我国电工合金行业检验检测技术服务现状分析

余文武，武红敏，文裕，马林泉

（桂林赛盟检测技术有限公司，广西桂林 541004）

引言

检验检测是社会经济发展的重要技术支撑，是现代服务业的重要组成部分，其与标准规范、计量校准、认证认可一起构成了国际社会公认的国家质量技术基础，对维护国家和社会公共安全、促进产品和服务质量提升、促进产业转型升级、保障消费者权益等，起到十分重要的作用[1]。随着社会经济的不断发展，人们对所用产品的质量、生产生活的安全性、生活环境的保护等方面的要求在不断提高，从而带动了检验检测技术服务需求的持续增长，使我国检验检测技术服务业呈现出良好的发展态势[2]。近年来全球检验检测服务业一直保持着较快的发展速度，年平均增幅超过10%，高于世界经济的平均增长速度。在全球经济缓慢复苏的大背景下，未来几年全球检验检测服务业平均增速仍将保持在8%左右。

纵观整个检验检测服务市场，从国际层面看，欧美、日本等地早己形成了较为规范的检验检测市场，并形成了一批国际知名、权威的检验检测机构，如SGS、BV、TÜV、UL、Intertek等；从国内层面看，中国检验检测服务业尚处于发展阶段，在面向外资机构开放国内检验检测市场带来的冲击以及我国经济迅速发展推动的强大需求的双重因素作用下，出现了第三次检验检测机构建设浪潮，民营机构纷纷成立，少数国有检验检测机构在政府的协调下成立检验检测集团，市场在迅速扩大[2]，并涌现出一批具有相当实力的检验检测机构，如中检集团、威凯检测、华测检测等。但目前我国还没有一家国际公认的综合性第三方检验检测机构，国内检验检测机构在综合检测能力、品牌竞争力、市场占有率等方面与外资知名检测机构相比仍存在较大差距。在一些细分行业，因检测需求有限，检测能力建设乏力，导致至今未形成相应规模的检测市场，我国的电工合金行业就属于这类行业之一。电工合金包括电触头、热双金属、电热合金、导电合金、电阻合金、热电偶合金及磁性材料等产品[3]，本文着重分析我国电触头产业检验检测技术服务业现状及检测技术发展趋势。

1 我国电触头产业及检验检测服务业现状

1.1 我国电触头材料产业总体情况

电触头材料是电器完成“接通-传导-切断”电流以及信号产生和传输的关键功能材料，被广泛应用于继电器、断路器、接触器、传感器、工业控制等产品及系统中，其性能直接影响到发电和输变电装备的技术水平，尤其是其电接触性能是影响电气与电子工程可靠性的关键，在低压电器领域有“低压电器之心脏”的称誉。长期以来，全世界电触头材料主要生产商大多集中在欧洲和日本等地，例如德国DODUCO（大都克公司）、瑞士Metalor（美泰乐公司）、比利时Umicore（优美科公司）、日本TANAKA（田中公司）等[4]。欧洲和日本因基础科学发展迅速，科技人才储备充足，在新材料和制造工艺研发能力、生产自动化水平等方面均居于世界领先地位，引领整个行业的发展。我国电触头材料产业整体水平与这些国外大公司相比尚有不少差距，有待迎头赶上。

“十三五”期间，我国电触头材料行业的工业总产值呈上升趋势，出口总额有所波动，利润总额和利润率则始终处于较低水平，详细情况见表1[5]。

表1 2015～2019年电触头材料行业各项指标

在产品产量方面，基于行业年度总用银量的增加可以看出，近几年低压电触头材料总产量在不断增加。2015年行业总用银量约1600 t，2019年行业总用银量超过2000 t，2015～2019年行业总用银量详见图1。行业主要产品如银氧化锡、银镍、银石墨、银碳化钨等产品的产量见表2[5]。

