Защитные покрытия и смазки для электрических контактов

Коррозия металлов в электрическом контакте представляет сложный процесс, в котором сочетаются чисто химические взаимодействия металлов с окружающей средой и с электрохимическими явлениями, возникающими в зоне соприкосновения между собой разнородных металлов. Для защиты от коррозии металлические детали электрических контактов изготавливают со специальными неметаллическими или с металлическими антикоррозийными защитными покрытиями.

Электрические контакты в закрытых электроустановках с нормальной окружающей средой обычно выполняют без специальных защитных покрытий.

В закрытых электроустановках с агрессивной окружающей средой в зависимости от степени агрессивности и влажности, а также в наружных установках детали электрических контактов покрывают специальными неметаллическими или металлическими защитными пленками.

Неметаллические антикоррозийные покрытия

Пассивирование и оксидирование стальных, медных и алюминиевых деталей контактов осуществляют обработкой их в водных растворах щелочей и солей или погружением деталей в концентрированные растворы кислот, например азотной или хромовой.

Металлические антикоррозийные покрытия

К металлическим антикоррозийным защитным покрытиям относятся покрытия контактных поверхностей соединительных деталей тонким слоем другого металла, например кадмия, меди, никеля, олова, серебра, хрома, цинка и др. Нанесение металлических защитных покрытий осуществляют гальваническим, металлизационным или горячим способами.

Гальванический — это электролитический способ осаждения слоя другого металла на поверхности стальных и медных деталей электрических контактов. Его осуществляют в гальванических электролизных ваннах, наполненных электролитом, при прохождении через него постоянного тока, получаемого от выпрямителей при напряжениях 6, 9, 12 В.

Электролитом являются водные растворы или расплавленные соли металлов. В зависимости от состава электролита электролитическим способом осуществляют кадмирование, меднение, никелирование, оловянирование или лужение, серебрение, хромирование и цинкование деталей.

Процесс электролиза сопровождается выделением вредных газов и испарений, поэтому помещения с электролизными ваннами оборудуются приточно-вытяжной вентиляцией.

По окончании электролитического процесса детали переносят в промывочные ванны с горячей и холодной водой и после тщательной промывки высушивают сжатым воздухом.

Гальваническая электролизная ванна

Металлизация — способ нанесения на поверхности контактных детален тонкого слоя предварительно расплавленного другого металла путем распыления его струей сжатого воздуха.

Для металлизации применяют кадмий, медь, никель, олово и цинк. Предварительное расплавление металлов производят в тиглях или в пламени горючего газа или электрической дуги специальных аппаратов, а нанесение их на детали — распылением при помощи специальных пульверизаторов.

Нанесение покрытий горячим способом осуществляют погружением контактных деталей в ванну с расплавленным металлом, имеющим невысокую температуру плавления, например кадмием, оловом и его сплавами, свинцом, цинком и различными припоями. Предварительное расплавление металлов производят в электротиглях пли в пламени газовых аппаратов и паяльных ламп.

Особенно широко этот способ применяется в монтажных условиях для лужения медных и стальных контактных поверхностей и деталей различными припоями. Для этого обработанные контактные поверхности, предварительно смазанные раствором хлорного цинка (паяльной кислоты), погружают в ванну с расплавленным припоем, затем быстро вынимают из ванны, промывают в воде и протирают сухой тряпкой.

Лужение контактных поверхностей можно также выполнять путем нанесения на них расплавленного в пламени газовой горелки или паяльной лампы тонкого слоя припоя вручную с применением бескислотных флюсов. Качество нанесенных защитных покрытий зависит от предварительной и последующей обработок контактных деталей. Основным условием получения прочных и беспористых защитных покрытий является чистота поверхности покрываемого металла.

Способы очистки электрических контактов

Предварительную очистку контактных поверхностей и деталей осуществляют в зависимости от степени загрязнения и производственных возможностей способами механической, химической или электрохимической обработки.

Механический способ очистки электрических контактов заключается в обработке поверхностей на абразивных станках металлическими щетками, пескоструйной очисткой или ручной обработкой. Мелкие детали (шайбы и гайки) обычно обрабатывают во вращающихся галтовочных барабанах с применением абразивных и наждачных порошков.

После механической очистки контактные поверхности и детали подвергают обезжириванию, т. е. удаляют с них имеющиеся жировые и другие загрязнения.

