电子连接器微动摩擦磨损问题研究综述

王东伟，刘明星，陈 晓，曹善成，马 权

(1.中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610041；2.西北工业大学 航天学院，西安 710072)

电子连接器作为电路连接及信号传输的重要中间环节，被广泛应用于通信设备、轨道交通和航空航天及核电等重要领域[1-2]，例如：一架飞机上就需要装备几百甚至上千套电子连接器；举世瞩目的神舟飞船仅仅在推进舱和电源系统部分，就用到了不少于500套的电子连接器；而在核电仪控设备中，每套机组涉及到的连接器设备更是数不胜数[3]。因此，确保电子连接器的正常工作对保证电子系统的运行稳定性和可靠性意义重大。

资料统计表明：连接器失效率约占电子系统失效案例总数的40%～50%[4]。虽然电子连接器种类众多，但是其失效特征均表现为在工作过程中，连接器的接触电阻(ECR)逐渐增大，当其超过一定阀值时，接触副之间无法形成稳定持续的电子转移，最终导致断路现象产生。导致电子连接器发生失效的机理众多，根据其失效方式与工作环境的不同，其失效机理可以分为三类，即：微动磨损、应力松弛和振动疲劳[5]。

电子连接器的触点材料分为基体材料与表面镀层两部分。为了改善连接器的摩擦磨损性能，通常在基体金属上镀一层镀膜，如金、锡、镍族材料及合金等。由于电子连接器所处的工作环境与工作状态不同，因此触点材料的镀层选择需要综合考虑多方面的因素，如：接触电阻、耐磨性、抗振性、变形行为等，不同镀层材料由于本身属性的不同必然导致其摩擦磨损行为差异显著，因此关于镀层材料的研究在近些年受到了大量的关注[6]。综上所述：电子连接器的失效问题涉及摩擦学、材料学、动力学、电子学、物理化学、热力学等多种学科，在彻底认识其摩擦磨损与失效机理前依然需要开展大量的研究工作[1]。

国内外对电接触的研究已有一百多年历史，到20世纪50年代电接触才慢慢成为一个独立的学科。1941年Holm编著了《电接触技术物理》之后，随着电子系统越来越复杂，电接触的可靠性问题逐渐引起人们的关注，1974年IEEE Holm会议上首次发表了有关电接触对微动磨损的论文[7]，此后有关电接触微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀的问题引起国内外广泛关注。Hannel等[8]在对电子连接器微动磨损的研究中，提出了四个待解决问题，实际上，目前的大量研究工作也是基于这些问题开展的，即：

1) 微动滑移状态(幅值、温度、频率等)为什么能够影响电子连接器的电接触行为，以及它如何影响电接触行为。

2) 怎样解释贵金属与非贵金属涂层在改善电子连接器微动磨损特性之间的差异。

3) 对于性能优异的电子连接器，其最大可接受的相对微动位移值是多少。

4) 材料的弹塑性特性和摩擦系数对滑动状态和电接触响应的相互影响是什么。

目前，关于电子连接器微动摩擦磨损行为特性的研究成果散布于各种文献中，在2010年任万滨教授[1]的综述论文发表后，关于这方面的综述性论文鲜有报道。为此，作者拟从试验研究与分析、建模仿真与分析、影响因素研究与分析、失效机理和改进措施等5个方面对电子连接器的微动摩擦磨损研究现状进行阐述，力求能为广大研究者提供新的研究思路，同时为工程师提供有益的设计参考。

1 试验研究与分析

试验分析作为一种最基本的研究途径，有助于了解连接器微动摩擦磨损的行为特性和关键影响因素，并为理论分析、仿真建模和机理探讨提供第一手依据。由于连接器所处的工作环境各不相同，因此目前业界并没有用于电子连接器微动摩擦学性能的测试标准。

