مقدمة
يعد Silver Contact Rivet مكونًا رئيسيًا في الأجهزة الكهربائية ذات الجهد المنخفض، ويؤثر أدائه بشكل مباشر على استقرار وموثوقية تشغيل الأجهزة الكهربائية. من بين مواد السبائك الملامسة للكهرباء، تعد مواد سبائك الفضة من أهم مواد التلامس الكهربائي التي تحتوي على أكبر كمية من المعادن الثمينة. من أجل تحسين أداء التلامسات الكهربائية وتحقيق غرض توفير الفضة، تم تطوير سلسلة من مواد التلامس الكهربائية القائمة على الفضة، بما في ذلك AgCdO، AgSnO2، AgZnO، AgNi، AgW، AgC، إلخ. ومن بين العديد من المواد القائمة على الفضة مواد التلامس، يتم استخدام مواد التلامس AgCdO على نطاق واسع نظرًا لمزاياها العديدة مثل مقاومة القوس، ومقاومة اللحام، ومقاومة التآكل الكهربائية والميكانيكية، ومقاومة التآكل، ومقاومة التلامس المنخفضة والمستقرة. ويمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من الأجهزة الكهربائية ذات الجهد المنخفض مع تيارات تتراوح من بضعة أمبيرات إلى عدة آلاف من الأمبيرات، وتسمى "الاتصالات العامة". ومع ذلك، نظرًا لأن الكادميوم سام ويشكل خطرًا على جسم الإنسان أثناء التصنيع والاستخدام، فقد حظر سوق الاتحاد الأوروبي استخدام مواد الاتصال AgCdO منذ يونيو 2006.
AgZnO الكهربائيةالاتصال الفضيالمادة هي واحدة من المواد البديلة لـ AgCdO. إنها مادة تماس كهربائية صديقة للبيئة تم تطويرها في أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات. تتميز مادة التلامس الكهربائية AgZnO بخصائص مقاومة الاحتراق واللحام والتآكل الكهربائي ومقاومة التلامس المنخفضة والمستقرة ومقاومة تأثير التيار الكبير وأداء الكسر الجيد ووقت الانحناء القصير ومقاومة التآكل الكهربائي وغير السمية. ولذلك، فقد تم استخدامه في قواطع دوائر الهواء، وقواطع دوائر التسرب، وقواطع الدوائر الصغيرة، والموصلات، ومفاتيح الفصل، ومفاتيح النقل، ومفاتيح الحماية. تنتج طريقة الأكسدة المسبقة لمسحوق السبائك مواد اتصال بأكسيد الزنك الفضي صديقة للبيئة. إنها سهلة المعالجة ولها خصائص كهربائية ممتازة. إنه نوع جديد من مواد الاتصال ذات آفاق السوق الواسعة.
تم تحضير مساحيق سبائك AgZnO بمحتويات مختلفة من الفضة بواسطة عملية الأكسدة المسبقة لمسحوق السبائك. تم الحصول على أسلاك بنفس مواصفات الحالة بعد الضغط المتوازن والتلبيد والبثق والسحب. وتمت مقارنة الخواص الميكانيكية والفيزيائية، والهياكل المعدنية، وما إلى ذلك، وتم تحليل الاختلافات في الهياكل المعدنية والخصائص الميكانيكية والفيزيائية للأسلاك ذات المحتويات المختلفة. تم اختبار الخواص الكهربائية للمسامير المتكاملة المصنوعة من الأسلاك، كما تم تحليل الخواص الكهربائية للمواد الملامسة لأكسيد الزنك AgZnO ذات المحتويات المختلفة، مما يوفر مرجعاً لتطوير وتطبيق مواد التلامس لهذا النظام.
1 الطريقة التجريبية
تم إعداد الاختبار باستخدام 99.99% من ألواح الفضة و99.99% من سبائك الزنك من نفس الدفعة. تم تحضير العينات بطريقة الأكسدة المسبقة لمسحوق السبائك، ومعالجتها إلى أسلاك من خلال صناعة مسحوق الانحلال، والأكسدة المسبقة لمسحوق السبائك، والضغط المتوازن، والتلبيد، والبثق، والسحب وغيرها من العمليات. تم اختبار ومقارنة الخصائص الميكانيكية والفيزيائية للأسلاك؛ تم تحويل المسامير إلى جزء لا يتجزأالاتصال الكهربائي الفضيالشركة المصنعة، وكانت مواصفات المسامير هي: النقطة الديناميكية R3×0.5(0.25)+1.5×0.6SR10 النقطة الثابتة F3×0.6(0.25)+1.5×0.6E، مجمعة في مرحلات، وتم التحقق من العمر الكهربائي تحت تيار متردد 250 فولت/10 أمبير.