Обезжиривание производят химическим путем, промывая детали бензином, керосином, бензолом и другими органическими растворителями или травлением их в растворах кислот, кислых солей и щелочей. Промывка и травление деталей выполняется в специальных ваннах и аппаратах.

Тщательная и качественная предварительная очистка и обезжиривание контактных деталей при последующем нанесении на них антикоррозийных защитных покрытий обеспечивают плотное сцепление пленок с основным металлом и исключают образование на них дефектных отслоений.

Металлические защитные покрытия контактных поверхностей наносят также способом плакирования, путем горячего проката пакета, представляющего плиту основного металла, например алюминия, с наложенными на нее с одной или двух сторон тонкими листами другого металла, например меди.

На медные разъемные соединительные детали рекомендуется наносить кадмиевые или оловянисто-цинковые защитные покрытия, стальные детали цинковать, кадмировать, меднить, лудить или воронить, а алюминиевые контактные поверхности плакировать или армировать медью.

Подавляющее большинство принятых способов нанесения на металлы защитных покрытий, особенно металлических, требуют для осуществления их специального и сложного стационарного технологического оборудования.

В разъемных соединениях алюминиевых проводников с алюминиевыми, медными и стальными выводами электрооборудования контактные алюминиевые поверхности вследствие активного окисления их подвергаются дополнительной подготовке непосредственно перед присоединением.

Кроме того, в месте контакта смазки и пасты должны обеспечивать разрушение химическим путем оксидной пленки и в течение длительного времени не допускать возникновения ее вновь.

Технический вазелин применяется для защиты металлических деталей от коррозии. При повышении температуры свыше +45° С не обеспечивает удержания достаточного количества смазки в контакте соединения. Обладает повышенной нейтральностью к образовавшейся оксидной пленке. В электромонтажном производстве технический вазелин широко применяется в качестве защитной смазки от коррозии во всех случаях, где это необходимо.

ЦИАТИМ применяется для смазки и защиты от вредных влияний атмосферы при повышенных и низких температурах. При значительном механическом воздействии на смазку уменьшается ее динамическая вязкость, а также предел прочности и смазка приобретает повышенную текучесть. Смазка ЦИАТИМ обладает повышенной химической стабильностью и по своим свойствам более других смазок подходит дли применения в контактных соединениях.

Защитные цинко-вазелиновая и кварце-вазелиновая пасты представляют собой смесь технического вазелина (50%) с порошком цинка или кварцевого песка (50%). Пасты обладают способностью разрушать оксидную пленку при сборке контактов при помощи введенных в технический вазелин тонко раздробленных твердых наполнителей (порошок цинка или песка).

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Прямоугольные электрические соединители. Пленки на электрических контактах

Александр Сафонов
Леонид Сафонов

Введение

Успешное функционирование радиоэлектронной
аппаратуры (РЭА) в значительной степени зависит
от четкой безотказной работы электрических соединителей и их основных элементов — электрических
контактов.

За последние десятилетия благодаря широкому
внедрению автоматизированных систем управления
и возросшей сложности РЭА теория электрического
контакта получила новый импульс развития. Особое место в этой теории занимает раздел по изучению процесса образования различного рода пленок
и их влияния на работу электрических контактов.
Однако изучению этого процесса, по мнению авторов, уделяется недостаточное внимание.

В статье обобщена имеющаяся информация о пленках, которые возникают на контактах электрических
соединителей в процессе хранения и эксплуатации.
Авторы излагают свои взгляды на эту проблему и делятся своими соображениями в этой области. А также обозначают серьезность последствий, которые могут возникнуть при эксплуатации электрических соединителей в составе РЭА, если не будут учтены
некоторые особенности, позволяющие минимизировать отрицательные воздействия различного рода
пленок на нормальную работу контактных пар.

Типы пленок на электрических контактах

Практически все металлы подвергаются окислению. Металлические поверхности в процессе обработки и после нее очень быстро покрываются
первичной пленкой окисла. Такие пленки обнаруживаются и на благородных металлах. Скорость
образования пленки окисла на поверхности металла исчисляется долями секунды. С увеличением
толщины рост пленки замедляется. Несмотря на
малую толщину, пленка всего в несколько элементарных ячеек кристаллической решетки данной
фазы окисла при нормальной температуре приостанавливает дальнейшее окисление.