依据试验目的不同，电子连接器微动摩擦学性能研究工作主要分为摩擦特性评价[9-12]和摩擦因素影响分析[13-15]。通常在摩擦试验开始前，先对被测试样进行自然频率和模态分析；试验过程中对接触电信号(电压、电流和电阻)、摩擦副的相对位移、法向力、摩擦力、振动加速度和表面温度进行实时测量；试验结束后，结合表面形貌分析技术，对摩擦副表面形貌、磨损区域及元素成分等进行分析测试。结合相关结果对试验现象及产生机理进行分析。

按照试验手段不同，可将试验分为现场工况测试、连接器实物测试以及“小样”试验测试。这些试验方案对应于不同的研究目的，试验难度、成本和周期也各不相同。

1) 现场工况测试：即面向连接器的真实工作环境，将测试设备放置在电子连接器的工作现场中进行实时信号采集。这种测试方式能够很好地体现电子连接器在工作环境中的失效过程，有针对性地为连接器的结构设计和改进提供思路。但是，这类测试手段往往周期较长，费用较高，且面向的工况有限，在有限的试验周期内只能重现某类或某几类失效案例。因此，这类研究工作通常见于面向实际工程应用的案例中。图1为车载电子连接器现场工况实测图[16]。

图1 车载电子连接器现场工况实测图[16]

2) 连接器实物测试：相比于现场工况测试，连接器实物测试则是将连接器结构从真实系统中独立出来，通过搭建特定的试验台，建立连接器合适的边界状态，模拟可能存在的各种工况，如振动环境、温度变化、湿度变化或颗粒侵蚀等。这类试验方式较为普遍，对于认识连接器的整个动态失效过程，以及各类影响因素具有重要意义。Zhang等[17]建立如图2所示的连接器试验装置，研究轴向振动对电子连接器微动磨损的影响。Flowers等[18]搭建了图3所示的具有6对摩擦配副的连接器，系统性地探索了轴向/横向振动与微动磨损的关系。此外，Fu[19]对电动车载连接器的摩擦微动特性也进行相关试验研究，如图4所示。可见，根据研究目的不同，所搭建的试验台也各有区别。

图2 连接器试验装置

图3 六对摩擦配副的连接器试验装置

图4 电动车载连接器试验

3) “小样”试验测试：相比于上述两类试验测试方式，“小样”试验方式从材料本身出发，搭建基于电子连接器材料本身的试验装置，如类似于销—盘或球—盘接触模式的摩擦试验机，重点探讨某些影响因素对表界面摩擦学特征、电路信号特征以及疲劳失效特征的影响。Song等[20]搭建了如图5所示的球—平面接触台，探讨镀银电子连接器的摩擦、磨损及接触电阻之间的关系。哈尔滨工业大学任万滨教授[21]搭建了如图6所示的触点接触试验台，对包括材料因素、环境因素和振动因素在内的影响因子进行了具体分析，为连接器的材料选择与失效机理分析提供了重要参考。

图5 球—平面接触台

图6 触点接触试验台

法国里昂中央理工大学Fouvry教授团队[6，8，22-23]建立起2个圆弧形摩擦副模拟连接器接触状态，如图7所示，探讨了涂层特性、环境因素、振动因素等对连接器微动摩擦磨损行为的影响，并建立了针对连接器失效的判定准则。除此之外，国内外各大知名高校与研究机构均搭建各自的“小样”试验装置对连接器的微动磨损行为进行模拟。可以说，“小样”试验为认识连接器微动失效机理提供了重要的分析手段，在此基础上得到的研究成果对工程应用产生了积极有益的影响。

图7 圆弧形摩擦副接触试验台

2 建模与仿真分析

随着计算机性能的增强与有限元分析算法逐渐成熟，模拟电子连接器的接触行为受到了研究者大量的关注，这为认识连接器的动力学特征以及失效机理提供了重要的参考，同时也能为部分试验现象提供合理的解释。根据模拟分析方式的不同，可以简单分为两类，即：简化数学模型分析和有限元模型分析。