تم اختبار مقاومة العينات بواسطة جهاز اختبار مجموعة المقاومة المنخفضة للتيار الذكي TH2512B؛ تم تحليل التركيب الميتالوغرافي للمواد بواسطة المجهر الميتالوغرافي L150؛ تم قياس صلابة العينات بواسطة جهاز اختبار الصلابة بالفيديو DHV-1000Z؛ تم قياس قوة الشد للعينات بواسطة آلة اختبار عالمية إلكترونية؛ تمت ملاحظة مورفولوجيا البنية المجهرية للعينات والتشكل السطحي لعينات البرشام بعد الاختبار عن طريق مسح المجهر الإلكتروني (SEM)؛ تم التحقق من العمر الكهربائي عن طريق نظام اختبار الحمل المقاوم للتيار المتردد.
2 النتائج والتحليل
2.1 تحليل البنية المعدنية
يوضح الشكل 1 الهياكل المعدنية للمقطع العرضي والمقاطع الطولية للأسلاك النهائية لـ AgZnO(8)، وAgZnO(10)، وAgZnO(12) بمحتويات مختلفة من ZnO (a وb هما AgZnO(8)، وc و d هما AgZnO(10)، وe وf هما AgZnO(12)). بالمقارنة، يمكن ملاحظة أن طريقة الأكسدة المسبقة لمسحوق السبائك يمكنها بنجاح تحضير AgZnO(8-12) الموحد. يتم تشتيت أكسيد الزنك وتوزيعه بالتساوي في مصفوفة Ag، ولكن هناك القليل جدًا من تجميع أكسيد الزنك. مع زيادة محتوى ZnO، يزداد عدد جزيئات ZnO لكل وحدة مساحة، وتميل ظاهرة تجميع الجسيمات داخل المادة إلى الزيادة، لكن توزيع الأنسجة الإجمالي لا يزال موحدًا نسبيًا.
2.2 تحليل الخواص الميكانيكية والفيزيائية
يوضح الشكل 2 احتمالية توزيع الخواص الميكانيكية والفيزيائية للأسلاك التي يبلغ قطرها 1.920 مم في الحالة الصلبة. يوضح الشكل 2 (أ) احتمال توزيع المقاومة. ويمكن ملاحظة أنه مع زيادة محتوى ZnO، فإن مقاومته لها اتجاه متزايد بشكل كبير. مقاومة أكسيد معدن الفضةنقاط الاتصال الفضيةيتم التحكم في المادة من خلال معلمات مثل تكوين المادة وكسر حجم الأكسيد وحجم الجسيمات وتوزيعها في مصفوفة Ag [10]. مع زيادة محتوى ZnO، يزداد جزء حجم ZnO، وتؤدي زيادة واجهات الجسيمات إلى زيادة تشتت الإلكترون داخل المادة، وتزداد مقاومة جسم المادة تدريجيًا؛ يوضح الشكل 2 (ب) احتمال توزيع الصلابة. ويمكن ملاحظة أنه مع زيادة محتوى ZnO، فإن الصلابة لها اتجاه متزايد بشكل كبير. وذلك لأن محتوى أكاسيد المعادن الموزعة في مصفوفة Ag يزداد، ويتم تعزيز تأثير تقوية تشتت الجسيمات. وبالمثل، يؤدي تعزيز التشتت إلى اتجاه متزايد بشكل كبير في قوة الشد، كما هو مبين في الشكل 2 (ج). باختصار، مع زيادة محتوى ZnO في مادة AgZnO، فإن المقاومة والصلابة وقوة الشد للمادة لها اتجاه متزايد بشكل كبير.