Внешний слой поверхности контактов состоит из
загрязнений, попавших на поверхность при обработке, и адсорбированных газов и паров, находящихся в рабочей зоне электрических соединителей. Толщина этого слоя достигает 0,1–2,5 нм. Расположенный под ним слой, возникающий под влиянием
кислорода, имеет на различных металлах толщину
от 2–10 нм (по данным А. Д. Манасевича).

На электрических контактах могут образовываться следующие типы пленок:

Окисные и сульфидные пленки потускнения являются полупроводниками с большим удельным сопротивлением. Из теории полупроводников следует, что проводимость возникает при нарушениях в их
решетке. Поскольку плотность таких нарушений изменяется от точки к точке, что частично зависит от
строения решетки металла, лежащего под пленкой,
удельное сопротивление окислов будет изменяться
также от точки к точке. Кроме того, толщина пленок
потускнения зависит от того, на какой грани кристалла эта пленка выросла. Из этого следует вывод,
что любая пленка потускнения на поликристаллической металлической поверхности неоднородна,
то есть гетерогенна. Гетерогенность доказана на основе исследований контакта в работах Р. Хольма,
Р. Штермера и др. На исследуемых поверхностях контактов наблюдались пятна с пониженным, нормальным и большим сопротивлениями. Такое явление
было отмечено даже у благородных металлов и их
сплавов.

Поверхность, по которой происходит соприкосновение контактов с определенным контактным дав-
лением, называется контактной поверхностью, воспринимающей усилие.

Поверхность, воспринимающая усилие, состоит
из следующих участков:

Проводящие контактные поверхности в дальнейшем, как общепринято, будут называться
а-пятнами (см. рис. 1 в ТвЭП № 4`2008, стр. 58,
на котором представлены виды контактных
поверхностей и контактных пятен).

Чтобы иметь представление о том, каким образом едва заметные пленки могут оказывать
влияние на электрический контакт, сравним
контактное сопротивление некоторого а-пятна
без пленки и такого же пятна, но покрытого
пленкой (S ≈ 10–6 см). При этом будем полагать,
что удельное сопротивление пленки равно
ρf = 105 Ом·см, а металла — ρ = 2E10–6 Ом·см.
Радиус а-пятна равен 5E10–3 см, такую величину радиуса а-пятен часто можно наблюдать
в плоских контактах:

где R_f — сопротивление а-пятна, покрытого
пленкой; ρ_f — удельное сопротивление пленки; S — толщина пленки; а — радиус а-пятна.

где R_с — сопротивление а-пятна без пленки;
ρ — удельное сопротивление металла.

Отношение этих величин равно:

Видимые глазом пленки, если они не разрушены в результате электрического пробоя, будут практически изолировать металлические
контакты.

Изоляция, создаваемая пленками потускнения, значительно затрудняет работу электрических контактов. В начале своего образования пленки потускнения точно так же, как
и адгезионные пленки, являются мономолекулярными.

Наиболее известная адгезионная пленка состоит из кислорода. Если чистую поверхность
контакта подвергнуть воздействию воздуха,
то на ней будет осаждаться кислород в виде
физически адсорбированных молекул, которые оказываются связанными с поверхностью
металла сравнительно небольшими силами,
так называемыми силами Ван дер Ваальса.
Даже при нормальных условиях требуется немного времени, чтобы эти молекулы быстро
диссоциировали вследствие каталитического
воздействия металла. Одновременно атомы
кислорода могут оказаться хемосорбированными, то есть ковалентно связанными с атомами металла.

Д. А. Беккер, изучая хемосорбированные
слои, установил, что на поверхности металла существуют два тонких слоя кислородных
атомов. (Беккер назвал их адатомными слоями.) Предполагается, что оба слоя соприкасаются с поверхностью металла. Однако не
все атомы кислорода, лежащие на поверхности металла, становятся хемосорбированными, но существует, по крайней мере, один хемосорбированный слой, который состоит из
молекул кислорода и является физически связанным (силами Ван дер Ваальса). Эта связь
примерно на один порядок слабее химической, однако она сопоставима с механической
прочностью металла, отнесенной к одному
атому. Вследствие этого физически связанная пленка может выдерживать заметные механические нагрузки, но плохо противостоит износу. Адгезионные пленки характеризуются туннельной проводимостью, причем
удельное сопротивление таких пленок практически на всех металлах имеет одну и ту же
величину.