1) 简化数学模型分析：根据连接器的结构特征，建立离散或者连续的多自由度数学模型，结合相关的机—电—热耦合方程进行求解。Kogut等[24]在2003年建立起某型连接器的弹塑性模型，利用接触表面的微凸体形貌特性较为准确地预测了接触电阻的变化特性。Ravelo等[25]建立起电子连接器在非轴向激振状态下的机—电耦合物理模型，证明连接器ECR和电压降的变化特性与振动载荷关系密切。Xu等[26]根据Greenwood-Williamson弹性接触模型和随机粗糙表面等效弹簧模型，研究了电子连接器在振动过程中接触压力的变化。在此基础上，结合Holm电接触理论，建立了振动条件下ECR的动力学模型，如图8所示。

图8 振动条件下ECR的动力学模型

为了能够准确地描述连接器公头和母头之间的接触刚度值，Fu等[27]提出图9所示的二维模型。该模型以混合动力汽车中使用的大功率连接器为研究对象，通过有限元分析获得单个接触对之间的径向力，即：

Fr，i=24ri+8

(1)

式中：Fr，i为径向接触力，ri为第i个弹簧在稳态位置的径向位移。当连接器公头沿着振动方向移动位移d时，ri也会随之发生变化。根据图9(a)可以计算出ri的表达式：

(2)

式中：R为公头的半径，i为从x方向到第i个弹簧的径向角度。由图9(b)可以计算出Fr，i在x方向上的分力，该方向上的所有分力之和可以表示为：

图9 计算等效弹簧常数的模型示意图

(3)

因此等效弹簧刚度值可以表示为：

(4)

将该值导入三维有限元模型中，对连接器的振动响应和接触电阻变化特性进行对比分析。结果表明：公、母头之间的相对位移导致弹簧与其连接件之间产生周期性的接触间隙，从而改变连接器的电阻。从时间响应来看，稳态状态下的间隙取决于公、母部件之间的相对位移。Esteves等[28]提出了一种协同模型用于预测电接触点的磨损情况，该模型由机械磨损、焦耳效应和综合作用下的增量退化因子组成。该模型量化了焦耳热与摩擦耗能对电接触磨损的影响，并讨论了温度变化带来的后果。

在认识电子连接器动力学和电子学的基础上，研究者提出了许多用于研究连接器接触性能退化的等效电路模型。由于连接器寿命遵循威布尔分布和失效物理模型，连接器在多种应力下的寿命预测得到关注。这部分涉及到结构可靠性的测试和分析工作，可以参见文献[4，29-30]。

综合以上可以看出：简化数学模型分析法对认识连接器系统的动力学、摩擦学和可靠性行为等方面具有重要的参考意义，并且能够根据机—电—热的耦合动力学方程，进行多物理场求解分析，建立起电子连接器动力学—热学—电学三者的内在联系。但是，这类数学模型往往过于简化，无法真实地反映连接器的结构特征，且对边界条件进行了一定的假设，因此在实际工程应用中具有一定的局限性。

2) 有限元模型分析：鉴于电子连接器内部结构复杂，零件尺寸不规则，存在多物理场综合作用。此外，由于接触件位于连接器内部，这使得接触压力、应力分布、接触温升、形变等参数的测量难度增大。近年来，有限元仿真方法的发展给电子连接器的研究提供了更多可能性。

