郁大照，張 彤，劉 琦

（海軍航空大學，山東煙臺264000）

電連接器是用于實現(xiàn)器件、組件和系統(tǒng)之間電信號和相關(guān)控制信號傳輸?shù)幕A(chǔ)性元件[1-3]。電連接器正常工作要求通電，因而電連接器會受到電應力的影響，結(jié)構(gòu)與性能也隨之發(fā)生變化。

目前，對電應力的研究主要集中在電應力與溫度場的耦合上。黃波[4-5]針對電連接器結(jié)構(gòu)方面的可靠性問題，采用CST和ANSYS相結(jié)合的仿真方式，得到了電連接器在電流、溫度與外力共同作用下的電流密度與溫度分布機制及受力情況；Li[6]等建立了電連接器靜態(tài)接觸的有限元模型，仿真得到不同電流對接觸件溫度場的變化規(guī)律，進而得到熱電應力綜合作用下，接觸電阻的動態(tài)變化；李志宏[7]通過ANSYS Workbench軟件進行了USB3.0電連接器的電-熱-力的多物理場耦合，分析了在電流導通情況下，電連接器溫度場和結(jié)構(gòu)場的變化情況；Struan[8]等將電連接器簡化為1個三維接觸模型，通過ANSYS熱電耦合模塊仿真得到電連接器的溫度載荷分布與應力應變分布。

開展電應力對電連接器力電特性與腐蝕影響的研究，有利于發(fā)現(xiàn)不同電應力作用下電連接器的性能退化趨勢，為電應力相關(guān)試驗的開展提供參考。

1 理論分析

電連接器工作時會通電，由于電流的熱效應，電流通過電阻時，在電阻上消耗的電能將轉(zhuǎn)化為熱能[9-10]。接觸件的溫度發(fā)生改變后，接觸件的電導率也會發(fā)生變化。對于電導率為線性的導體，電導率σ 與溫度T 關(guān)系式如下：

式（1）中：ρ0為參考電阻率；α 為溫度系數(shù)；Tref為參考溫度。

熱量傳遞包括導熱、對流和輻射3 種方式[11-14]，插針與插孔作為完全接觸的2 個物體，由于溫度梯度在插針與插孔之間會有內(nèi)能的交換，熱傳導遵循傅里葉定律：

電流會對接觸件之間的熱傳導產(chǎn)生影響，當電流經(jīng)過接觸區(qū)域的導電斑點時，導電斑熱流率q 與經(jīng)過導電斑的電流I 的二次方成正比：

式（3）中：R 為接觸電阻值；S 為導電斑點面積。

由于接觸件與工作環(huán)境之間存在溫度梯度，對流與輻射會對電連接器的溫度產(chǎn)生影響。熱輻射存在于一切物體之間，主要靠波長較長的可見光和紅外線傳播[15]，但是，環(huán)境溫度卻不會太高，熱輻射的影響微乎其微。因此，除了導熱，還要考慮對流因素。對流交換熱量Q 可以用牛頓冷卻公式計算：

式（4）中：S 為固體參與與流體對流換熱的面積；TS為固體溫度；TB為流體溫度；hf為對流換熱系數(shù)。

對流換熱系數(shù)的數(shù)值與換熱過程中流體的物理性質(zhì)、換熱表面的形狀、部位以及流體的流速等都有密切關(guān)系[16]。對流換熱系數(shù)可用經(jīng)驗公式計算，以巴茲公式[17-18]計算的接觸件在空氣中的對流換熱系數(shù)可通過表1查詢。

表1 接觸件在空氣中的對流換熱系數(shù)表Tab.1 Table of convective heat transfer coefficient of contact parts in the air

電連接器自身就是一個導體，且插針與插孔接觸部分存在接觸電阻。因此，電連接器通電工作時，焦耳熱會在接觸區(qū)內(nèi)產(chǎn)生，接觸區(qū)內(nèi)的溫度會明顯上升。整理文獻[1]所做電流試驗如圖1所示，電流的增大使得電連接器溫度上升，由于電連接器與環(huán)境的對流散熱，溫度值最終趨于穩(wěn)定，長期在這種高溫環(huán)境下，插針和插孔彈性就會逐漸下降，接觸件的接觸壓力逐漸減小，增大了接觸失效的風險。同時，溫度升高，也會增加基體材料銅合金的氧化速度，氧化銅膜層的厚度會迅速上升，使接觸電阻迅速升大，從而導致電氣性能下降。電流的增大還會發(fā)生短路或擊穿情況，降低電連接器耐壓性。

