复合应力条件下连接器接触电阻特性变化研究

韩征权，王旭，潘炜，冉思益

（贵州航天电器股份有限公司，贵阳 550009）

引言

随着大数据、物联网时代的到来，电连接器作为数据传输的接口，其应用领域和数量不断增大。从军用方面的航天、航空、兵器、武器系统，再到民用方面的交通、通行、医疗、汽车及家电等领域，电连接器作为信号或能量传递的载体，其性能和质量的异常，都会引起整个系统的工作异常、功能丧失，甚至引发严重的事故。因此，连接器的可靠性对整个系统的安全、稳定运行起到十分重要的作用。

连接器的失效形式较多，有机械的、电气的、环境的、综合等因素[1]。接触电阻作为电连接器电气性能的一项重要参数，是评价元器件连接性能及可靠性的重要依据，受环境因素影响较大。故本文以某连接器为例，研究不同温度环境下振动对接触电阻的特性影响，并试验验证其影响程度。

1 原理概述

相互接触的固体表面之间存在复杂应力与应变，在宏观上表现为平面实体与实体接触，微观方面表现为微小粒子间的点接触。实际的点接触其接触面积必然小于理论接触面积，因此，电连接器的接触电阻不是单一的实体电阻，而是由大量微观的电阻组成。

接触电阻指电流通过接触点时在接触处产生的电阻。一般由导体电阻、膜层电阻以及集中电阻组成[2]。工程应用中一般可由下式表示：

式中：

Rc—集中电阻；

R

f—膜层电阻；

Rp—导体电阻。

2 影响因素分析

连接器通过插针与开槽式插孔的刚性接触实现导通，因此接触电阻的大小直接影响电性能的好坏。影响连接器接触电阻的因数较多，主要有材料、正压力、表面状态、电压、电流、以及温度和湿度等。本文主要研究不同温度下振动对接触电阻的影响，以下分别对温度和振动因素进行分析。

2.1 温度因素

一般而言，室温环境对接触件性能无影响，但是在低温或高温时，环境温度将对其性能影响。

一方面，环境温度的变化会对连接器接触件材料的性能产生影响：温度的降低或升高都会导致接触件材料的性能迅速下降。温度降低时，接触件产品的弹性变形降低，金属基体收缩，使其接触压力变小；温度升高时，温度应力使接触件产生的弹性变形超过材料的屈服极限，从而发生塑性变形，也会导致接触压力变小。多次插拔时，出现应力松弛现象，导致接触电阻逐步增大，接触失效。温度升高，金属活化能力增加，提高金属活性，从而加速暴露在空气中的接触件金属表面氧化速率。

另一方面，环境温度升高会引起连接器内部绝缘体释放有机气体，有机气体释放，也会加剧接触件表面膜层厚度的增加。另外，温度升高时，金属材料原子、电子、离子加速运动，扩散速度加大，使其向镀层外部扩散，在氧化物与大气接触的界面，加速氧化膜层的生长，接触电阻不断增大，导致接触失效。

2.2 振动因素

振动时，插合的接触件之间存在幅值非常小的相对运动，而引发接触件表面的相互磨损，振动幅值一般在1～100 μm之间。在各种恶劣、苛刻的环境下，连接器接触件的表面不可能消除这种微小的微动磨损。

实际使用中，在微动磨损的综合作用下[3]，接触件镀层加速磨损，造成接触件面覆盖的加速积累，导致接触电阻增加。在微动磨损作用时，接触件插孔接触压力减小，同时在振动应力的作用下，很容易导致出现瞬断现象。对于接触件表层的氧化物，其电阻率远大于基体材料的电阻率，高低温环境下，接触压力降低，氧化物膜层增厚，接触电阻必然增大。因此，特别容易导致接触失效。

3 不同温度环境下振动试验

3.1 试验设计

3.1.1 试验样品

选择某9芯的连接器（插头、插座各10只）10对，每只产品装7根已压导线（牌号：AFR-250，截面积0.15 mm2，长度150 mm）的接触件，按表1进行编号。

表1 试验样品

3.1.2 试验方案

按照GJB 1217A-2009标准中方法2005类进行随机振动[4]，同时选择不同的温度，具体操作过程按标准要求执行，试验结束后在常温下测试插头接触件的接触件电阻，不考虑压接电阻的影响，具体方法见表2所示。

表2 试验方法

3.2 试验结果

根据上述试验设计，把试验样品按分组进行相应试验，试验后在常温下测试1～7点的接触电阻值，并对测试结果进行分析。

3.2.1 试验前测试结果

常温下测试各组样品1～7点的电阻如图1所示（不考虑压接电阻），将安装方式相同的放在一组对比，可以看出，接触件的接触电阻值在（3.21～3.61）mΩ之间，基本趋于一致。

图1 常温下各组样品的接触电阻

3.2.2 振动2 h后测试结果

不同温度环境相同振动条件振动2 h后，对各组样品进行接触电阻测试，如图2所示。可以看出，常温与低温环境下振动2 h后，其接触电阻值变化幅度不大，随着温度升高，接触电阻也略有增加，安装方式对接触电阻的影响不大。

图2 振动2 h后的接触电阻

3.2.3 振动4 h后测试结果

不同温度环境相同振动条件振动4 h后，对各组样品进行接触电阻测试，如图3所示。可以看出，常温环境下振动后其接触电阻值变化不大，低温环境下随着振动时间的增加，其接触电阻值增大；高温环境下随振动时间增加后，接触电阻变化较为明显，温度越高，接触电阻越大；同时，高温环境下，其水平安装方式的接触电阻比垂直安装方式的高。

图3 振动4 h后的接触电阻

3.2.4 振动8 h后测试结果

不同温度环境相同振动条件振动8 h后，对各组样品进行接触电阻测试，如图4所示。可以看出，常温和低温环境下随振动时间延长，其接触电阻值变大；高温环境下，随着温度和振动时间增加，其接触电阻变化突显，温度越高，接触电阻越大；同时，高温环境下，其垂直安装方式的接触电阻比水平安装方式的高。

图4 振动8 h后的接触电阻

3.2.5 测试结果分析

综上测试结果可知，振动时接触件接触部位存在微动作用，随着振动时间的延长，接触件间磨损情况加剧。另外，在低温和常温环境下振动，其接触件电阻变化较小；但随着温度的上升，磨损加剧，接触电阻增大较快，接触件磨损严重，如图5所示。

图5 不同环境下振动后磨损情况

1）从图5中（a）和（b）可以看出，常温和低温环境振动后，接触件的根部已经出现少量的黑色物质，发生轻微氧化，接触件表层磨损较轻。

2）从图5中（c）和（d）可以看出，125 ℃环境下振动后，接触件的根部周圈已经出现黑色氧化物质，接触件表层有磨损现象，特别是175 ℃环境下振动后，接触件表面与插孔接触部位镀金层摩擦明显。

3）从图5中（e）可以看出，200 ℃环境下振动后，接触件的根部周圈和界面密封垫上已经出现大面积氧化，接触件表层磨损严重。

4 结束语

接触电阻是电连接器的关键性能指标，本文以某连接器为例，分析影响接触电阻的环境温度和振动因素，经试验验证，就结果得出以下结论：

1）在相同振动量级时，随着振动时间的延长，接触电阻变大，安装方式对接触电阻影响不大；

2）在低温和常温环境下振动后，接触电阻稍有增加；随着环境温度的上升，接触件表层磨损加剧，接触电阻快速增大。