美国奥本大学G.T.Flowers团队数十年致力于电子连接器的设计研究，在连接器微动有限元仿真方面取得重大突破。2005年Flowers等[31]对电子连接器在随机振动条件下的早期微动行为进行建模分析，在此基础上，研究了振动环境对电子连接器微动磨损行为的影响[32-34]。Fu等[35]将有限元仿真分析应用到车载连接器中，探讨振动对ECR变化的影响，并分析预测了在机—电—热多物理场影响下的结构阻抗、温度及应力分布特性。Wu等对市面上常见的3种不同类型的EON引脚和配套的PCB孔进行建模，如图10所示。这3类EON引脚在开孔的尺寸和位置上各不相同，材料方面，B型EON引脚为磷青铜C52100，A型和C型EON引脚材料为C7025，PCB材料为FR-4材料。通过计算不同形式的引脚和不同大小的PCB的孔洞(MIN=0.31±0.02 mm、NOM=0.36±0.02 mm、MAX=0.41±0.02 mm、)之间的拔插行为响应，结果表明逐渐增大PCB孔洞尺寸，能够降低引脚插入力，且轴向力在第一个峰值下降之后又增加，这种非线性响应与EON引脚的瞬变脉冲的穿透变形有关。当PCB孔径增大时，EON引脚没有发生穿透变形，因此其轴向力随着后退行程的增加而减小，如图11所示。此外，Wu等[36]提出了通过对PCB孔进行表面处理能够改善界面微动磨损程度。

图10 3种不同插头形式

图11 3种不同插头位移—力曲线

在多物理场耦合方面，Monnier等[37]建立了耦合机-电-热的多场有限元模型，研究了电流强度、接触力和电流持续时间对电势分布的影响，得到了接触端电压、接触电阻和固体内部温度等结果，这些数据在试验测试中是无法测量的。因此可见，有限元分析成为了研究连接器微动特性，探索其失效机理的有效手段，各种先进算法的出现也为连接器的设计分析提供重要帮助。

3 影响因素的研究与分析

影响电子连接器的微动行为，并最终导致其发生失效的因素众多，简单来说可以分为材料因素、运行因素和环境因素三类。其中，材料因素包括有：热、电、力、物理、化学性能等；运行因素包括有：负载特性，电流，侵蚀，滑动，微动等；环境因素包括有：温度、潮热、尘土、盐雾、工业腐蚀性气体以及机械振动等，如图12所示。研究者经过大量的试验与理论分析，关于上述因素的影响方式与作用机理也逐渐清晰。

图12 电子连接器发生失效的影响因素

1) 微动幅值和频率

微动幅值和频率的变化直接影响连接器接触界面的摩擦磨损行为，并引起接触电阻发生变化。Park研究表明，微动频率越高，镀锡层的磨损速率越高；微动频率越低，镀锡层的氧化速率越高。在较高的微动幅值下，界面氧化程度较高，而在较低的微动幅值下，接触区的碎屑堆积程度较高[15]。进一步的，Park分析了镀锡铜合金触点在3、10和20 Hz以及±5 μm和±25 μm两种不同微动幅值下的微动腐蚀行为，结果表明：当微动幅值为±5 μm时，接触区有足够的磨损碎片堆积，达到接触电阻失效阈值的时间较±25 μm早[38]。

Ren等[39]根据接触电阻和切向力的变化情况，结合不同振幅和频率下的微动区表面形貌分析结果，建立起一种基于振动幅值和频率组合的微动图，如图13所示。各个区域含义如下：

图13 基于振动幅值和频率组合的镀金铜合金触点微动图

区域Ⅰ：对摩副主要表现为粘着和部分滑移的状态，在该微动区域内，镀金涂层损伤较小，导电性能保持良好；

区域Ⅱ：是典型的大滑移区域，在该区域内的镀金涂层发生磨损，基材铜合金暴露在空气中，磨损表面出现磨屑堆积、分层和剥落凹坑的特点，磨损凹坑深且宽，磨损轨迹轮廓规则且明显。接触电阻随微动循环次数的增加而缓慢增长。

区域Ⅲ：是大滑移区中的特殊区域。在该磨损区域内，磨损表面呈现出明显的滑痕和独特的平整度。虽然磨损形式仍属氧化磨损，但在金镀涂层磨损后的短时间内，接触电阻迅速上升。