圖1 接觸溫升變化試驗數(shù)據(jù)Fig.1 Contact temperature change test data

2 力電特性分析

建立型號為22D#接觸件三維模型如圖2所示，其結(jié)構(gòu)為典型的圓柱形雙開槽結(jié)構(gòu)，接觸件基體材料為銅合金，熱電屬性如表2所示。

圖2 接觸件三維模型Fig.2 3D model of contact

表2 接觸件基體材料熱電屬性Tab.2 Thermoelectric properties of contact matrix materials

物理場選擇熱電物理場與靜力學分析物理場，插孔底端接地。首先，在插針尾部施加1A直流電，環(huán)境溫度設為25℃，溫度變化如圖3 所示。在插針頭部與插孔簧片處產(chǎn)生最大溫升0.156℃，溫度分布自接觸區(qū)域向插針插孔底端遞減，呈對稱分布。將電流大小改為10A，溫度變化如圖4 所示，溫度最大升高了5.272℃，接觸件溫度場分布與施加1A 電流的溫度場分布一致。

圖3 電流1A時接觸件溫度分布Fig.3 Temperature distribution of contact when the current is 1A

圖4 電流10A時接觸件溫度分布Fig.4 Temperature distribution of contact when the current is 10A

仿真1～10A電流對溫度變化的影響，記錄下接觸區(qū)溫度升高的最大值，對比文獻[3]所做的電流對電連接器接觸件溫度場變化曲線，繪制如圖5 所示曲線?？芍?，仿真值略低于試驗測試值，其原因是電連接器在做溫度試驗時并不是直接將接觸件暴露在空氣中，殼體的存在會降低接觸件的散熱值，溫度會更多地保留在接觸件中。接觸件在ANSYS中仿真時直接將空氣與接觸件接觸，且仿真時設置的環(huán)境溫度保持恒定，散熱系數(shù)低于試驗時接觸件散熱系數(shù)。因此，整體上試驗測試值略高于仿真值。

圖5 電流導致溫升曲線對比Fig.5 Contrast of curves of temperature rise caused by current

接觸件施加10A 電應力后的接入靜力學分析模塊，在插孔底部添加固定約束，求解接觸件總體形變圖與總體應變圖，如圖6 與圖7 所示。電流與溫度應力的共同作用使接觸件接觸區(qū)域發(fā)生了最大形變，最大形變量為7.851×10-4mm。最大應變出現(xiàn)在簧片根部，最大值達5.752×10-4mm。接觸件在熱電應力作用下的形變量及應變分布與電流單獨作用下的分布具有相似規(guī)律，且無論是最大形變量還是最大應變，數(shù)值都比較小。

圖6 熱電應力下接觸件總體形變圖Fig.6 General deformation diagram of contacts under thermoelectric stress

圖7 熱電應力下接觸件總體應變圖Fig.7 General strain diagram of contacts under thermoelectric stress

正常工作溫度下，溫度對接觸表面的應力影響很小。因此，溫度和電流對表面的熱形變影響很小。在小于2 000 h，且在高于電連接器工作與試驗溫度的125℃時，銅合金的熱蠕變速率為9.54×10-6/s，蠕變量只有0.921%。銅的蠕變速率ε(t)與表面溫度T 滿足以下關(guān)系：

式（5）中：C0為折算系數(shù)；σ 為接觸件所受應力；k 為玻爾茲曼常數(shù)，k=0.861 7×10-4eV/K ；W 為銅合金激活能。

半徑為0.41 mm 的22D#接觸件在交變濕熱最高溫度65°C 的試驗條件下，1 年后的熱蠕變量只有0.804 μm。

3 腐蝕行為分析

為了簡化計算，提高運行速度，如圖8 所示，在簧片中部建立1 個0.4 mm×0.1 mm×0.1 mm 的鍍層破損區(qū)域，在插針底部建立1 個0.4 mm×0.1 mm×0.05 mm的鍍層破損區(qū)域，材料定義為銅合金。

圖8 大氣腐蝕仿真模型Fig.8 Simulation model of atmospheric corrosion

對大氣腐蝕的仿真使用電流分布殼物理場，電流分布殼物理場將薄層域簡化為邊界，可以研究薄電解液層沿切線方向的電荷傳遞。氧氣溶解度、電解液膜厚度和電導率都與環(huán)境濕度有關(guān)，氧氣的傳遞會受極限電流影響。把相對濕度為0.8、NaCl 沉積量為0.001 kg/m2設置為參數(shù)值，在溫度為35℃、NaCl 質(zhì)量分數(shù)為5%的溶液條件下所測得的極化曲線，以插值函數(shù)的形式作為陽極邊界條件，觀測7 天后的腐蝕變化，仿真電流對大氣腐蝕的影響。

忽略傳質(zhì)影響，COMSOL物理場添加二次電流分布，在插針尾部施加1～200A的電流，在插孔底部添加電接地邊界條件，研究選擇帶初始化的瞬態(tài)研究。設置好邊界條件后，對模型進行網(wǎng)格劃分，劃分類型選擇自由四面體網(wǎng)格。模型已經(jīng)簡化，只取接觸件的接觸區(qū)域。因此，為了提高計算精度，網(wǎng)格大小選擇極細化，網(wǎng)格劃分完畢，如圖9所示。

圖9 大氣腐蝕仿真模型網(wǎng)格劃分Fig.9 Grid division of atmospheric corrosion simulation model

