导电膏在电接触连接中的应用

上海铁道学院  丁明道
本文介绍了电接触理论、影响接触电阻的因素以及导电膏的机理——油封作用、去膜作用和隧道效应。在电接触连接处以涂敷导电膏取代镀锡，能明显降低接触点的能量损耗和温升、减少维修工作、延长使用寿命和降低生产成本。
关键词：连接技术，接头，导电性，接触电阻，导电胶粘剂，耐腐蚀性，栓接结点。
不论是电力机车还是内燃机车，以螺栓紧固的电接触连接点当以百计。这种连接质量之良好与否，对运行有很大影响。为改善电接触连接，按传统的工艺方式就是将 连接面作镀锡或搪锡处理。然而这样的工艺效果欠佳，且操作复杂，成本又高。根据电器制造行业和其他工业的多年实践，证明以涂敷导电膏来取代镀锡搪锡，不仅 能简化操作、降低成本、改善工人生产环境，而且能降低接触点的温升和能耗，减少维修工作，节省维修费用。如果将这项新工艺引进到机车制造工业，无疑可以带 来明显的效益。
一、电接触与接触电阻
两个互相接触的导体间的电导是在接触压力作用下形成的。这个力使他们彼此压紧，并以一定的面积互相接触。试验证明，金属导体搭接处的整个几何面积仅仅是视 在面积，真实的接触面是离散的。即使搭接面加工非常仔细，它仍具有波纹状起伏【图1（a)】，后者在接触压力下发生弹性及塑性形变，形成若干个接触斑点 【图1（b)】。但这些斑点并非纯金属的。设搭接面为一矩形面，他接触时至少有三个斑点，斑点外的广大区域却是夹在两个搭接面间未形成电接触的间隙。就是 接触斑点本身也仅有一小部分1是纯金属接触区，另外的部分2、3是准金属接触区和覆盖着绝缘膜的接触区。因此，实际的金属接触面非常小。（图）
实际接触面的减小并局限于少量的斑点，就引起了所谓的束流现象（图2），而搭接面暴露于大气中，又导致了表面膜层的产生。束流现象就是电流线收缩现象，其出现总是伴随着与接触压力反向的电动力：

=I²㏑                                     
试中：I——通过束流区的电流；
——束流区的半径；
r(θ)——接触面的半径，它是该处温度θ的函数。
【图2】