2.3 التحقق من الحياة الكهربائية
تم تصنيع المسامير من سلك ملدن قطر 1.920 مم، بمواصفاتاتصالات كهربائية فضية: النقطة الديناميكية (R3×0.5(0.25)+1.5×0.6SR10) والنقطة الثابتة (F3×{ {13}}.6(0.25)+1.5×0.6E). تمت معالجة المسامير لاحقًا وتجميعها في مرحلات للتحقق من الحياة الكهربائية. تظهر شروط الاختبار في الجدول 1. ويبين الشكل 3 بيانات الحياة الكهربائية للمرحلات المصنوعة من AgZnO(8)، وAgZnO(10)، وAgZnO(12). يمكن ملاحظة أنه في ظل ظروف 250 فولت و10 أمبير، ضمن فترة الثقة 95%، يكون العمر الكهربائي لمادة AgZnO(8) هو الأطول، بمتوسط عمر كهربائي يبلغ 202,029 مرة؛ يتراوح العمر الكهربائي لمادة AgZnO(10) بين AgZnO(8) وAgZnO(12)، بمتوسط عمر كهربائي يبلغ 149,941 مرة؛ عدد الحياة الكهربائية المقدرة لمادة AgZnO(12) هو الأقل، حيث بلغ 98,665 مرة.
تظهر المقارنة الشاملة أنه في ظل حالة تيار صغير خلال 20 أمبير، يمكن لجميع المواد الثلاثة تلبية متطلبات الحياة الكهربائية البالغة 100,000 مرة، ولكن مع زيادة محتوى ZnO في مادة الاتصال AgZnO، فإن اتصالاتها الفضية للترحيل تظهر الحياة الكهربائية اتجاها نزوليا.
2.4 تحليل ظهور جهات الاتصال الفاشلة
أثناء عملية إغلاق وفصل التلامس، وبسبب تأثير تفريغ القوس وحرارة الجول، يخضع سطح التلامس لعملية ذوبان وتصلب جزئي، مما يؤدي إلى فشل الاتصال في الانفصال بشكل طبيعي، وهو ما يسمى باللحام التلامسي [10]. يوضح الشكل 4 المظهر ومكونات طيف الطاقة لجهات الاتصال الفاشلة تحت ظروف 250 فولت/10 أمبير. الأشكال 4 (أ، د، ز) هي صور SEM لمظهر مظهر الاتصال لـ AgZnO (8)، AgZnO (10) وAgZnO (12) في نهاية حياتهم. الأشكال 4 (ب، ه، ح) هي مواقع الفشل المقابلة، والأشكال 4 (ج، و، ط) هي بيانات مكون طيف الطاقة لمنطقة الفشل. بالمقارنة، يمكن ملاحظة أن موضع فشل جهة الاتصال AgZnO (8) يقع على حافة جهة الاتصال، والتي تحتوي على نسبة عالية من النحاس. في نهاية عمر التلامس، يتم استهلاك الطبقة الفضية بالكامل، وتشارك طبقة النحاس في التلامس، مما يؤدي في النهاية إلى فشل اللحام التلامسي. يكون موضع فشل جهة الاتصال AgZnO (10) قريبًا من حافة جهة الاتصال، والتي تحتوي على نسبة عالية من النحاس. يقع موضع فشل AgZnO (12) داخل سطح العمل، ويحتوي موضع الترابط على نسبة عالية من النحاس. مع زيادة محتوى ZnO في مادة التلامس، تزداد لزوجة المجمع المنصهر، وهو أمر غير مناسب للتدفق. يميل موضع الفشل إلى الانتقال من خارج سطح العمل الملامس إلى الداخل.
يحدث تآكل القوس على سطح جهة الاتصال أثناء عملية الإغلاق والفتح، أي فقدان المواد الناجم عن تبخر المادة وتناثرها بسبب ارتفاع درجة حرارة جهة الاتصال المحلية تحت تأثير القوس. التآكل القوسي هو في الأساس عملية تعدين فيزيائية مثل التسخين السريع والذوبان والتبخر والتدفق والتصلب على سطح التلامس، مما يؤدي إلى التليين والتناثر والتدفق والشقوق وما إلى ذلك على سطح التلامس [10-12]. يتأثر تآكل قوس التلامس بشكل رئيسي بعمليات الذوبان والتبخر والتصلب. في عملية الذوبان، تذوب المنطقة الدقيقة لسطح التلامس وتغير البنية الأصلية. مدفوعًا بقوة القوس والقوة الميكانيكية، يتدفق المعدن المنصهر بمعدل تدفق معين، مما يتسبب في تناثر السوائل وخسارة المواد.
