Триботехника электрических контактов - Механизм токопрохождения в контакте с переходными слоями

Предложено несколько механизмов передачи тока в контакте щетка—коллектор, однако единая точка зрения в данном вопросе не сложилась даже применительно к однородным щеточным материалам, например графитным. Авторы, придерживающиеся взгляда на структуру переходного слоя на коллекторе (см. рис. 5.1, а), считают, что решающее влияние на прохождение тока оказывает слой закиси меди на вершинах микровыступов коллектора, а ПМ, располагающийся в микровпадинах поверхности, играет второстепенную роль. При этом могут возникать контактные пятна следующих типов [298, 410, 417]: а-пятна, представляющие собой физический контакт поверхности щетки с расплавленной медью, α-пятна, возникающие при контактировании щетки с твердой медью b-пятна в виде физического контакта щетки с закисью меди.
Согласно теории Хольма [298], основная часть тока передается через контактные пятна первых двух типов, образующихся в результате фриттинга оксидной пленки. При этом если на участке пробоя происходит плавление меди и формирование металлического мостика в слое Сu2О, то образуется α-пятно, а в случае, если пробой не сопровождается возрастанием температуры, достаточной для плавления меди, имеет место образование α-пятна. Вследствие высокой химической активности образующихся металлических пятен при выходе из-под щетки они интенсивно окисляются [357]. По мере нарастания толщины слоя Сu2О окисляющиеся пятна вновь подвергаются фриттингу. Естественно, образованию обнаженных участков меди также способствуют процессы истирания и микрорезания поверхности коллектора. Таким образом, устанавливается динамическое равновесие между процессами фриттинга, изнашивания и окисления на контактных пятнах. Отсюда следует, что основным фактором, влияющим на величину контактного сопротивления, является толщина слоя закиси меди на вершинах микронеровностей поверхности коллектора. Чем более интенсивно происходит окисление контактных пятен, тем больше напряжение пробоя и определяемое им контактное сопротивление.
Возможность передачи тока через контакт путем фриттинга окисных пленок подтверждена во многих работах, например [319, 329, 357, 410, 411]. Фриттинговый механизм позволяет по крайней мере качественно объяснить причины полярных различий щеток черных марок (см. параграф 5.3), нелинейность вольтамперных характеристик и некоторые другие явления. В то же время ряд фактов с позиции теории фриттинга объяснен быть не может, например полярные различия металлосодержащих щеток.
Некоторые авторы, признавая, что контакт щетки с коллектором осуществляется в основном через слой закиси на вершинах микровыступов, в то же время считают, что передача тока может происходить без фриттинга оксидных пленок, т. е. через b-пятна. Согласно [348, 423, 424], оксидные пленки на 6-пятнах весьма тонки и могут проводить ток посредством туннельного эффекта. «Утоньшение» слоя закиси меди на b-пятнах по сравнению с остальной частью закисного слоя в коллекторной пленке может быть обусловлено как процессом изнашивания, так и влиянием электрического поля на окисление. Так же как в теории Хольма, величина контактного сопротивления в данном случае определяется толщиной слоя Сu2О на контактных пятнах.
В работе [407] выдвинуто положение, согласно которому при рассмотрении токопрохождения в щеточном контакте закисную пленку на меди, являющуюся дефектным полупроводником с дырочной проводимостью, нельзя рассматривать как изолятор. То, что проводимость закиси меди G экспоненциально повышается с ростом температуры (G=Ae β/T, где А — константа, зависящая от типа и количества инородных атомов в решетке полупроводника), предлагается в качестве основного объяснения наблюдаемого на практике снижения контактного сопротивления при возрастании токовой нагрузки. Другие возможные причины возрастания проводимости контакта не рассматриваются.
В приведенных выше работах влияние перенесенного материала в переходном слое на характер прохождения тока практически не учитывается. Только в работе [348] отмечается, что изменение количества ПМ между микровыступами поверхности коллектора может изменять площадь участков непосредственного контакта щетки и коллектора, оказывая косвенное воздействие на величину контактного сопротивления. При этом считается, что сопротивление прохождению тока через слой ПМ и закисную пленку под ним очень велико и им можно пренебречь.