结合形貌分析，Ren等[40]发现，滑动速度是镀层磨损后接触电阻急剧上升的关键，高速滑动引起的磨损轨迹粗糙且不规则，高阻氧化物碎片或氧化物金属混合物对动态接触电阻有显著影响。此外，当微动频率达到一个临界值时，可能会导致ECR迅速增大。因此，微动幅值和频率对连接器的影响，还取决于磨损的程度，不能单纯从参数的大小进行判断。

2) 温度

由于电子连接器工作时，存在电流和界面摩擦的协同生热作用，因此温度对界面摩擦磨损和ECR的变化影响显著。Abdi等[16]研究温度对车载电子连接器公头(销)与母头(簧片)磨损行为的影响，如图14所示，他们发现高温作用下连接器表面更容易发生腐蚀磨损，如图15所示，从而导致连接器发生断路失效。同时，当温度发生高频变化时，ECR增加得更加显著。Park等[41]对高温状态下镀锡铜合金连接器微动腐蚀行为进行研究，揭示了温度对微动腐蚀的影响机理，高温使得锡材软化，并增大了接触区域，减小接触电阻。但Cu-Sn中间金属产物厚度的增大会导致ECR急剧上升，因此镀锡铜合金连接器并不适用于高温状态。该分析结果得到了Ren等人的进一步验证，Ren[42]在自制电子连接器试验设备上，对镀金铜合金连接器在25～125 ℃条件下的微动腐蚀行为进行研究，结果表明：高温状态下金材料的软化增大了接触面积，降低失效率，但氧化铜颗粒的存在会导致ECR值恶化严重。

图14 车用电子连接器接触示意图

图15 不同温度下公头磨损形貌图

此外，在润滑状态下，Narayanan等[43]对镀锡铜合金在室温和高温下的微动特性进行分析，结果表明：在室温状态下，润滑膜的存在有效增加了镀锡铜合金的使用寿命，而在高温下由于镀锡铜合金具有更高的磨损率，因此润滑对连接器使用寿命的改善效果有限。正如Ren所言，环境温度以及由电流所产生的摩擦热和焦耳热是一把“双刃剑”，在微观层面能够改善接触状态，但也增大界面氧化腐蚀率[42]。

3) 湿度

Park发现，在较高的湿度下，锡涂层的磨损率较小，因为凝结的水蒸气起到了润滑薄膜的作用，增加了界面接触面积[15]。Sung的研究也表明：随着湿度增加，接触电阻能够更好地保持在较低的水平，确保良好的接触[44]。这类现象的机理均是假设水分子颗粒通过毛细作用阻止界面磨屑出现堆积状态。

在以上研究基础上，Pompanon等[45]研究相对湿度(RH)对镀银电触点微动磨损率和ECR的影响，结果表明：在潮湿的条件下(RH>50%)，第三体层表现出更强的凝聚力，银碎片不容易从界面喷出，这是由于当环境湿度过高时，磨屑碎片的粘聚性提高，降低了其喷射率，从而降低了整体磨损率。这也就可以解释连接器在湿度较高的环境下，需要更长的磨损周期到达ECR失效状态。

4) 载荷

接触载荷在构建电子连接器的接触状态中扮演重要角色。Park发现，在较高的法向载荷下，涂层的磨损速率较大，而在较低的法向载荷下，涂层的氧化速率较高。但是，较高的载荷有助于建立更好的电接触状态，这是由于镀锡触点包含氧化层，需要一定的法向负载(接触力)来打破氧化膜，从而建立良好的电接触[15]。

在其他因素一定的情况下，法向载荷也会影响接触副间的摩擦力及其裂纹萌生情况。一般来说，法向载荷越大，接触面积越大，接触电阻则越小。同时法向载荷增大，界面切向刚度也会增大，导致摩擦系数减小，相对滑移减小[46]。当法向载荷达到一个临界值时，微动磨损发生的几率会明显减小[47]。因此，如何确定电子连接器工作过程中载荷的大小，是保证电子连接器可靠运行的关键之一。