Хемосорбцию можно объяснить тем, что
кислородные адатомы обмениваются электронами с атомами металла на поверхности.
Но обычно кислородные атомы долго не существуют, так как электронное сродство кислорода с металлом приводит к вытягиванию
электронов из последнего, и атомы кислорода превращаются в отрицательные адионы
и образуют отрицательный слой на металле.
Этот слой противодействует «испарению»
электронов, то есть увеличивает работу выхода ϕ.

Факт образования окисных пленок потускнения означает, что кислородные адатомы
или адионы также способны извлекать атомы металла и связывать их в решетку окисла — это и есть начальная стадия потускнения. Отрицательной составляющей в пленке потускнения должен быть кислород, но,
кроме него, могут присутствовать также сера, хлор, аммиак и т. п. Когда говорят о потускнении или о пленках потускнения вообще, всегда подразумевают под положительными составляющими атомы или ионы
основного металла.

Основное влияние пленок потускнения на
контакты состоит в следующем:

Рост пленки потускнения на металлах

Образование пленки потускнения при нормальных климатических условиях протекает
медленно и не может быть измерено с достаточной точностью. Для облегчения наблюдения роста пленки потускнения можно использовать ускоренный метод путем увеличения
температуры. При таких условиях действуют
сравнительно простые закономерности.

В отношении контактов, находящихся в эксплуатации, нас прежде всего интересует потускнение при низких температурах. Однако при
таких температурах наблюдение затруднено.
Интервал температур, в которых работает основная масса соединителей, находится в пределах от –60 до +125 °С. По-видимому, правильнее начать со случая, где влияющие факторы сравнительно просты. И именно по этим
соображениям рассмотрим процесс роста
пленки потускнения на чистом никеле при
температуре 100 °С. Безусловно, что загрязненные поверхности будут реагировать сильнее, но на них и значительно сложнее будет
проследить интересующий нас процесс.

где энергия активации φ измеряется в электрон-вольтах.

Необходимо отметить, что перенос ионов
можно рассчитать как чисто диффузионный процесс только при отсутствии электростатических полей. Другое жесткое условие — это
отсутствие возникновения тормозящих пространственных зарядов. Все эти условия удовлетворяются при наличии пленки потускнения, состоящей из NiO, примерно при 100 °С.
Дополнительно установлено, что процесс диффузии в пленках потускнения имеет направленный характер в сторону наружной поверхности пленки. Это связано с тем, что решетка
пленки потускнения, примыкающая к металлу, оказывается насыщенной или даже перенасыщенной ионами этого металла, в то время как ионы кислорода в избытке находятся
на внешней стороне пленки. Таким образом,
между плотностью η металлических ионов на
наружной и внутренней поверхностях пленки поддерживается некоторая постоянная разность Δη. Если S — толщина пленки, градиент Δη/S вызывает диффузионный ток металлических ионов к наружной стороне пленки.

Плотность этого тока будет равна:

Если ω представляет собой объем окисла,
приходящийся на один металлический ион,
то скорость увеличения толщины пленки S
описывается уравнением:

ds/dt = I (ω) = Д(Δη/S)Eω, (6)

которое после интегрирования принимает вид:

где S0 — толщина начальной пленки при t = 0.

Уравнение (7) выражает параболическую
зависимость роста пленок потускнения.
Для данного уравнения безразлично, положительные или отрицательные ионы перемещаются через пленку.

Используя уравнения (4) и (7), можно получить:

Это уравнение выведено для NiO, однако
опыт показывает, что оно справедливо и для
других металлов при температуре выше 300 °С.
Для данного уравнения необязательно, чтобы
начальная пленка S0 росла по параболическому закону.
Сказанное о диффузии справедливо в том
случае, если все положения, с которых перескакивают ионы, аналогичны, однако в действительности эти положения различны и, соответственно, характеризуются разными величинами энергии активации.
Рассмотрим упрощенные уравнения роста
пленок потускнения, относящиеся к некоторому значению энергии активации, выбранному так, что оно соответствует относительно низким температурам, находящимся в диапазоне 18…150 °С. Коэффициенты этих
уравнений выбраны в соответствии с вышеуказанными условиями:

Уравнение (9) дает толщину S (Å) пленки
из окиси меди (Cu2O), которая возникает на
свежезачищенной поверхности поликристаллической меди, подвергавшейся действию воздуха в течение t (ч) при Т в °К. S0 принята равной 20 Å по полученным экспериментальным
данным, показатель экспоненты соответствует энергии активации ϕ = 0,25 эВ. Бронза оказывает окислению то же сопротивление, что
и медь.

