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1、 影响电接触过程中的导电性能的因素报告人告人:薛博宇薛博宇 SDEM一、目录目录1.金属金属导电的机理的机理2.影响金属基体影响金属基体导电率的因素率的因素3.金属的接触金属的接触电阻阻 SDEM1 1、金属导电的机理、金属导电的机理经典电子论认为金属的电阻是由于电子和晶格碰撞的结果,得出金属的电导率 ，(=1/），式中代表电子的平均自由程，n为金属中自由电子的平均密度，e为电子电量，m为电子平均质量，V为电子的运动速度,+从金属的从金属的从金属的从金属的电电子理子理子理子理论导论导出欧姆定律的微分形式出欧姆定律的微分形式出欧姆定律的微分形式出欧姆定律的微分形式设导设导体内的恒定体内的恒定场场
2、强强为为 ，则电则电子的加速度子的加速度为为 电电子两次碰撞的子两次碰撞的时间间时间间隔隔为为t t ，上次碰撞后的初速，上次碰撞后的初速度度为为 ，则则 统计统计平均后，初速度的平均平均后，初速度的平均值为值为零，零，则则 平均平均时间间时间间隔等于平均自由程除以平均速率隔等于平均自由程除以平均速率 1 1、金属导电的机理、金属导电的机理 则则由由和和得平均漂移速度得平均漂移速度 电电流密度流密度为为 其中，其中，电导电导率率为为1 1、金属导电的机理、金属导电的机理 SDEM3.3.金属的接触电阻金属的接触电阻从从电导率表达式知：率表达式知：电导率与自由率与自由电子的密度成正比，子的密度成
3、正比，与与电子的平均自由程成正比；子的平均自由程成正比；还定性地定性地说明了温度升高，明了温度升高，电导率下降的原因。率下降的原因。1 1、金属电阻产生的机理、金属电阻产生的机理 SDEM2.影响金属基体影响金属基体导电率的因素率的因素1、不同的金属具有不同的、不同的金属具有不同的电子密度。子密度。2、温度和金属的、温度和金属的结构缺陷会构缺陷会降低降低电子平均自由程。子平均自由程。SDEM2.12.1自由电子密度不同的金属导电状况自由电子密度不同的金属导电状况+电场电场方向方向+AgAgAlAl SDEM2.12.1自由电子密度不同的金属导电状况自由电子密度不同的金属导电状况电子密度子密度
4、，其中，其中m是元素是元素质量密度量密度，A是元素相是元素相对原子量，原子量，Z是是单个原子提供的自由个原子提供的自由电子数，子数，与最外与最外层电子数相关。子数相关。几种元素的自由电子密度元素自由电子密度 /cm3电阻率/（m）Fe1.69x102310Cu0.84x10231.75Al0.6x10232.9Ag0.58x10231.65 SDEM2.22.2常见金属的电子平均自由程常见金属的电子平均自由程金属电子平均自由程/nm电阻率/（m）Ag52.71.65Cu39.31.75Au35.52.3Al14.92.9W14.25.5 SDEM缺陷量不同的金属导电状况的对比缺陷量不同的金属导
5、电状况的对比+电场电场方向方向+退火退火态钢态钢淬火淬火态钢态钢 SDEM缺陷量不同的金属导电状况的对比缺陷量不同的金属导电状况的对比时时效效处处理理对对CuCr25CuCr25合金合金导导电电率的影响率的影响 SDEM不同温度下金属导电状况的对比不同温度下金属导电状况的对比+电场电场方向方向+AgAgAlAl SDEM不同温度下金属导电状况的对比不同温度下金属导电状况的对比 SDEM2.影响金属基体影响金属基体导电率的因素率的因素（1）温度）温度 温度温度对金属金属电阻的影响是由于温度引起离子晶格阻的影响是由于温度引起离子晶格热振振动造成造成对电子波的散射，温度升高会使离子振子波的散射，温度