5) 电流负载

Park的研究结果表明：较高的电流负荷有助于打破氧化膜，建立良好的电接触[48]。Ren等研究结果进一步证实该现象，并提出大电流负荷增大了电传导斑块的面积是产生该现象的原因[49]。通过对镀金铜触点在振幅20 μm，频率200 Hz，电流负载分别为10、100、500、1 000 mA状态下的电接触特性进行试验研究，结果如图16所示。

图16 不同电流载荷下，接触电阻随微动周期变化情况

在图16中，红色水平直线代表临界电阻值0.1 Ω，黑色曲线对应左侧纵坐标为接触电阻值，对应右侧纵坐标为接触电压值，且接触电压等于接触电阻乘以对应电流值。可见接触电阻随电流负载的减小而增大，随着电流负载逐渐增加，触点达到临界电阻的微动循环次数增加。此外，在较高的电流下，镀锡触点的微动腐蚀降解速度较快，因为它会在接触区积累更多的氧化磨损碎片。

6) 振动激励

在振动激励状态下，电子连接器微动磨损特性的研究最为广泛，且重点围绕轴向振动与横向振动开展[18，31-33，50]。Flowers等[18，31-33]考虑了横向振动对微动腐蚀的影响，并引入传递函数作为给定连接器系统在指定频率下的评判标准。Ibrahim等[50]开发了评估振动状态下连接器接触界面摩擦磨损特性的技术。可见，振动环境引起的微动磨损被认为是导致失效的关键因素。

但是，与上述研究不同的是，Fu通过观察接触面的相对运动和ECR的变化特性后发现，振动对连接器ECR的影响主要是由于接触界面的相对运动引起接触面积产生周期性变化，并非由于界面的微动腐蚀[27]。此外，Fu发现当振动停止时，接触电阻下降到一个略大于原始值的值。表面分析显示在涂层磨损之前，界面没有明显的腐蚀。因此关于振动和连接器失效之间的关系，以及究竟是何种要因所导致连接器失效的问题依然值得深入探究。

7) 环境气氛和污染物

连接器暴露在外部环境中，很容易被灰尘和其他颗粒污染，因此环境气氛和颗粒物对连接器的影响也受到了关注。Liu等通过微动实验研究了在三种不同的大气(氧气、空气和氮气)下连接器的电接触电阻变化行为。结果表明：在高浓度的氮气环境下，ECR值最小且稳定。富氧环境促进氧化亚铜的形成，从而使ECR增大[51]。Gao的研究表明：振动过程中颗粒污染物的存在会加剧接头的磨损和微动，导致电阻急剧增加，引发连接器触点故障。此外，连接器在受到粉尘污染后，接头传递函数第一共振峰的振幅和频率均增大，接触微动阈值减小，振动过程中粉尘颗粒加剧了磨损和微动效应[52]。有关环境污染物和电接触行为的关系探索，北京邮电大学相关团队也做了大量的研究工作[53-54]。

4 失效机理

导致电子连接器发生失效的原因很多，归纳来说，失效机理可以简单分为三类，即：微动损伤机理、接触压力松弛机理和疲劳失效机理。

1)微动损伤机理：该机理以环境变化作为诱因，认为外界环境，如振动或热胀冷缩效应均会引起电接触面间发生微小的相对位移，进而导致接触面材料发生微动磨损。Bryant在1994年提出了微动磨损作用下的电子连接器接触件退化模型[55]，如图17所示，该磨损失效分为7个阶段。