电动力是电流与其本身的磁场互相作用的结果。此外，束流区还有pinch效应导致的附加斥力：=I²，这两种力的作用均使得实际接触面进一步缩小。
接触面上的膜层有尘埃膜、化学吸附膜、无机膜和有机膜四种。尘埃膜由灰尘﹑织物纤维、介质中的杂质、放电产生的含碳微粒等组成，他易生成也易脱落。化学吸 附膜由气体分子及水分子吸附于接触面上形成，其厚度与电子固有波长相近，故电子能以一定概率通过它。总之，这两种膜层虽可能使接触面积略微增大，但一般仍 属无害，只是使之欠稳定而已。无机膜是金属接触面在大气中受到化学腐蚀生成的金属化合物薄膜，主要是氧化膜及硫化膜。无机膜可使电阻率增大若干个数量级， 严重时会出现半导体状态（如铜接触面氧化生成氧化亚铜时），危害不小。有机膜由绝缘材料或其他有机物排出的蒸汽聚集于接触面上形成。他不导电、击穿强度又 高，于电接触甚为有害。若有机膜厚度不大于5×m，尚可借隧道效应导电，否则就只能借电子或空穴移动导电，而其电阻亦类同于绝缘电阻了。
束流效应引起的电阻增量称为束流电阻，他很难以解析形式表示，因为R、r(θ)以及接触点的数量均甚难确定。膜层引起的电阻增量又因随机性很大，更难以解析式表示。因此，电接触导致的电阻增量——接触电阻往往是按经验公式计算：=
试中：——接触电阻，Ω；
——接触压力，N；
m——与接触形式有关的指数，对于导电排连接，其值为0.5~0.7；
——与接触材料、表面加工状况以及表面状态有关的系数（表1).
[表1】
一旦表面发生氧化，值将增大几个至几十个数量级，银的氧化物值增大最少，铜和铝的氧化物和银的硫化物值增大最多。
二、搭接连接的若干问题
1 搭接区的长度
令搭接面为矩形面，其长度为l、连接导电的厚度为b【图3（a）】。取l=10b的模型所作的实验表明：在相当长的一段内，电流线（实线）是与搭接面（点 链线）平行的，仅很小的一部分搭接面有电流线穿越【图3（b），图中虚线为等位线】。若使l:b=5，情况大为改善，即搭接面的利用率提高很多【图 3（c）】
【图3】
若令长度为l的搭接导电排的电阻为R，接触电阻与R之比同l与b之比的关系见图3（d）。图中曲线表明，l的值不大时，随l增大减小很快，l达一定长度后，几乎不变。当l/b=5~7时，约为R的一半，这一比值堪称搭接区长度与厚度的最佳比。在此比值时，用料也最节省合理。
2 蠕变与温度和紧固压力
在一定温度下，当应力大于某一量值后，即使外施压力不再增大，材料的塑性形变亦将缓慢增大。这种现象称为蠕变，抵抗蠕变的强度称为蠕变极限。当接触点温度上升时，蠕变极限将猛降。以铝材为例，当温度为15℃时，该极限值为49N/m,200℃时降为6.86 N/m,仅及原来的14%。金属硬度越低，蠕变极限下降越甚。
高温下，搭接段在紧固螺栓压力作用下会因蠕变极限下降发生金属流动，因为这种场合的应力值照例已超过该温度下的蠕变极限。严重的是蠕变并非因此而止。当搭 接段因蠕变减薄后，螺栓连接就松弛，使接触压力减小，接触电阻增大﹑温度继续升高，蠕变更加严重，于是形成了恶性循环。结果使搭接面间发生电弧放电，烧坏 接触表面。这一点往往很少引起人们的注意。
增大接触压力可使接触电阻减小﹑温度降低，从而削弱蠕变的影响。须知，在压力增大的同时蠕变效应也增大了，结果使接触电阻因应力松弛又增大。这是一个矛盾。
图4是50×5mm铝母线在长度为800mm﹑搭接段长度为50mm时，其接触电阻与紧固力的关系。当紧固力增大时沿曲线1减小，至=5×N（压强约为2MPa)时，已趋于稳定，继续增大已无明显作用。若从5×N起减小，则沿曲线2增大。据大量试验，对于铝与铝搭接，当正压强为5~10MPa时，能解决上述矛盾，得到较满意的结果。
试验表明：在故装时采用GB96-76的大垫圈取代GB96-76的普通垫圈，接触电阻将有一定程度的下降。而采用与母线的线膨胀系数相近的材料制作的螺 栓和碟形弹簧垫圈，更有助于稳定紧固压力，防止接触压力因蠕变和紧固螺栓在受热后发生形变而减小。
3 接触面的腐蚀和膜层的破坏
金属导体表面不论通电与否，由于同大气接触总是有膜层生成。即使涂敷凡士林等油脂，因后者会蒸发，终究还将生成膜层。这类氧化膜层之脱落就导致导体金属的 腐蚀磨损。表2给出了铝（99.2%）和铜（99.9%）的年腐蚀率与环境的关系。凡在高温高湿处﹑有盐雾处以及含工业有害气体多处，腐蚀就严重得多。
【表2】
试验还表明：氧化膜厚度与相对湿度间不呈线性关系。99.99%铝材在暴露五年后，若相对湿度为52%，则膜层厚为22nm；72%——28nm；85%——38nm；100%——171nm。
除上述化学腐蚀外，严重损害金属接触面的还有电化学腐蚀。搭接区的缝隙一般总吸附着水蒸汽﹑氯化氢﹑二氧化硫等气体，他们生成能导电的酸性电解液。若有两 种不同的金属互相接触，并为酸性电解液所浸湿，就出现了局部原电池，使标准电极电位低的金属遭到腐蚀。这就是电化学腐蚀。
腐蚀和电化学腐蚀除造成材料的耗损外，更严重的是使接触表面状况劣化，从而导致接触电阻猛增，温度急剧上升，最终破坏了电接触连接。既然腐蚀的危害性不小，故应采取适当措施以防止其产生或将已生成的膜层破坏。
若膜层厚度达200A以上，以难以借隧道效应导电。当不大时，大体上就是表面膜层的电阻。在膜层两端加一连续变化的电压，将随变化【图5（a）】，并在临界电压（0.3~0.5） 时突然消失，也即膜层已不在阻碍电流通过。此现象称为“A电介质击穿”。若膜层极薄，本来就已存在良好的导电通道，当膜层两端有10~20mV电压时，接 触电阻将降到原来的1∕10。这叫做“B电介质击穿”。尽管两种击穿方式所需电压不同，但均发生于电场强度达V∕m时，而且从破坏机理看，主要还是热击穿。