图1 2015～2019年电接触材料行业用银量

表2 2019年电触头材料行业主要产品产量单位：t

1.2 我国电触头材料及成品检验检测服务业现状

在国家标准GB/T 2900.4—2008《电工术语 电工合金》中，将（电）“触头”定义为：“一组导电元件，它们彼此接触时能建立电路的连续性，而且，由于它们在运行中的相对运动，可断开或闭合一个电路；或在某些铰接或滑动元件的情形下，能维持电路的连续性。”，但该标准没有界定什么是“电触头材料”或“电接触材料”。顾名思义，本文暂且将“电触头材料”简单地定义为:“一类用来制造电触头的材料”。从电触头的定义可以看出，电触头起到了断开或闭合一个电路的作用，以保证电路本身的安全运行和使用者的人身安全。所以说，电触头材料作为电器完成“接通-传导-切断”电流以及信号产生和传输的关键功能材料，为确保电路、电器本身的安全运行和使用者的人身安全，必须选择性能符合要求的材料来制造电触头。要判断一种电触头材料是否符合要求，需要人们依据一定的标准对各类电触头材料开展检验检测。通过对中国合格评定国家认可委员会（CNAS）官网的搜索查证，得知目前国内专业承接电触头材料及电触头全参数第三方检测的机构唯独桂林赛盟检测技术有限公司一家。其他一些综合性第三方检测机构目前仅能承接个别电触头材料部分参数的检测，如鸡西市石墨产品质量监督检验检测中心仅能承接银镍石墨电触头银含量等8个参数的检测，广州计量检测技术研究院仅能承接铜及铜合金铜含量等22个参数的检测，浙江省冶金产品质量检验站有限公司仅能承接铜及铜合金铜含量等28个参数的检测，短期内这些机构尚未能扩展到承接各类电触头材料全部参数的检测。另外，电触头材料行业排名前列的福达合金材料股份有限公司和温州宏丰电工合金股份有限公司均建有通过CNAS认可的第一方实验室，其中温州宏丰电工合金股份有限公司检测中心（L7084）获认可的检测能力有4大类：电触头材料（银含量等18个项目/参数）、银及银合金（铅和铋含量等5个项目/参数）、钢铁（总碳硫含量1个项目/参数）、铜及铜合金（氧含量1个项目/参数）；福达合金材料股份有限公司检测中心（L5555）获认可的检测能力只有2大类：电触头材料（银含量等16个项目/参数）、银及银合金（铜含量等7个项目/参数），而且只能对内承接电触头材料的检测工作。国内几个知名的电触头大用户如浙江正泰电器股份有限公司和德力西电气有限公司，也建有通过CNAS认可的第二方实验室，其中浙江正泰电器股份有限公司质量检测中心（L7801）获认可的相关检测能力有：铜及铜合金（铜含量等13个项目/参数）、电触头（铜含量等8个项目/参数）、金属材料及制品（拉伸试验、洛氏硬度等5个项目/参数）；德力西电气有限公司检测校准中心（L5826）获认可的相关检测能力有：电触头材料（银含量1个项目/参数）、铜及铜合金（铜含量1个项目/参数）、金属材料（布氏硬度、维氏硬度2个项目/参数）。

综上所述，目前我国电触头材料及成品检验检测服务业能对外承接检测业务的机构只有桂林赛盟检测技术有限公司一家。由于我国电触头材料行业整体规模不大，检测市场培育不力，第三方检测需求量十分有限。据了解，桂林赛盟检测技术有限公司近几年电工合金检测收入尚不足10万元/年。但是，可以预见随着我国经济社会的不断发展，人们安全意识的不断增强，未来各类电触头产品的电寿命评估试验的市场需求必将大幅增长。目前各类电触头产品的电寿命评定试验由于缺少成熟的试验设备及快速评估的标准方法，大多是由部分高校和生产企业进行模拟试验，或参照各类电器产品的试验方法标准装机进行整机型式试验[6,7]。近期，桂林金格电工电子材料科技有限公司投资建立了全新的低压触头材料电性能试验室，能按国标GB/T 24273—2009《电触头材料电性能试验方法》开展各类低压触头电寿命试验，这将有助于促进电触头产品质量的进一步提升，推动我国电触头材料产业不断发展壮大。