Уайт и Гермер установили, что нарастание
окиси меди происходит по логарифмическому закону и практически прекращается после
того, как ее толщина достигает приблизитель
но 50 Å. Таким образом, последняя стадия нарастания пленки состоит в создании на меди
некоторой защитной пленки.
Упрощенное уравнение роста пленки потускнения соответственно выглядит следующим
образом:

где S — в 10 –6 см; t — в часах; Т — в °К.

Потускнение благородных металлов

Золото не окисляется на воздухе и неэффективно при образовании полимеризованных
углеводородных отложений, ускоряющегося
при действии катализатора. При температуре
180 °С золото взаимодействует с хлором, образуя AuCl₃, который растворяется в воде.
На золоте в воздухе, так же как и на всяком металле, образуется адгезионный слой кислорода, который легко преодолевается посредством туннельного эффекта и поэтому не представляет опасности для контактов.

Серебро окисляется при комнатной температуре только в присутствии озона, образуя
при этом соединение Ag₂O, которое разрушается при температуре 200 °С. Окись серебра
очень мягкая и легко удаляется с поверхности
контактов механическим путем. Эта окись редко нарушает работу контактов, однако такие
нарушения создаются сульфидом серебра Ag₂S.
Темные пятна, возникающие на серебре в нормальных климатических условиях, состоят из
Ag₂S, и если не учитывать склонности к сульфидизации, то серебро — идеальный материал для контактов, поэтому изучению сульфида серебра уделяется большое внимание. Слой
Ag₂S на серебре не является защитным, он нарастает медленно, поскольку в обычных условиях концентрация агрессивных газов невелика. Отметим следующие факты, которые установил Кемпбелл. Сухой H₂S не действует на
серебро. Однако H₂S в присутствии H₂O или
SO₂ вызывает сульфидизацию серебра. Известно, что сернистый газ, выделяющийся из
твердого куска серы, воздействует на серебро
энергичнее, чем H₂S в значительных концентрациях.
Почти все известные продукты потускнения Ag₂S намного мягче самого серебра, твердость их примерно вдвое меньше твердости
серебра. Поэтому пленки Ag₂S легко разрушаются при сочленении контакта, благодаря чему
обеспечивается вполне надежная проводимость
по всему контактному пятну. Удельное сопротивление Ag₂S при комнатной температуре находится в пределах 103–108 Ом·см, в зависимости от того, насколько его состав отличается от
стехиометрического состава и по величине приближается к удельному сопротивлению Cu₂O.
Пленки с таким удельным сопротивлением,
даже очень тонкие (5–10 Å), ведут себя практически как изоляторы, если они перекрывают а-пятна.

Палладий не подвергается действию серы
при комнатной температуре. В сплаве с серебром (Pd — 50%, Ag — 50%) он защищает его
от сульфидизации.

Платина в обычной атмосфере покрывается
поверхностным слоем, который может существенно увеличить сопротивление контакта.
По Кемпбеллу, слой вещества, ухудшающий
контакт, образуется в результате каталитического воздействия платины на некоторые углеводородные газы, содержащиеся в атмосфере.

Граничные смазывающие пленки

Состояние, когда смазка уже не может более
действовать гидродинамически, но, несмотря
на это, помогает нести контактное усилие
и обеспечивает малый износ, называется граничной смазкой. Она преимущественно характеризуется коэффициентом трения μ— переменной, легко измеряемой величиной. Значения μ, лежащие в пределах 0,03–0,2, являются
типичными, и в тех случаях, когда μ имеет этот
порядок, можно с уверенностью считать, что
имеет место граничная смазка.