【图5】
除上述电击穿破坏外，电接触还常借机械方式破坏膜层，即利用螺栓法向负荷P作用下出现的切向力，导致切向微小剪移来破坏膜层。图5（b）是以40×4mm的母线在搭接区长度为40mm﹑P=16kN时得到的试验结果。纵坐标为﹑横坐标f=∕P。曲线1为表面有氧化膜的数据，当f=0.5时，已减小到原来的1∕15左右。曲线2是表面经处理后的数据，它表明尽管通过剪移能大幅度减小接触电阻，但在装配前的贮存期间涂敷一层工业凡士林保护接触面，却是一种更为有效的便利措施。
三﹑镀锡和搪锡工艺的作用和缺陷
镀锡和搪锡是沿用已久的接触面传统保护工艺。虽然锡的电导率和热导率均只及铜的六至七分之一，以致镀锡搪锡接触面的值和温升都较大，但锡较软，在相同的接触压力下，接触斑点的数量和半径均将增大，有助于减小值和温升。此外，这种工艺处理有助于减轻化学和电化学腐蚀，尤其对于铝质导体，还能避免它们以带氧化膜的表面互相接触。
电镀需要一整套的工艺设备，而且过程非常复杂，过程历时很长。特别是铝材镀锡，其质量很难控制。此外，电镀还具有成本高，工作环境于工人健康不利等缺点。
搪锡工艺较镀锡要简便得多，一般有超声波搪锡与化学搪锡两种方式。前者是利用超声波在锡液中传播时发生的空化现象，形成巨大的冲击力以去除导体表面的氧化 膜，而锡则紧密地附着在导体表面上。化学搪锡是以化学方法去除导体表面的油污和氧化膜，然后又在氯化锌﹑氯化铵及氯化钠粉末溶融于无水乙醇形成的饱和溶剂 中浸渍以保护搪锡面的一种工艺。由于事先要酸洗及清水冲洗，又不能利用空化效应再度除去氧化膜，故化学搪锡质量不及超声波搪锡。但超声波搪锡需要专用设 备，而这种设备又很不牢靠，故近来用得很少。
然而，镀锡搪锡工艺与一系列的缺陷：
1.它不能改变接触面的状况，也不能扩大实际接触面积，而且锡的电阻率又比铜和铝大得多；
2.锡同样会氧化，其氧化膜的电阻率也比纯锡大若干个数量级；
3.锡表面与紧固件之间能形成原电池，采用铜螺栓时，锡将被腐蚀，而采用钢螺栓时，则钢将被腐蚀，这些均对接触不利；
4.铜导体镀锡时，只要有一点机械损伤，使铜暴露出一部分，形成原电池后，锡层将因电化学腐蚀而破坏，从而失去镀锡和搪锡的意义；
5.除非超声波搪锡，镀锡及化学搪锡在镀前处理后，金属表面特别是铝仍然会很快生成氧化膜，影响镀锡和搪锡质量；
6.运行过程中锡层得不到任何保护；
7、需要工艺装备多，工艺过程复杂，特别是野外操作，而且工作条件差；
8.成本高。
总之，镀锡和搪锡工艺并不能尽如人意，加以现场施工及维修时又很难采用，这就促使人们发展一种新的技术，以取代传统的镀锡和搪锡工艺。
四、接触导电膏
接触导电膏是含导电填料和胶粘剂的具有流动性的糊状导电涂料。它体现了去除氧化膜及其他膜层、密封保护和为原来不导电的空隙提供隧道导电通道等三位一体的 思想，从而最大限度地降低了搭接接触区的接触电阻，并使其量值在长期运行中保持稳定。
作为导电填料的是具有良好导电性能、不易氧化﹑且有恰当好处粒度的金属粉末。后者的直径、形状和它在导电膏内所占的百分比（浓度）均能直接影响导电膏的性 能。试验表明，在球状、鳞片状及碎块状的填料颗粒中以碎块状者为最佳，因为它能最有效地破损接触面的各种膜层。填料浓度也是关键性参数，因为欲提高电导率 就应使填料颗粒近乎直接接触，只有这样方能产生隧道效应。但浓度过高亦未必见佳，因为这将导致导电膏的流动性变差。
粘合剂通常采用卤化烃液体及其他有机油脂。其流动性也是影响导电膏性能的重要因素，因为它一则决定了填料粒子的分布，再则决定了导电膏受挤压后从纯金属接 触区被挤出的程度。无疑，粘合剂的导热性能（是否有化学腐蚀性）等，亦对导电膏性能产生一定影响。
1.去膜作用 填料粒子不仅导电，它在以螺栓紧固搭接连接过程中还对搭接区基体金属表面起到机械研磨作用，从而在甚大程度上破碎并清除了金属表面上的各种膜层。
2.密封作用 搭接区涂敷导电膏后，它就充填了接触面间的全部空隙，故可阻止氧气和其他腐蚀性气体侵入搭接区，防止氧气膜及其他膜层之生成。这就基本上防止了基体金属的 化学腐蚀。同时，导电膏又能防止接触区的电气性能劣化，其具体表现即导电膏不仅使接触电阻值降低，而且还稳定了。另外，其密封作用还防止了水蒸汽之侵入，使基体金属免遭电化学腐蚀。
3.隧道效应导电作用 由于搭接接触区总存在因接触面上有许多微观凸起形成的空隙，故尽管名义上的接触面积并不小，但实际接触面积却极小。涂敷导电膏后，一则破除了实际接触面上 的各种膜层，并防止了其重新氧化，使仅有的少量金属接触面得到充分利用；二则尽管导电膏本身电导率并不很高S∕m），但它填满了全部空隙，并在其中形成许多隧道效应导电通道，就很大程度地扩大了实际接触面积，同时改善了搭接区的导电和导热状况。
导电膏的优点除直接体现在因接触状况明显改善而收到降低接触电阻和节能降温的效果外，又因其滴点温度高（在200℃以上），可保证通过必须承受的短路电流 而严重发热时亦不致自接触区流失，因而提高了搭接连接的工作可靠性。此外，导电膏还具有无毒、无臭、无污染、耐腐蚀、抗严寒、不氧化、不长霉和性能稳定等 特点，涂敷工艺又十分简便易行，适用性也非常强，价格又低廉（每千克仅百元左右，可供涂敷面积2500面积），故易于推广。
另一方面，由于导电膏解决了铝材铜降低成本的要求。且在节省大量工艺设备投资方面又有独到之处。因此，国内已有部分省和行业正在强制推行以涂敷导电膏取代传统的镀锡及搪锡工艺。
五、导电膏使用效果
近年来，国内外均 研制生产了商品导电膏，还制订了相应的 技术标准，例如，福建省标准计量局就增加了省企业标准------闽Q/GB-85《DG1型导电膏》。
笔者将已搜集到的导电膏性能参数列于表3.