图17 电子连接器接触件退化模型图

a阶段：在接触初期，金属表面微凸体相互接触，此阶段无磨屑产生；

b阶段：相互接触的金属发生微动摩擦，在空气氧化作用下形成一层氧化膜；

c阶段：微动继续进行，氧化膜在摩擦过程中被刮落形成磨屑，部分磨屑落入“波谷”之中，另外一部分磨屑被重新压入微凸体中；

d阶段：金属继续暴露在空气中，氧化程度进一步增强；

e阶段：在反复摩擦磨损作用下，更多的氧化膜发生破坏，界面产生更多磨屑；

f阶段：一段时间后，氧化程度加深，接触电阻开始增大；

g阶段：最终界面形成大量氧化碎屑，填满“波峰”与“波谷”之间，形成绝缘层，电路发生失效。

目前，该电子连接器接触件退化模型受到了大量的关注与验证，因此该机理得到广泛的接受。

2) 接触压力松弛机理：在一定范围内，接触压力的大小与接触电阻成反比关系，较大的接触压力有利于接触电阻保持较低水平。当电子连接器受到外界振动环境影响时，插针与插孔间接触区域的接触压力会产生周期性的变化，进而导致接触电阻的变化。因此，当外界环境的振动强度达到一定程度时，就可能会导致接触压力出现短暂消失，引起接触电阻瞬间急剧增大，致使信号传输中断，这就是瞬断现象。瞬断现象会直接导致在一定时间内电信号完全阻断，且通常界面不会存在严重的磨损现象，该机理在文献[27]中得到验证。

3) 接触件疲劳失效机理：垂直于电子连接器轴向的振动环境会导致其接触件承受交变应力作用，在一定循环次数后，接触件材料就会产生局部的永久性损伤，并逐渐形成裂纹，即出现疲劳现象。微观裂纹的产生会导致接触材料的综合力学性能下降，宏观上表现为：插孔簧片的挠度减小、接触区域的接触压力减小和接触电阻不断增大，最终导致电子连接器发生失效。对一般的机械结构而言，上述裂纹不断扩展至引发材料断裂时才会造成结构失效，但是电子连接器是通过接触件的可靠接触来实现电连接功能的，这意味着即使插孔簧片未发生断裂，随着承受交变载荷次数的增加，接触件间的接触电阻值也会不断增大。当接触电阻值增大到一定程度时，电子连接器电接触性能严重退化，即可判定电子连接器失效。因此，电子连接器的疲劳失效并不是瞬间发生的，而是一个随时间不断累积的过程。

5 改进措施

为改善由于界面磨损导致的电子连接器失效问题，研究者提出了一些有效的防护手段，归纳来说，可以分为如下几类：

1) 选择合适的镀层材料：接触件的镀层材料一般为镀银、镀金和多元镍合金三种形式。合理的镀层材料可以提高连接器的可靠性，降低接触电阻。其中，镀银涂层提高了连接器的耐腐蚀性，降低了接触电阻。镀金涂层可降低连接器的接触电阻、提高其耐腐蚀、耐高温等能力。因此，对接触电阻敏感的产品一般选用镀金涂层，但是也应该综合考虑成本代价。此外，多元镍合金镀层一般用于具有耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰的产品中，该镀层的电阻率低、接触电阻小，焊接性能好，对于改善接触件的可靠性有很好的作用。根据以上分析，选择合适的镀层对产品的电接触可靠性有很重要的意义，应该从应用环境，成本以及使用目的等方面来综合考虑涂层的选取[5，56]。

2) 镀层表面修饰：研究表明，磨损率和电接触寿命之间有一定的相关性。研究者认为，许多用于改进轴承材料磨损的措施也可以应用于电接触的涂层材料。通过硬质合金元素和纳米级粒子对镀层进行修饰，可以增加镀层金属的耐磨性，从而使得电触点寿命大幅增加。其中，金镀层中纳米粒子的数量、大小和组合、金镀层和镍夹层的厚度以及金镀层的形貌是最重要的条件[57]。

