Материал контакт-деталей и влияние воздействий

На качество контакта влияют следующие факторы: физико-химическое состояние контактирующих поверхностей, т. е. наличие пленок, затрудняющих металлический контакт, и неровность поверхностей; процессы, происходящие при соединении, которые могут быть чисто механическими (при отсутствии тока); протекающий ток и количество выделяющегося тепла; процессы, происходящие в контакте при замыкании и размыкании при наличии токов и напряжений.

Из-за наличия в окружающей среде кислорода, паров воды, различных примесей и при повышении температуры на поверхности металлов протекают электрохимические процессы и образуются пленки, свойства которых зависят от металла контакт-деталей.

Самыми распространенными элементами окружающей среды являются кислород и азот. Кислород очень быстро адсорбируется на поверхности любого металла, образуя тонкую одноатомную пленку, «сцепленную» с атомами металла. Атомы благородных металлов (золота, платины и др.) в обычных условиях химически не соединяются с кислородом.

У других металлов, например, у серебра, в зависимости от температуры с той или иной скоростью происходит газовая коррозия и образуется пленка, чаще всего окисная, препятствующая дальнейшему проникновению кислорода вглубь металла и останавливающая процесс коррозии. Такие пленки обладают высоким сопротивлением и называются пассивирующими. Во многих случаях они не мешают прохождению тока, так как являются очень тонкими.

В некоторых конструкциях контактных устройств перед соединением эта пленка разрушается.

У ряда металлов, например, алюминия и меди, образуются рыхлые пленки, не препятствующие проникновению кислорода вглубь металла и являющиеся многомолекулярными. Они называются пленками потускнения или пленками побежалости. Их толщина может увеличиваться со временем в зависимости от температуры.

Повышение температуры способствует образованию пленок, однако, при достижении определенного ее уровня может произойти их разрушение. Например, на серебре при температуре 150...200 °С пленка легко диссоциируется (разлагается). Этим и обусловлена возможность пайки по серебру без флюса и ее высокое качество. На некоторых металлах пленки очень теплостойкие, например, на алюминии пленка разрушается при температуре 3000 °С. Этим объясняются трудности пайки даже при использовании флюсов.

Пленки могут обладать разной механической прочностью в зависимости от металла. Они могут быть механически прочными, хрупкими (например, на алюминии) или эластичными (например, на меди). Это имеет большое значение для работы контактного устройства, так как определяет условия, при которых происходит разрушение пленок при соединении. Часто в окружающей среде содержатся газообразные фракции сернистых соединений, что приводит к образованию сульфидных пленок, отличающихся большой толщиной и прочностью. Пленки могут осаждаться на поверхности в связи с испарением органических соединений и диэлектриков, находящихся рядом с контактным устройством.

Обычно при попадании охлажденной аппаратуры в среду с повышенной температурой происходит конденсация паров воды на поверхность контактов и образование «ледяных» пленок. Эти пленки оказываются механически прочными, и их трудно разрушить при соединении контактов, что является причиной резкого недолговременного снижения надежности контактных Устройств на время, пока аппаратура прогреется и пленки испарятся. Из-за наличия паров воды в окружающей среде происходит электрогальваническая коррозия и образуются коррозионные пленки. Прохождение токов через контактирующие металлические поверхности может быть обусловлено различным характером проводимости.

Металлическая проводимость наблюдается в тех точках, в которых вследствие трения или удара происходит разрушение всех пленок, а также при использовании благородных металлов, на которых пленки не образуются. В этом случае токи протекают при любых напряжениях.

Если металлы, в которых всегда существует высокая концентрация свободных электронов, разделены тонким слоем полупроводника или диэлектрика (пленками), то для перехода из одного металла в другой электроны должны преодолеть потенциальный барьер. Однако при достаточно тонких пленках могут возникнуть условия, при которых часть свободных электронов из одного металла переходит в другой вследствие так называемого туннельного эффекта. Согласно представлениям квантовой механики электрон может перейти из одного металла в другой, когда его энергия меньше высоты потенциального барьера и если во втором металле есть свободный энергетический уровень с такой же энергией.

Туннельная проводимость играет существенную роль при тонких (пассивирующих) пленках и при малых токах (напряжениях). Для примера на рис. 6.8 дана зависимость удельного сопротивления от толщины пленки d_ПЛ и подведенного к контактному устройству напряжения U_K для металлов с работой выхода 4 эВ.

Если имеют место тонкие пассивирующие пленки, наблюдается также проводимость, обусловленная фриттинг-эффектом, сущность которого состоит в том, что при наличии напряжения на контактах, разделенных тонкой пленкой, возникают высокие напряженности поля. Как известно, напряженность поля определяется из выражения

,

где ‑ толщина однородной пленки.

Например, при толщине пленки (5...15)∙10^{-10 м и напряжении 1 В напряженность поля составляет 107} В/см. При такой напряженности во многих точках возникает пробой диэлектрика, сопровождающийся расплавлением металла и образованием токопроводящих «мостиков». Из этого следует, что для надежной коммутации слаботочных цепей можно использовать контакты из благородных металлов, которые при обычных условиях не имеют пассивирующих пленок, или герметизировать контакты.

Металлы, которые покрываются пассивирующими пленками, особенно при высоких температурах, не могут быть использованы для маломощных контактов, но с успехом могут применяться в контактах, где коммутируются большие токи и напряжения. Металлы, покрывающиеся толстыми пленками, вообще не пригодны для осуществления надежного контакта. Как видно, требования к материалам тем жестче, чем меньше напряжение и ток, выше температура и больше загрязненность атмосферы. По изложенным причинам выбор материала контакт-деталей требует учета многих факторов и вызывает большие трудности.