2 我国电触头材料检测技术发展趋势

2.1 我国电触头材料基本性能检测技术现状及发展趋势

电触头材料检测通常可分基本性能检测和化学分析两类。其中，基本性能检测又被分为物理特性检测、力学性能检测、电学性能检测等，它们各自的技术现状及发展趋势浅析如下。

2.1.1 电触头材料物理特性检测

常见的检测项目有密度、金相分析，是确保产品内在质量的重要手段，也是开发研究新材料、新工艺、新产品的基础技术。上述检测项目，均有相应的方法标准可依，所需的试验仪器设备普遍简单，检测技术相对成熟，检测人员只需具备一定的基础知识，经过适当培训即可上岗操作。

2.1.2 电触头材料力学性能检测

常见的检测项目有硬度、拉伸、弯曲等,人们可通过硬度、拉伸、弯曲试验来了解材料的强度（抵抗负荷破坏的能力）及刚度（抵抗变形的能力）等。上述检测项目均有相应的方法标准可依，所需的试验仪器设备是各类电子万能试验机、布洛维硬度计，检测技术相对成熟，检测人员需具备一定的材料力学知识和机电专业常识，经过严格培训考核方可上岗操作。

2.1.3 电触头材料电学性能检测

常见的检测项目有体积电阻率、电导率、电弧烧蚀等，是确保作为电触头材料应具有优异电性能的主要手段，而且也是开发研究电触头新材料、新工艺、新产品的基础技术，对提高电工电子产品的运行可靠性和技术水平具有极为重要的意义。上述检测项目，均有相应的方法标准可依，所需的试验仪器设备普遍定型生产，检测技术已相当成熟，检测人员只需具备一定的电学专业知识和安全常识，经过适当培训考核即可上岗操作。随着高新技术的不断发展，电触头材料电学性能检测技术的发展趋势是研发快速寿命评定技术，相应的试验方法标准及试验设备有待完善。

2.2 我国电触头材料化学分析技术现状及发展趋势

众所周知，组织结构决定了金属材料性能的优劣。材料组织结构会随元素的种类及其含量的不同而改变，因此准确分析电触头材料元素种类和含量，对于研发新材料和合理利用性能更优异的材料非常重要[8,9]。正因为如此，需要人们合理地利用化学分析方法，足够准确地测定相关元素的含量。

分析化学是当代最富活力的学科之一，随着分析技术的发展，化学分析方法先后出现了重量法、滴定法、分光光度法、原子光谱法(原子发射光谱法和吸收光谱法)和电感耦合等离子质谱法等，其中重量法、滴定法和分光光度法早在分析化学学科形成之初就已被人们熟练掌握[8,9]，其优点是试验人员只需要一些简单的仪器设备即可开展试验，缺点是此类方法会因操作人员的不同而出现结果的偏差。原子光谱法和电感耦合等离子质谱法是物理学研究深入到原子核阶段以后才相继出现的仪器分析方法，优点是高精度、高效率、易操作，缺点是仪器设备比较昂贵，一般试验室无法普及。下面就以上几种方法的现状及未来发展做一简单介绍。

2.2.1 重量分析法

该方法是出现时间最早、技术最成熟的经典定量分析方法，其原理是利用化学反应将材料中待测元素转化为沉淀的化合物，再经过滤、烘干、称量即可准确计算出材料中待测元素的含量，主要适用于高含量的S、P、Si、Cu、Ag、Ni等元素的测定[8,9]。该方法的最大优点是操作简单，缺点是试验人员必需熟练掌握每一个操作步骤，且需要经过多次测定才能获得令人满意的测定结果。由于操作简单，该方法未来仍将被一般试验室广泛采用。

