贵金属基电接触材料中的熔桥演化特征和相关因素的实验与模拟研究

Molten metal bridge was a special but common phenomenon that caused by electrical current joule heat effect during the electrical contact breaking process. Researches about molten metal bridge have been investigated for more one hundred years. Although some results were achieved, t the mass transfer mechanism of molten metal bridge has not finally settled. In a word, the problem of molten metal bridge is complex problem which involved many characteristics and multi-physical field coupling factors, and relationship between molten metal bridge microscopic characteristics and influencing factors between the specific molten metal bridge process and the mechanism is not clear. The basic problem of molten metal bridge evolution characteristics and factors in precious metals electrical contact material were chosen. At first, the many typical of material including Ag, AgNi10, Ag/SnO2, Au, AuNi9, Pt, PtIr10, Pd, PdCu40 were made. Secondly, the relationship among the molten metal bridge evolution mechanism and materials, phase transformation, the type of load, shape of contact and other factors was investigated using a new method of the finite element method and experimental research. Finally, research results will contribute to solve the problem of molten metal bridge transfer mechanism, which has important academic value and theoretical significance. At the same time, the achievements will be well of high reliable electrical contact material design and optimization to provide important guiding role using in spaceflight, aviation and other fields.

熔桥是电触头在分断过程中由于电流热效应而产生的一种特殊但又普遍存在的现象。近百年来对熔桥行为和影响因素的研究一直未停止，虽取得一些成果，但如桥转移机制等重要问题一直未最终解决。归根到底主要是熔桥问题是一个多物理场、多因素耦合的复杂问题；同时也因为人们对熔桥的微观特征及影响因素之间的具体作用过程和机制不清。项目针对贵金属基电触头分断过程中的熔桥演化特征和相关因素的作用机制这一问题，以熔桥行为较明显的Ag基(Ag、AgNi10、Ag/SnO2)、Au基(Au、AuNi9)、Pt基(Pt、PtIr10)、Pd基(Pd、PdCu40)材料为研究载体，以相关理论和实验数据为基础，采用有限元计算和实验结合的方法，研究材料种类、相变、负载类型、触头形状等因素对熔桥演化的作用机制，探讨这类材料的桥转移机理，具有重要的学术价值和理论意义，同时将对航天、航空领域中的高可靠电接触材料的设计和性能优化提供指导。

电接触材料和相关理论虽经一百多年的研究和发展，但仍存在许多待解决和研究的基本问题和现象，熔桥问题就是其中之一。目前航天、航空等领域中大量使用的Au 基、Pt基、Pd 基和部分Ag基电接触材料，实际使用中熔桥行为十分显著，且熔桥转移导致的器件失效占比很大。本研究针对该问题开展研究，在制备了Ag基、Au基、Pt基、Pd基等电接触材料后，确定了电触头分断过程中熔桥作用为主的电流－电压实验条件；设计、制造了适合电接触行为研究的专用高速摄像设备。通过高速摄影和形貌观察手段，研究了不同材料类型、材料的相变、接触压力、触头表面形状等因素，对熔桥演化特征的作用机制以及相关现象的影响，并开展了熔桥、电弧行为的研究，观察并测量了熔桥直径、形状等大量参数，以及电弧形态等参数。首次发现了熔桥与电弧之间的协同竞争关系，并构建熔桥模型，采用有限元方法计算了熔桥从出现、演化直到断裂的整个过程中，熔桥上的力场、电场、温度场等物理场分布和变化特点，许多结果与实验结果符合。研究中发现了熔桥与电弧之间的协同竞争关系，并影响了熔桥转移方向和机制等行为有重要影响作用。研究结果对于熔桥研究不仅对其理论进行了一定补充和验证，具有明显的理论意义，而且对于航空、航天等领域中的高可靠性电接触材料的使用和设计具有重要应用价值和实际意义。