В работе [73] проведены специальные эксперименты по определению влияния углеродной и меднозакисной составляющих коллекторной пленки электрографитных щеток на процесс токопрохождения в контакте. Снимались вольт-амперные характеристики при наведенной коллекторной пленке, при наличии только меднозакисной составляющей (углеродная составляющая пленки удалялась с помощью промывки поверхности коллектора), при полностью снятой пленке и при наличии только углеродной составляющей (окисная составляющая снималась, после чего на поверхность коллектора быстро втиралась высокодисперсная пыль щеток ЭГ-74). Оказалось, что в первом и последнем случаях ВАХ близки, а в случае отсутствия углеродной составляющей ВАХ идут значительно ниже. Авторами сделан вывод о том, что основная роль в формировании ВАХ принадлежит углеродной составляющей пленки коллектора. Хотя в данной работе имеются спорные моменты (например, трудно согласиться с полным отсутствием окисной составляющей на поверхности коллектора после его шлифования и втирания щеточной пыли, поскольку окисление меди происходит в течение долей секунды [125]), тем не менее очевидно, что ПМ может оказать существенное влияние на прохождение тока. Об этом свидетельствуют также и экспериментальные факты, отмеченные другими исследователями. В работе [193] указывается, что увеличение толщины ПМ под щеткой может приводить к возрастанию контактного сопротивления и искрения, в связи с чем рекомендуется использовать так называемые зачищающие щетки, содержащие абразивные вещества и удаляющие избыток ПМ.
Анализ экспериментальных данных, полученных в работах [66, 67, 113, 262, 326], указывает на существование закономерной связи между структурой, электропроводящими свойствами переходного слоя на коллекторе, механизмом прохождения тока через контакт и электрическими характеристиками последнего (см. рис. 5.4—5.7). Если образуется пленка (см. рис. 5.1, а) со сплошным слоем закиси меди и слабо выраженным слоем перенесенного материала (наиболее типично для твердых щеток электрографитного класса), то основная доля тока может передаваться преимущественно через контактные площадки на вершинах микровыступов поверхности коллектора, имеющих непосредственный контакт со щеткой. При средней толщине слоя Сu2О на контактных площадках h~10-8 м, удельном сопротивлении закиси меди р~200 Ом-м [298], радиусе площадок контакта м и их количестве n~102 сопротивление единичного контактного пятна (b-пятна), а сопротивление п параллельно включенных b-пятен — 104— 105 Ом. Вследствие относительно малых нажатий, применяемых в скользящих контактах, размер и число b-пятен могут быть меньшими в сравнении с принятыми. Тогда значение контактного сопротивления еще больше возрастает. При обычно наблюдаемом падении напряжения в щеточном контакте (∆U~1 В) через рассматриваемые контактные площадки с неразрушенным слоем Сu2О может передаваться величина тока не более 0,01—0,1 мА. Следовательно, если в скользящем контакте отсутствуют другие пути для прохождения тока, кроме b-пятен, то уже при малых токовых нагрузках на контактных площадках возникают перенапряжения (напряженность поля достигает значений электрической прочности закисной пленки ~108 В/м) и происходит фриттинг с образованием α- или α-пятен согласно теории Хольма [298]. В этом случае током, передающимся через b-пятна, можно пренебречь, а закись меди в коллекторной пленке рассматривать как диэлектрик. Экспериментально данное положение подтверждено путем моделирования передачи электрического тока от единичной микронеровности щетки к коллектору [262] (см. рис. 5.5, б). Щетки, формирующие рассматриваемый тип структуры коллекторной пленки, как правило, имеют высокое значение переходного падения напряжения и нелинейные ВАХ (см. рис. 5.5, в).
При толщине слоя перенесенного щеточного материала в коллекторной пленке (см. рис. 5.1, б), сравнимой с высотой микровыступов поверхности коллектора (наблюдается для мягких графитных, меднографитных и некоторых других марок щеток), относительно большие участки поверхности коллектора, покрытые слоем Сu2О, имеют электрический контакт со щеткой посредством перенесенного материала. Произведем оценку сопротивления прохождению тока от единичной неровности щетки к коллектору через слой ПМ и неповрежденную пленку закиси меди под ним. Очевидно, вследствие крайней гетерогенности слоя перенесенного материала в передаче тока от единичной микронеровности к коллектору может участвовать лишь некоторая ограниченная область ПМ. Точное определение размеров этих областей затруднено, однако ориентировочно найти их можно исходя из размера участков проводимости, фиксирующихся на потенциограммах (см. рис. 5.5, г) после фриттинга. Размеры проводящих областей слоя ПМ на кольце в основном достигают 10—50 мкм в поперечном направлении и нескольких сотен микрометров в направлении скольжения. Следовательно, площадь проводящих областей S