2.2.2 滴定分析法

该方法也是出现较早、技术较成熟的经典定量分析方法，其原理同样是利用了化学反应，通过滴加使两种溶液相互混合产生化学反应，并通过显色指示剂判断化学反应的终点，然后按照化学反应式计算出待测元素的含量。滴定分析法可根据其化学反应机理的不同分为酸碱滴定法、氧化还原滴定法、沉淀滴定法和络合滴定法四类。其中，酸碱滴定法常用来测定C、P、N、B、Si等元素，氧化还原滴定法常用来测定S、Fe、Mn、Cr、V、Cu、Zn、Co等元素，而络合滴定法常用来测定Al、Zn、Ni、Mg、Pb等元素。滴定分析法的主要优点是只需购置滴定管与容量瓶等成本低廉、操作简单的玻璃仪器，使用易于判断化学反应终点的指示剂即可完成试验。缺点是每次操作只能分析测定一个非微量的元素，而且分析周期长、分析结果会随试验人员的熟练程度而波动。尽管如此，由于成本低廉、操作简便，该类方法未来也仍将被各类试验室普遍采用。

2.2.3 分光光度法

该方法又称吸收光谱法，是基于物质对光的选择性吸收而建立起来的定性和定量分析方法，其理论基础是朗伯（Lambert）-比耳（Beer）定律，基本原理是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内的吸光度，对该物质进行定性和定量分析。分析待测样品前，应配制一组不同浓度的标准溶液，然后分别测定一定波长下的吸光度，以吸光度为纵坐标、浓度为横坐标绘制曲线，得到一条被称为标准曲线的直线，因而试验人员在测定待测样品吸光度后可通过这一标准曲线找出对应的浓度值，进行待测元素的定量分析。常用于分光光度法分析的光源有紫外光、可见光和红外光。吸收光谱法的优点是只需一台分光光度计即可完成，灵敏度高，操作简单，效率高，应用范围广，既可测金属元素，也可测S、N、Br、F等非金属元素，既可测常量元素，也可测1 μg/L～10 μg/L浓度范围的微量元素。缺点是每次只可单元素分析，而且分析结果的准确性取决于标准溶液配制的准确性和仪器设备的准确度。另外，不同元素间往往会有一定的干扰，导致最终分析结果存在未知偏差。该方法未来有可能被其他更先进的仪器分析方法所取代。

2.2.4 原子光谱法

属于这类分析方法的有原子发射光谱法（AES）、原子吸收光谱法（AAS）、原子荧光光谱法（AFS）以及X射线荧光光谱法（XFS）等。

（1）原子吸收光谱法。该方法又称原子分光光度法，是基于待测元素的基态原子蒸气对其特征谱线的吸收，由特征谱线的特征性和谱线被减弱的程度对待测元素进行定性定量分析的一种仪器分析方法。其工作原理是用被测元素的纯金属制成空心阴极灯的阴极，将该灯辐射出的特征波长光通过分光系统寻找该谱线并置于峰线极大位置，此时吸收池溶液在原子化器的作用下生成该元素的基态原子，基态原子吸收特征波长光而上升到激发态，根据特征波长光强度的改变分析得出该元素的含量。该法所用光谱仪因其核心部件原子化器的不同（主要有火焰、石墨炉和汞/氢化物三种原子化器）导致名称也有所不同，目前常用的是火焰原子吸收光谱仪和石墨炉原子吸收光谱仪[8]。原子吸收光谱法的优点是检出限低、准确度高、选择性好（干扰少）、分析速度快、应用范围广。缺点是不能多元素同时分析、样品前处理比较麻烦、对试验人员的基础理论和操作技术要求较高、仪器设备较昂贵等。原子吸收光谱法既可分析液态样品，也可分析气态样品，甚至可以直接分析某些固态样品；既可分析低含量和常量元素，又可分析微量、痕量甚至超痕量元素；既可分析金属元素、类金属元素，又可间接分析某些非金属元素，也可间接分析有机物。这是其他分析技术所不能及的，因而具有强大的生命力。