6、升高会使离子振动加加剧、热振振动振幅加大，原子的无序度增加，而使振幅加大，原子的无序度增加，而使电阻率随温度的升高而增加阻率随温度的升高而增加。（2）金属中的缺陷）金属中的缺陷 金属中的各种缺陷，如金属中的各种缺陷，如杂质原子、空位、内部原子、空位、内部（晶界）的位（晶界）的位错和外部的表面造成和外部的表面造成晶格畸晶格畸变引起引起电子子波散射，从而影响波散射，从而影响导电性。性。SDEM2.42.4实际应用实际应用l冷冷加工使晶体点加工使晶体点阵发生畸生畸变和和产生更多缺陷，从而增生更多缺陷，从而增加了加了电子散射的几率子散射的几率，因而，因而电阻率升高。阻率升高。l金金属冷加工属冷加工变形
7、后，若再形后，若再进行退火，行退火，则可可使使电阻降低，阻降低，尤其当温度接近再尤其当温度接近再结晶温晶温度（度（T再再=0.4T熔熔）时，电阻可恢阻可恢复到接近冷加工前的水平。但当退火温度高复到接近冷加工前的水平。但当退火温度高过再再结晶温晶温度度时电阻反而又增大了。阻反而又增大了。这是再是再结晶后新晶粒的晶界阻晶后新晶粒的晶界阻碍了碍了电子运子运动造成的。造成的。17 3.1 3.1 接触接触电电阻的理阻的理论论和和计计算算一、电接触的定义和分类：1、定义：电接触是导体与导体的接触处；也称电接触是2个或n个导体通过机械方式连接，使电流得以通过的状态。电接触内表面物理图景 任何用肉眼看来磨得
8、非常光滑的金属表面，实际上都是粗糙不平的。如图6-1所示，为几种机械加工后钢表面轮廓图并与玻璃表面比较。由图可知：不同材料、不同加工法、不同工艺过程所得到的表面微观状态不相同。6-2 接触电阻的理论和计算 电流通过两导体电接触处的主要现象是接触处出现局部高温。产生此现象的原因是电接触处存在一附加电阻，称之为接触电阻。Rj即为导体与导体接触处产生的一附加电阻，这个电阻定义为接触电阻。导体电阻比接触电阻小得多，工程中可近似认为：Rj=Rab3.1 3.1 接触接触电电阻的理阻的理论论和和计计算算 电接触学科的奠基人霍尔姆(R.Holm)指出：任何用肉眼看来磨得非常光滑的金属表面，实际上都是粗糙不平
9、的，当两金属表面互相接触时，只有少数凸出的点(小面)发生了真正的接触，其中仅仅是一小部分金属接触或准金属接触的斑点才能导电.当电流通过这些很小的导电斑点时，电流线必然会发生收缩现象，见下图6-4的示意图。其次，由于金属表面上有膜的存在，如果实际接触面之间的薄膜能导电，则当电流通过薄膜时将会受到一定阻碍而有另一附加电阻，称膜电阻，它是构成接触电阻的另一个分量。式中 Rb：表面间膜电阻；Rs：收缩电阻。3.1 3.1 接触接触电电阻的理阻的理论论和和计计算算 3）金属表面膜的形成：金属表面膜的生长与材料种类、环境介质的情况，以及其它许多复杂的情况有关。以铜和银为例说明金属表面膜的形成：a、以银为例
10、分析 空气：银不易氧化；臭氧：Ag2O，易清除，200即分解；含H2S的空气：在银表面水膜中易生成Ag2S绝缘暗膜，干燥时不易侵蚀银。Ag2S是半导体，近似于绝缘件。b、以铜为例：空气中，金属材料表面由吸附膜发展成肉眼可见的氧化暗膜，生长规律理论上由氧化速率的抛物线定律决定，但实际的生长规律复杂。图6-6示出几种常见触头材料在某些条件下膜的生长厚度与时间的关系。6-2 接触电阻的理论和计算3.2 3.2 膜膜电电阻的生成与阻的生成与击击穿穿 4、绝缘暗膜的击穿：1）半导体特征：如果施加一电压于具有完整的绝缘暗膜的接触面之间，当电压U由0升高，膜电阻由M级下降（但一直保持绝缘状态），但膜电阻随电
11、压升高而下降；U下降，膜电阻上升。2）U上升至某临界值（如5伏），膜被击穿，膜电阻突然消失，接触面之间的电压立即下降到零点几伏的数量级。图6-8表示绝缘膜的这种电击穿过程 绝缘暗膜的电击穿过程：实线：加压或减压时，膜处于完好绝缘状态；U0：临界电压。当UU0，膜被击穿，用虚线表示，并最终稳定在终止点（Rz，Uz）。霍尔姆把膜的击穿称之为膜的熔解。6-2 接触电阻的理论和计算3.2 3.2 膜膜电电阻的生成与阻的生成与击击穿穿 5 5、绝缘绝缘暗膜暗膜击击穿的机理：穿的机理：（1 1）电击电击穿：穿：电场电场内部内部电电子子发发射，形成射，形成电电子云，使金属表面局部加子云，使金属表面局部加热热