может составлять 10-8—10~9 м². Сопротивление слоя закиси меди (при h~10-8 м, р~200 Омм, S~10-8—10-9 м²) в этом случае не должно превышать 200 Ом. Модельные эксперименты с помощью щупового устройства ЭП-1, описанные в параграфе 5.1, показали, что при отсутствии окисной пленки на контактном кольце (серебро) сопротивление слоя перенесенного материала и сопротивление стягивания на единичном пятне касания щетки с данным слоем в сумме дают величину, изменяющуюся в пределах 1—100 Ом. Следовательно, суммарное сопротивление прохождению тока от единичной неровности щетки к коллектору через слой ПМ и неповрежденную пленку под ним может составлять 102—103 Ом, что на 3—4 порядка ниже, чем сопротивление &-пятна. Если количество областей ПМ, участвующих в передаче тока, принять равным 10, то общее сопротивление щеточного контакта может изменяться в пределах 10—102 Ом. Очевидно, что при структуре коллекторной пленки, показанной на рис. 5.1, б, значительная доля токовой нагрузки может передаваться через слой ПМ и лежащую под ним окисную пленку, причем при малых плотностях тока фриттинга может не наблюдаться. В этом случае закись меди в коллекторной пленке должна рассматриваться не как диэлектрик, а как полупроводник. Сказанное выше согласуется с экспериментальными данными [66, 262]. ВАХ, снятые при положении щупа на участке коллекторной пленки, со слоем ПМ имеют относительно низкое первоначальное сопротивление (Rк~103 Ом), экспоненциально снижающееся при увеличении прилагаемого напряжения (см. рис. 5.5, д). Фриттинг имеет место при тех же значениях (Uf, что и в рассмотренном выше случае (см. рис. 5.5, б), но при величинах тока на 2—3 порядка выше. После фриттинга наблюдается относительно высокое остаточное контактное сопротивление (Rк=10—100 Ом) и отсутствуют его заметные флуктуации, что свидетельствует о большей стабильности токопроводящих мостиков, образующихся под слоем ПМ, в сравнении с α- или α-пятнами. Однако установлено [67], что при снижении приложенного напряжения ниже критического или пребывании щеточного узла в нерабочем состоянии, особенно в условиях повышенных температур и влажности, данные мостики также подвергаются окислению. Слабое протекторное действие перенесенного материала в коллекторных пленках, образованных графитными и меднографитными щетками, согласуется с данными [256, 406], свидетельствующими о том, что тонкие пленки твердых смазок не предохраняют металл от окисления.
Описанные особенности токопрохождения в СК при формировании переходных слоев с четко выраженной пленкой фрикционного переноса позволяют объяснить наблюдаемую для многих марок щеток экстремальную нелинейность ВАХ, имеющих Г-образный вид (см. рис. 5.5, е). При малых плотностях передача тока может осуществляться без фриттинга через слой ПМ и лежащий под ним слой Сu2О, вследствие чего контактное сопротивление весьма значительно. Начало резкого изгиба ВАХ (обычно в области плотностей тока 3—8 А/см²), по-видимому, связано с фриттингом и образованием токопроводящих мостиков в слое Сu2О под ПМ и b-пятнах, что ведет к резкому уменьшению величины Rк.
В случае переходных слоев со стабильным электрическим контактом между перенесенным материалом и металлом контртела (см. рис. 5.1, в) при любых величинах тока основная его доля передается через слой ПМ. При снятии ВАХ на любых участках таких пленок большого первоначального сопротивления не наблюдается (ВАХ идут аналогично нижней ветви на рис. 5.5, д). В этих условиях величина ∆U множественного контакта щетка—коллектор, вид вольтамперной характеристики должны определяться свойствами пленки фрикционного переноса, а не окисной составляющей коллекторной пленки. Данное положение хорошо иллюстрируется результатами изучения электропроводящих свойств коллекторных пленок и электрических характеристик металлополимерных щеток МП-6С (на основе серебряной фольги и полимерного адгезива, наполненного коллоидным серебром и графитом) и изготовленных только из их адгезива щеток МП-6 БФ (см. рис. 5.6). Щетки МП-6С могут образовывать пленку серебра как на собственной поверхности, так и на поверхности контртела (см. параграф 7.2). Отсутствие сплошного изоляционного слоя закиси меди в коллекторной пленке (см. рис. 5.6, а) и низкое сопротивление стягивания на участках контактирования щетки МП-6С и коллекторной пленки обеспечивают низкое значение ∆U и линейность ВАХ (см. рис. 5.6, б). При отсутствии или ограниченном количестве фольги в щетке определяющее влияние на свойства коллекторной пленки оказывает адгезив щеток. При этом интегральная проводимость коллекторных пленок уменьшается (см. рис. 5.6, в), возрастает переходное падение напряжения, ВАХ приобретает нелинейность (см. рис. 5.6, г).
Таким образом, структура переходного слоя на металлическом контртеле определяет механизм передачи тока и поведение электрических характеристик СК металл—композит. При формировании переходного слоя с неразрывной окисной пленкой и слабовыраженной пленкой фрикционного переноса передача тока через контакт осуществляется преимущественно за счет фриттинга окисного слоя на вершинах микровыступов поверхности контртела согласно теории Хольма [298]. Если толщина слоя перенесенного материала сравнима с высотой микровыступов поверхности контртела, то значительная доля тока может передаваться без фриттинга через ПМ и неразрушенную окисную пленку под ним. При формировании переходного слоя, в котором пленка фрикционного переноса имеет непосредственный контакт с металлом контртела, основная доля тока передается через ПМ, причем электропроводность последнего определяет электрические характеристики контакта.