（2）原子发射光谱法。该方法是基于物质中的基态原子获得外界能量被激发后发出辐射线形成的光谱与标准光谱比较以识别物质中相应元素种类和含量的分析方法。电弧、火花等均可作为激发源，使基态原子或离子受激发后发射出紫外光和可见光。目前利用原子发射光谱研制的光谱仪有：照相式摄谱仪、光电直读光谱仪和电感耦合等离子发射光谱仪等。原子发射光谱法的优点是可多元素同时分析、分析速度快、选择性好、检出限低、准确度较高、试样消耗少。缺点是常见的非金属元素如O、S、N、Br、F等谱线在远紫外区，目前一般的光谱仪尚无法检测，有一些非金属元素如P、Se、Te等因其激发电位高，分析灵敏度较低。

总之，原子光谱法相较于传统化学分析法，分析灵敏度更高、检出限更低、测试效率更高，是未来在一般试验室推广普及使用的方法之一。

2.2.5 电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）

该方法是20世纪80年代发展起来的一种元素分析方法，是目前公认的最强有力的痕量元素和同位素分析方法，应用范围广泛。该方法所用的电感耦合等离子质谱仪实际上是一台电感耦合等离子发射光谱仪与四极杆质谱仪的组合体，其工作原理是根据被测元素通过一定形式进入高温等离子体中,在高温下电离成离子,离子经过离子光学透镜聚焦后进入四极杆质谱分析器，在直流电场和交流电场的交互作用下将质荷比不同的离子分开，通过测量各种离子谱峰的强度分析计算出各种元素的含量。ICP-MS的显著优点是可应用于几乎所有分析领域内痕量、微量和常量元素的测定，能分析测定几乎所有形态的样品，并且实现了一次采集完成多元素同时分析，同时提供同位素的信息，灵敏度高、极低的检出限(10-15～10-12量级)、分析速度快等，缺点是运行费用高、试验人员需要有丰富的操作经验、所用试剂的质量对分析结果的影响较大等。目前该方法已从最初在地质科学研究应用迅速发展到广泛应用于环境、食品安全、卫生防疫、半导体、生物、医学、法学、冶金、核工业、石油、化工等领域。未来需降低运行成本，只有这样方可在电工合金行业推广使用。

3 结束语

综上所述，电触头是各类电器完成“接通-传导-切断”电流以及信号产生和传输的关键功能元件，被广泛应用于继电器、断路器、接触器、传感器、工业控制等产品中，其性能直接影响到发电和输变电装备的技术水平，尤其是其电接触性能是影响电气与电子工程可靠性的关键。电触头产业在我国整个国民经济中尽管犹如沧海一粟，虽细小，但其扮演的角色却十分重要。展望未来，随着电器工业的发展，新型高性能电触头材料及电触头产品的研发和生产需求日益增加，各种电触头材料痕量元素的快速与简便测定，以及电触头电寿命试验将变得愈加重要。鉴于目前的主流元素分析方法或多或少都有一些缺点，如直读光谱仪只能分析特定尺寸块状样品，部分电感耦合等离子光谱仪需要酸或碱溶样，溶样过程处理不当会危害环境和人体健康，且延长了测试周期等，已经不能满足实际应用需要，迫切需要人们研发出使用方便、分析周期短、灵敏度高、检出限低和绿色环保的新方法和新仪器[8]。而对于电触头电寿命试验，传统的试验方法既费时又费钱，企业不易接受，很难全面铺开。因此，期望业內广大工程技术人员与试验仪器制造商在试验方法标准研发、试验仪器研制等方面携手合作，推出高速、便捷的试验方法和试验设备，促进我国电触头检验检测技术的发展及产品质量的进一步提升，共同推动我国电触头产业不断进步。