Тот факт, что граничная смазка сопровождается износом, совсем не означает, что металлические контакты возникают на всех вершинах,
где нарушаются гидродинамические пленки.
Установлено, что мономолекулярные пленки
на каждом элементе остаются в контакте на
вершинах многих шероховатостей. Сила трения будет определяться главным образом трением между такими мономолекулярными
пленками и трением в металлических контактных пятнах контактной пары.

При граничной смазке на поверхностях контактов в контактной паре образуется граничная фаза квазиметаллической структуры толщиной от одной молекулы до 0,1 мкм, обладающая более или менее прочной связью
с поверхностью и продольной когезией.
Молекулы смазочного материала ориентируются перпендикулярно к поверхности контактов, что позволяет представить для наглядности граничную пленку в виде «ворса»
(рис. 1).

При взаимном перемещении контактов
«ворсинки» как бы изгибаются в противоположные стороны. На самом же деле происходит сдвиг с перекосом квазикристаллической
структуры пленки. Квазикристаллическая структура граничной пленки анизотропна,
в тангенсальном направлении молекулярные
слои легко изгибаются и при толщине слоя
больше некоторой критической величины
скользят друг по другу, а по нормали к поверхности контактов пленка обладает достаточно
высоким сопротивлением к сжатию.

Типичные характеристики граничной смазки:

Можно сделать вывод, что в контактной паре в граничном состоянии существуют металлические и квазиметаллические пятна. Проводимость через квазиметаллические пятна
осуществляется за счет туннельного эффекта.

Исследование туннельного эффекта

Пассивирующие и адгезионные пленки на
металлах электрических контактов имеют настолько малую толщину, что оказываются
проницаемыми для электрического тока, проводимость которого обусловливается туннельным эффектом.

Первые достоверные измерения в этой области выполнили Р. Хольм и Мейснер, до них
сведения о рассматриваемых пленках были
весьма скудными.

В основу метода определения переходного
сопротивления металлических и квазиметаллических контактов был положен метод,
для которого не было различия, обусловлено
ли сопротивление собственно контактом или
же пленкой на нем. Опыты показали, что в пределах небольшой ошибки измерений переходное сопротивление можно сделать бесконечно
малым при помощи тщательной очистки контактных поверхностей, а именно при испарении в вакууме при высокой температуре.
Без такой очистки остается некоторое характерное сопротивление, с количественной
точки зрения его можно объяснить только
туннельным эффектом, поскольку оно не
зависит от температуры. Эти опыты были
первыми прямыми наблюдениями туннельного эффекта.

Основное уравнение определения контактного сопротивления симметричных контактов имеет следующий вид:

где δ — сопротивление пленки, отнесенное
к единице поверхности.

Позднее Вент подтвердил результаты, которые получили Хольм и Мейснер. Эти данные
показали, что дегазация контактов снижает
контактное сопротивление до бесконечно малой величины и что агентом, создающим сопротивление, является физически адсорбированная пленка.

Электрический туннельный эффект объясняет высокое значение проводимости через
тонкие окисные пленки на металлах.

На рис. 2 изображены потенциалы внутри
и между металлическими пластинами, изготовленными из одного и того же металла.
Уровни Ферми в данном случае совпадают,
следовательно, между электродами не возникают напряжения. Граничные барьеры, проникающие в зазор, налагаются друг на друга
и образуют общий потенциальный барьер, высота которого равна работе выхода σ.

Высота барьера на любом расстоянии х может быть равной φ. Представим электрон
с массой m, который движется от контакта 1
к контакту 2 и достигает границы с компонентой скорости v_х. Что при этом произойдет?

Водяные пленки

Известно, что вода адсорбируется на поверхности твердых тел при соприкосновении
с влажным воздухом. Однако еще нет сведений о том, располагается ли эта вода непосредственно на чистой металлической поверхности или на наружной стороне химически адсорбированного кислорода. Адсорбцию воды
на чистых металлических поверхностях изучали Боуден и Троссель. Они установили, что
на предварительно нагретых платиновых и золотых пластинках толщина пленки не превышает двух монослоев воды, даже если влажность приближалась к 90%. Измерение толщины адсорбированных водяных пленок
производилось посредством эллиптической
поляризации света. Однако платиновая пластина, очищенная, но не подвергнутая предварительному нагреву, покрывалась водяной
пленкой, толщина которой составляла примерно 35f молекулярных слоев, где f — относительная влажность (насыщение соответствует f = 1). Эти данные хорошо согласуются
с данными работы Р. Штремберга и вполне соответствуют практическим условиям. В лабораториях фирмы Siemens определили, что толщина водяной пленки зависит от металла и влажности воздуха. Пленка на платине, золоте и серебре очень часто имеет толщину не
более 50 Å. На неблагородных металлах она
достигает толщины 100 Å.

