augmente la résistance, ce qui entraîne une augmentation de la résistance de contact. De plus, lorsque la température atteint une certaine valeur, le contact peut se ramollir, sa surface de contact augmente et sa résistance diminue. Par conséquent, l'élévation de température a un certain effet sur la stabilité du travail de contact. Le logiciel d'éléments finis COMSOL de WanbinRen Multiphysics a été utilisé pour établir le modèle du système de mesure de température dans le système de mesure de température qui comprend la paire de contacts, le thermocouple et la structure de pince de contact. Il est basé sur la mesure directe de l'élévation de température du contact électrique du rivet à l'intérieur du contact implanté. Les résultats de la simulation de l'élévation de température de la pression de contact et de la résistance du film obtenus sont présentés dans la figure. L'élévation de température ponctuelle et la résistance de contact sont positivement corrélées ; la pression de contact et l'augmentation du courant entraînent une diminution de la résistance de contact.



G. Facteurs environnementaux :
En atmosphère sèche, la surface des contacts électriques est principalement sujette à la corrosion sèche, ce qui nuit à leur oxydation et à leur durcissement. En atmosphère humide, l'adsorption de l'eau de surface dans l'air forme un film à la surface de l'eau, accumule les impuretés et les poussières de l'air, favorise la formation d'électrolytes et la corrosion des matériaux, passant de la corrosion chimique à la corrosion électrochimique, accélérant ainsi la corrosion. La pollution environnementale en Chine est très grave, principalement due aux facteurs environnementaux. Les défauts de contact en sont la cause principale. Dans la plupart des cas, les points de contact sont exposés à l'atmosphère. Les gaz corrosifs présents dans l'air, la poussière et les gaz organiques produisent des corps étrangers isolants à l'interface de contact. Par exemple, l'environnement de travail électrique automobile est relativement médiocre. Les pannes électriques automobiles actuelles sont souvent dues à un mauvais contact. L'augmentation de la température ambiante entraîne également des contraintes thermiques importantes sur la fiabilité des contacts. L'augmentation de la température accélère la diffusion et la migration des impuretés dans la matrice métallique. De plus, elle accélère la relaxation des contraintes, endommageant directement les propriétés mécaniques du connecteur et, par conséquent, la corrosion, et la formation d'un film de corrosion isolant à la surface. Les contraintes thermiques, notamment le mouvement relatif d'une onde régulière, provoquent une corrosion de contact, entraînant à terme une rupture de contact. Tonghui Li utilise du gaz corrosif SO2 pour corroder trois types de matériaux de contact. La conductivité varie avec l'épaisseur du film de corrosion, comme illustré à la figure 3. Comme on peut le constater, l'épaisseur du film est inférieure à 200 nm et la conductivité du matériau diminue linéairement avec l'augmentation de l'épaisseur du film, mais cette variation est peu marquée. Cela est dû au fait que la corrosion n'est pas très grave à ce stade, et à la formation d'une répartition non uniforme de la corrosion en îlots à la surface métallique. Lors de la mesure de conductivité, la surface de la sonde est facilement en contact avec la surface, sans aucune corrosion, ce qui augmente la conductivité électrique. Lorsque l'épaisseur du film est supérieure à 200 nm, la courbe présente un phénomène de battement anormal, qui peut être dû à une augmentation supplémentaire de la zone de couverture de l'îlot, de sorte que la sonde ne peut pas être facilement exposée à la fine couche du film de corrosion, cette fois la conductivité électrique diminue rapidement.

Ⅱ. CONCLUSION

En résumé, la résistance de contact des matériaux de contact électrique est influencée par de nombreux facteurs, et ce sous diverses formes. Quelle que soit la recherche sur la résistance de contact, l'objectif est d'améliorer la qualité des contacts et d'évaluer leur fiabilité grâce aux mécanismes de défaillance. L'objectif est de recueillir des preuves concrètes sous différents angles : théorie, expérimentation, micro-informatique, statistiques, matériaux, etc. Aujourd'hui, avec le développement rapide de l'électronique de puissance, les équipements électriques de contact restent les composants les plus importants des systèmes. Selon les statistiques, la production mondiale de relais avoisine les 4 milliards d'unités par an, sans compter leur pénétration dans l'économie nationale et dans tous les aspects de la vie quotidienne, tels que les interrupteurs, les prises et autres connecteurs. Il est donc crucial de réduire la résistance de contact et d'améliorer la fiabilité des contacts électriques, ce qui est essentiel pour améliorer la qualité des produits électriques de contact.