DG1型导电膏是由福州市电气节能器材厂生产，并获得1989年全国星火计划成果、适用技术展览交易会金奖的产品。
为 检验DG1型导电膏适用效果，曾进行了对比试验。

1. 接触电阻稳定性试验

曾以50x5x800mm（搭接区长度l=50mm）的母线通过600A工频交变电流、按每次通过6分钟随即停电4分 钟进行循环试验，但在n=175次时曾以2.5倍过载电流（1500A）连续操作16次。试验持续时间3个月，经历了我国南方霉雨潮湿及高温季节。实验结 果见图6。
试验结果表明，涂敷导电膏后，R­0的初值小，而且经多次循环后不仅增大不多，并且很快就趋于稳定；反之则R0初值大，而且随循环次数增加迅速增大。

1. 温升试验

温升试验是结合上述循环加热试验结束阶段进行。实验结果见图7.由试验结果可见，涂敷导电膏后搭接区温升下降一半以上，铝---铝搭接尤为明显。
实验中还发现，母线其他部分的温升亦有所降低，这是因为涂敷导电膏后搭接区已由发热体转化为受热体了。
根据本刊1988年第2期报道，金城江内燃机务段将导电膏用于东风型内燃机车制动转换器，曾取得良好的效果和经济效益。又据株洲冶炼厂的运行经验，每年可 节电数百万度，直接经济效益以十万元计，而且大大的延长了连续运行时间，缩短了停电维修时间。福州第二化工厂的运行时间表明，在30~48℃的温度、 90%~95%的相对湿度且空气中含氯气量达到有刺鼻感的条件下长期运行后，节电效果显著。
总之，采用导电膏涂敷工艺可获得下列效益：大量节省有功功率消耗；降低生产成本；改善劳动生产条件；提高电气设备运行和供电的安全性与可靠性。

                           结语
综上所述，以涂敷导电膏取代镀锡搪锡，优点是十分明显的。国内已有不少行业的工厂推广应用了此项新工艺。且取得有益的经验，获得了一定的效益。金城江内燃 机务段也从应用此工艺得益不浅。其实，凡需采用母线搭接连接处，如供电部门和电讯部门，甚至各生产车间的电气线路连接，均宜照此办理。无疑，此项新工艺若 在全路全面推广后，仅节电一项便十分可观，其他如减少维修次数等间接收益亦颇可观。因此，建议有关部门能重视此工艺，并组织试验和推广应用。