كما يتبين من الشكل 4 (أ، د، ز)، بعد اختبار AgZnO (8)، تم استئصال سطح التلامس بشكل مسطح وموحد نسبيًا، مع وجود عدد قليل من المسام، وكان هناك الكثير من البقع حول سطح العمل، التي تراكمت حول الاتصالات. نظرًا لأن عدد الاختبارات كان الأكبر، كان الرش خطيرًا، مما أدى إلى الفقدان الكامل للطبقة الفضية على سطح العمل لجهات الاتصال الفضية الخاصة بالمرحل، وفشلت الطبقة النحاسية بعد الاتصال. بعد اختبار AgZnO (10)، كانت هناك مسام واضحة على سطح التلامس، وكان هناك عدد أقل من البقع حول نقاط التلامس؛ بعد اختبار AgZnO (12)، تشقق سطح عمل التلامس بشدة، وتناثرت مصفوفة النحاس المنصهر على سطح العمل، مما تسبب في فشل اللحام. بمقارنة الأشكال 4 (أ، د، ز)، يمكن ملاحظة أنه مع زيادة محتوى أكسيد الزنك، يزداد اتجاه التشقق لسطح فشل التلامس، والذي يحدث بسبب تبريد وانكماش جهة الاتصال. بعد إطفاء القوس، يبرد سطح التلامس بسرعة، ويتجمد حوض السباحة المنصهر السطحي، ويتحول الطور السائل إلى مرحلة صلبة، ويصلب السطح وينكمش. أظهرت الدراسات أن الشقوق والثقوب التي تتشكل على سطح ملامسات أكسيد معدن الفضة ستتسبب حتماً في أن تصبح بنية مساحة السطح فضفاضة، مما يؤدي بدوره إلى زيادة كمية تآكل القوس ومقاومة التلامس. مع زيادة محتوى ZnO، يزداد ميل الشقوق والمسام، وتزداد كمية تآكل القوس، وتصبح مقاومة التلامس أعلى، وارتفاع درجة الحرارة غير طبيعي، ويؤدي الهيكل الداخلي الفضفاض إلى فشل التلامس.
تظهر المقارنة الشاملة أنه مع زيادة محتوى ZnO، عند فشل مادة التلامس AgZnO (8-12)، يتحرك موضع التلامس من الخارج إلى داخل سطح العمل، وميل الشقوق والمسام على التلامس يزيد السطح، مما يؤدي إلى انخفاض في العمر الكهربائي لجهة الاتصال.
3 الاستنتاجات
يمكن لطريقة الأكسدة المسبقة لمسحوق السبائك تحضير مواد الاتصال الكهربائية بنجاح بمحتوى ZnO يتراوح من 8% إلى 12%. مع زيادة محتوى ZnO، تميل المقاومة والصلابة وقوة الشد إلى الزيادة، ويميل تجميع جزيئات ZnO داخل المادة إلى الزيادة؛ في حالة وجود تيار صغير خلال 20 أمبير، مع زيادة محتوى ZnO، يميل العمر الكهربائي إلى الانخفاض، ويكون أداء التحقق من الحياة الكهربائية لملامسات المواد AgZnO(8) هو الأفضل، والذي يمكن أن يصل إلى أكثر من 200،{{ 6}} مرات؛ مع زيادة محتوى ZnO، تحت تأثير القوس، يزداد تشقق السطح ومسامية التلامسات الكهربائية الفضية، ويميل العمر الكهربائي إلى الانخفاض.
ملكنااتصالات كهربائية فضيةمصنوعة بعناية منتجات عالية الجودة. إنها مصنوعة من الفضة عالية النقاء وتتميز بموصلية كهربائية ممتازة، مما يسمح بنقل التيار بسلاسة ويقلل بشكل كبير من فقدان الطاقة. إن عملية التصنيع الرائعة تجعل جهات الاتصال مدمجة بشكل وثيق مع المادة الأساسية، ثابتة وموثوقة، وقادرة على تحمل عمليات الفتح والإغلاق المتكررة ولا تتشوه أو تتلف بسهولة. في مختلف البيئات الكهربائية المعقدة، يمكن أن تعمل بشكل مستقر، سواء في درجات الحرارة العالية أو الرطوبة العالية أو ظروف الاهتزاز، ويمكنها ضمان التشغيل الآمن والمستقر للمعدات الكهربائية.