При наблюдении за смыканием и размыканием контактов, имеющих адсорбированную
водяную пленку, можно заметить, что при расхождении контактов водяная пленка не тянется за движущимся контактом, образуя мостик,
а обрывается; причем обрыв происходит почти на том же расстоянии, на котором при сближении контактов было установлено касание.
Таким образом, тонкие водяные пленки, в отличие от толстых, обладают заметной жесткостью, однако они недостаточно прочны, чтобы противостоять контактному давлению.

Представим себе воду в контакте с металлом. Молекулы воды являются сильными диполями (поэтому вода имеет очень высокую
диэлектрическую постоянную), которые могут создавать возмущающие электрические
микрополя в поверхностной решетке металла и растворять ионы металла до тех пор, пока эти ионы достаточно многочисленны, чтобы поддерживать по отношению к металлу
потенциал, тормозящий дальнейшее поступление ионов. Этот потенциал часто называют
напряжением Нернста. Его понятие лежит
в основе теории электрических элементов.
Элемент образуется тогда, когда вода или раствор соединяют две твердые поверхности
с различными напряжениями Нернста. Электрический ток пойдет между анодом с высоким напряжением и катодом с низким напряжением.

Совершенно не обязательно, чтобы эти электроды были из различных металлов. Если
имеется водяная пленка, способная переносить ток между отдельными участками поверхности, то участки, состоящие из чистого металла, служат анодами, а участки, покрытые
пленкой окисла, — катодами. Такое соединение, способное создавать электрический ток,
называется локальным элементом. Ток в воде
создается положительными ионами металла,
идущими от анода, и отрицательными ионами ОН, движущимися в противоположном
направлении. Встречаясь между электродами,
ионы металла и ионы ОН образуют окись металла.

Действие локальных элементов зависит от
присутствия водяной пленки, которая могла
бы проводить электричество. Было установлено, что процесс окисления при уменьшении
влажности до определенного предела прекращается. Это связано с тем, что при определенной относительной влажности водяная пленка либо очень тонка, либо не является непрерывной. Известно, что гигроскопические
пылевидные частицы стимулируют образование локальных элементов.

Считалось, что газовые пленки на металлических поверхностях могут затруднить или даже изолировать контакт, как если бы они были твердыми или очень толстыми. Но мы уже
установили, что адгезионные пленки настолько тонки, что делают контакт квазиметаллическим. Это относится и к водяным пленкам,
так как очевидно, что при замыкании контакта внешние слои водяной пленки выжимаются, особенно в процессе искусственного старения (когда контакт подвергается небольшой
вибрации). Остается только мономолекулярный слой, который проницаем для тока благодаря туннельному эффекту.

Заключение

Авторы рассмотрели основные виды пленок и характер их образования на контактах
электрических соединителей. Необходимо отметить, что в реальных условиях эксплуатации чистых поверхностей, свободных от пленок, не существует. Чистый металлический
контакт, свободный от пленок, можно получить только в вакууме. Поэтому наличие пленок на контактах необходимо воспринимать
как естественное состояние.

При оценке влияния различного рода пленок на электрические параметры контактов
в каждом конкретном случае нужно применять дифференцированный подход, который
должен учитывать весь спектр воздействующих факторов на электрический соединитель,
его условия эксплуатации и требования по надежности.

С учетом этих требований необходимо рассматривать конкретную конструкцию контактной пары, определять требуемое контактное
давление, геометрические параметры шероховатости поверхности, материалы контактных
электродов и их покрытие. Особое внимание
при работе соединителей в агрессивных средах необходимо обращать на выбор материала покрытия, так как он в значительной степени определяет вид пленки и ее толщину и,
в конечном счете, переходное сопротивление
контактной пары и нормальный режим эксплуатации соединителя.

Знание причин и процессов образования
пленок позволяет минимизировать их отрицательные воздействия на работу соединителей и дает возможность проводить предупреждающие и корректирующие действия в процессе эксплуатации.

Источник