3) 润滑脂的使用：通常金属与金属接触，由于接触表面粗糙不平，因此接触界面之间会有很小的缝隙存在，缝隙中会滞留很多腐蚀和氧化介质，从而引起缝隙内金属的加速劣化。研究表明：电力复合脂对降低电力连接器接触电阻具有明显的作用，它可以降低电子连接器触点温度达10 ℃以上，并且可以维持接触电阻在持续通电过程中不发生明显增大。这是因为，当电力复合脂充满在2个金属的接触缝隙中，阻隔了空气中的污染和腐蚀物进入，杜绝了金属接触面的腐蚀和氧化，起到了屏蔽作用。此外，当电流在电力连接处流过时，由于在金属接触缝隙中涂覆了电力复合脂，其中含有大量的导电粒子，在外加载荷作用下，电力复合脂中的导电粒子相互接触，形成链状导通电路，更有利于提高其导电能力。结合实际使用情况来看，涂敷电力复合脂的连接器可以降低35%左右的接触电阻，这对延长电力连接器的寿命起到了非常重要的作用。此外，电力复合脂通过降低连接器接触电阻达到节能效果，这对我国电力电网的可持续发展起到了重要的作用[58]。

如今，石墨烯凭借其优异的导热性、光学、机械性能、良好的导电性，以及优异的摩擦磨损性能，受到广泛关注[59-63]。西南交通大学蔡振兵团队[64]对石墨烯涂层的微动电接触特性展开研究，发现石墨烯涂层能有效地降低摩擦磨损，保持电接触稳定性，特定粗糙度的石墨烯薄膜具有最佳的磨损性能以及电学性能。

4) 织构涂层与润滑脂协同：文献[65-66]采用激光表面织构和磁控溅射技术在铜材料表面制备了一系列具有不同微窝的银涂层，并采用多层石墨烯为添加剂制备了多层石墨烯润滑脂(MGLG)，研究了织构银涂层在MGLG润滑下的摩擦学和电学性能，如图18所示。结果表明：适当直径的银织构涂层具有较好的摩擦学和电学性能，磨损表面分析结果表明，织构和MGLG的协同效应有助于界面形成优良的摩擦学和电学性能。银涂层上的凹槽能有效捕捉磨损颗粒，在摩擦过程中充当润滑剂和微流体动力轴承的微储层，从而改善摩擦和电学性能，如图19所示。与此同时，MGLG可以形成保护膜并产生导电通路，从而提高材料的摩擦学和电学性能。

图18 4种表面织构的SEM图

图19 2种状态下的电接触界面的接触行为

6 结论

电子连接器是重要的信号传输设备，在各行各业内均有广泛的应用，因此提高电子连接器的电接触可靠性是该领域的研究重点。本综述从电子连接器的试验研究与分析，建模仿真与分析，影响因素研究与分析，失效机理，改进措施5个方面，对电子连接器微动摩擦磨损领域的研究现状进行阐述，对分析处理电子连接器引发的设备故障和提高电子连接器可靠性具有借鉴意义。

虽然有关研究取得了很多显著的进展，但依然存在一些问题没有深入探讨，主要有：

1) 大量关于影响因素的研究，往往针对单一或者2种因素的影响分析，但在实际工程应用中，连接器受到多方因素的影响，如何定量评价各方因素的影响效果是一个值得深入讨论的问题，这对有针对性地提高电子连接器可靠性具有重要意义。

2) 相比于温度变化引起的接触界面微动行为，由于振动导致的微动作用往往更加明显且剧烈[67]。目前关于振动与连接器微动行为特性的研究较为广泛，但是缺乏系统性，且振动通常集中在轴向振动与横向振动的状态，对扭转、剪切等问题的研究较少，因此有必要系统地开展此方面的研究工作。

3) 电子连接器的微动磨损问题涉及力学、热学、摩擦学、材料学等多种学科，计算模拟的过程是一个多物理场耦合的过程。因此，如何在模拟过程中考虑界面形貌、热力学行为、动力学行为、电子学行为之间的耦合关系也是一个值得深入探讨的问题。以上问题的研究成果将对进一步改善连接器磨损失效，提高电子连接器可靠性提供重要的理论支持。