微型继电器触点材料熔焊失效现象的实验研究

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以TO-5继电器为代表的微型继电器凭借体积小、可靠性高、与集成电路兼容的优势广泛应用于国防工业电子线路中。然而,微型继电器熔焊失效现象的机理及抑制方法还属未知。本文以触点材料模拟实验为技术手段,研究机械调整参数对触点分合过程的影响,以及在阻性负载和浪涌负载条件下的电寿命实验中触点材料电性能的退化规律和熔焊失效机理。首先,专门针对微型继电器的结构开发触点材料电性能模拟实验系统。设计机械系统实现对片状-杆状触点对的精确夹持定位,以及触点开距、超程和作用位置等关键机械参数独立调整的功能。设计硬件系统实现触点动作过程中带电条件的设置以及原始电信号的采集调理功能。设计软件系统实现触点分合过程中的燃弧、回跳、接触电阻以及吸合、释放时间等特性参数的实时计算,以及实验条件设置与数据波形显示的人机交互功能。其次,应用材料力学相关理论建立片状-杆状触点对接触的机械特性计算模型,得到动簧片反力、触点对静压力和动簧片反力做功等物理量与触点开距、超程和高度比等机械参数的对应关系。通过改变以上机械参数进行平行对照实验,研究各机械参数对触点分合过程中特性参数的影响。进而,实验研究在阻性负载条件下的电寿命实验中触点发生熔焊失效的过程。重点提取燃弧时间、分断时间和稳态接触电阻作为特征参数,在触点分断闭合过程全带电、仅分断过程带电和仅闭合过程带电三种不同实验模式下对比特征参数退化规律的差异性。结合对触点表面的形貌特征与元素能谱的分析,提出触点发生熔焊失效的物理过程和机理。最后,开展触点在容性浪涌负荷条件下的电寿命实验。根据触点电压电流的典型波形对触点分合容性负载的过程进行电路解析,并提取具有明显特征的回跳发热量参数分析触点材料的退化过程。结合电镜照片分析触点接触微区的熔桥产生机理、接触状态的退化机理和接触形式的影响结果,形成完整的触点熔焊失效机理。本文的研究结果可应用于微型继电器产品的长寿命设计,亦可用于钯基合金触点材料的抗熔焊性能分析。
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