12、直至熔化，直至熔化，由于由于强强大静大静电电力作用，液力作用，液态态金属被吸入放金属被吸入放电电通道而通道而桥桥接，最后形成金属的接，最后形成金属的电电流流通路。通路。（2 2）热击热击穿：穿：由于膜的不均匀性，使由于膜的不均匀性，使电电流集中通流集中通过过局部局部电导电导率率较较高的点，引起高的点，引起半半导导体膜的温度升高，体膜的温度升高，电导电导率增大，又使率增大，又使电电流更加集中和加大，以致流更加集中和加大，以致发发生最生最终终的的热击热击穿，被熔化的金属最后引入穿，被熔化的金属最后引入击击穿通道而穿通道而桥桥接。接。（3 3）机械机械击击穿：穿：在接触元件上施加一定的外力，从而使在
13、接触元件上施加一定的外力，从而使实际实际接触面微接触面微观观凸丘接触凸丘接触处获处获得极高的得极高的应应力。当凸丘受力。当凸丘受压变压变形形时时，膜亦随之破裂。或者在两接，膜亦随之破裂。或者在两接触面受触面受压压的同的同时时，使两表面作相，使两表面作相对滚对滚滑，将膜磨碎并剥离。滑，将膜磨碎并剥离。膜的机械破坏要求膜的机械破坏要求实际实际接触面上作用有很高的局部接触面上作用有很高的局部压压力，并且力，并且边边面膜比本体金属面膜比本体金属应应具有大得多的硬度和脆性。具有大得多的硬度和脆性。为为此需要接触表面有一此需要接触表面有一定的粗糙度，使接触斑点有小的接触面定的粗糙度，使接触斑点有小的接触面
14、积积，以，以获获得高的局部接触得高的局部接触压压力，力，同同时选时选用适当的接触材料和用适当的接触材料和结结构。构。6-2 接触电阻的理论和计算3.2 3.2 膜膜电电阻的生成与阻的生成与击击穿穿 3.33.3、收缩电阻的影响因素、收缩电阻的影响因素3.当理想球形与平面接触当理想球形与平面接触时若呈若呈弹塑性塑性变形形,则为：P：压力力 r：球半径：球半径 H：接触材料的硬度：接触材料的硬度(N/m2 )；12/10/202223第2章接触电阻理论 1.现象：象：当接触当接触压力力P由小增由小增大大时，收，收缩电阻阻Rc减小；减小；当接触当接触压力力进一步增一步增大大时，Rc的减小的减小变得非
15、常得非常缓慢；慢；当接触当接触压力由大减小力由大减小时，Rc的增加极其的增加极其缓慢。慢。3.3.1 3.3.1 接触压力对收缩电阻的影响接触压力对收缩电阻的影响 Au接触表面的收缩电阻与接触压力P的关系12/10/202224第2章接触电阻理论 材料的硬度越高，收材料的硬度越高，收缩电阻越大，但硬度提高有利于阻越大，但硬度提高有利于表面氧化膜的去除。表面氧化膜的去除。接触的接触的压力越大，收力越大，收缩电阻越小，但会阻越小，但会缩短断路器短断路器弹簧机构的疲簧机构的疲劳寿命。寿命。Ag表面不易生成氧化膜，膜表面不易生成氧化膜，膜电阻小；本身阻小；本身导电率高；率高；硬度低，收硬度低，收缩电阻
16、小，是比阻小，是比较理想的理想的电接触材料。但接触材料。但其本身其本身强度硬度不度硬度不够，导致在接触致在接触时容易容易发生形生形变影影响寿命，所以响寿命，所以经常与常与W、Ni、Fe等高等高强度材料相配合度材料相配合以提高触以提高触头的机械寿命。并且其可的机械寿命。并且其可焊性极好，易性极好，易发生生熔熔焊，所以，所以经常配合以常配合以C、CdO、SnO2等易等易产生气体生气体的材料配合以避免熔的材料配合以避免熔焊。Cu相相对Ag在在导电方面的性能并不差很多，但是方面的性能并不差很多，但是Cu很很容易在空气中氧化，容易在空气中氧化，导致接触致接触电阻大大增加，所以阻大大增加，所以Cu基材料主要基材料主要应用于真空接触器中。用于真空接触器中。3.4 3.4 实际应用实际应用12/10/202225第2章接触电阻理论 影响电接触过程中的导电性能的因素报告人告人:薛博宇薛博宇谢谢谢谢THANK YOUTHANK YOU