當施加10A工作電流時，接觸區(qū)域電流密度分布如圖10所示。電流施加在插針尾部，接地端在插孔底部，因而電流密度最大值集中在添加電流的插針尾部區(qū)域、簧片前沿與鍍層破損處，最小值在插孔底部區(qū)域。圖11 為插針鍍層破損處局部放大圖和簧片鍍層破損處局部放大圖。在簧片頂部，縫隙靠近施加電流的一側(cè)電流密度最大，最大值為8.4 A/m2，而且在鍍層破損區(qū)深處的電流密度要大于較淺區(qū)域；在縫隙遠離電流一側(cè)電流密度最小，為7.2 A/m2左右，相差大約1.2 A/m2。

圖10 10A電流時接觸件接觸區(qū)域電流密度分布Fig.10 Current density distribution in the contact area at 10A current

圖11 鍍層破損區(qū)域放大圖Fig.11 An enlarged view of damaged area of coating

當把施加在插針尾部的電流改為50A時，電流密度分布如圖12 所示。電流密度分布規(guī)律與施加10A工作電流分布相似，最大值依然是在添加電流的插針尾部區(qū)域、簧片前沿與鍍層破損處，最小值在插孔底部區(qū)域。由于電流的增大，電流密度的最大值變?yōu)?1.19 A/m2，電流密度的差值減小，最大值與最小值相差0.79 A/m2左右。

圖12 50A電流時接觸件接觸區(qū)域電流密度分布Fig.12 Current density distribution in the contact area at 50A current

添加10A 工作電流時，7 天后接觸件接觸區(qū)域腐蝕總厚度變化，如圖13所示。腐蝕厚度變化與電流密度分布規(guī)律相似：在靠近添加電流一側(cè)腐蝕厚度最大，最大值為30.198 6 μm ；遠離電流一側(cè)最小值為28.53 μm，最大值與最小值相相差1.668 6 μm，從鍍層破壞最深處向外逐漸減小。將電流改為50A 時，7天后接觸件接觸區(qū)域腐蝕總厚度變化如圖14 所示。分布規(guī)律與添加10A 工作電流相似：最大值為31.963 18 μm，最小值為30.54 μm，最大值與最小值相差1.423 18 μm。

圖13 10A電流7天后接觸件接觸區(qū)域腐蝕總厚度變化Fig.13 Change of the total corrosion thickness of the contact area after 7 days under 10A current

圖14 50A電流7天后接觸件接觸區(qū)域腐蝕總厚度變化Fig.14 Change of the total corrosion thickness of the contact area after 7 days under 50A current

記錄不同電流影響下電連接器接觸件腐蝕總厚度最大值，如表3 和圖15 所示。整體上，隨著電流的增加，腐蝕總厚度逐漸增大，電流對腐蝕有著促進作用。當電連接器通入電流時，低電極電位的金屬失電子速度加快，原本接觸件鍍層破損區(qū)域的銅元素形成銅離子離開接觸件，產(chǎn)生氧化銅等腐蝕產(chǎn)物。電流通過鍍層破壞區(qū)時，會增大基體銅的溶解，而且電流增大后，銅離子在電解液中的傳遞速度會加快。隨著腐蝕產(chǎn)物的不斷增多，會在鍍層破損區(qū)域不斷堆積，堆積物的增多反過來減慢了電解液的流動，使得腐蝕作用在一定程度上又降低了。

表3 不同電流下腐蝕總厚度最大值Tab.3 Maximum of total corrosion thickness under different currents

圖15 不同電流下腐蝕總厚度最大值Fig.15 Maximum of total corrosion thickness under different currents

4 總結(jié)

電應力對接觸件形變量的影響是較小的。但是，接觸電阻的大小不僅與形變量有關(guān)，而且也與銅合金表面腐蝕產(chǎn)物的生成速度密不可分。電流促進接觸件基體銅合金生成腐蝕產(chǎn)物的速度遠大于由電流熱效應產(chǎn)生的形變量。因此，電流主要通過加速接觸件的腐蝕使接觸電阻得以上升，進而導致電氣性能的下降。

在多種因素共同作用下，電流對于長期的腐蝕有著促進作用。電流會加速氧氣在腐蝕介質(zhì)中的流動，提高陰極去極化作用。電流的提高會增加接觸件接觸區(qū)域電流密度，促進陽極基體銅的溶解。陽極溶解速度的增加，會提高腐蝕反應速度。但是，腐蝕厚度的增加隨著電流增大逐漸變慢，這是因為銅離子與接觸件表面附近的電子之間產(chǎn)生的電場傾向于將銅離子結(jié)合到接觸件基體表面。當極化電位逐漸變?yōu)檎龝r，陽極反應加速，反應產(chǎn)生的銅離子溶解并擴散到溶液中。隨著反應的持續(xù)，銅離子繼續(xù)積聚在反應表面上，銅離子在反應表面的不斷堆積在一定程度上有助于抑制陽極反應過程。