电接触材料对导电滑环寿命和可靠性的影响

陈鸿武，汪 聪，郑东辉，陈 洁，苏传明，杨铭瑞

（浙江大华技术股份有限公司<浙江省视觉物联融合应用重点实验室> 浙江 杭州 310051）

1 引言

导电滑环是将图像、视频、数字、网络、控制等信号从一个静止机构传输到另一运动机构上的精密传导器件[1]。被广泛用于智慧安防、工业自动化、清洁新能源、仪器仪表、航空航天等领域[2]。随着国防科技、互联网技术的发展，需要导电滑环这一精密传导器件的电流传输和信号传输具有较高的稳定性，这也引起了国内外学者的广泛研究[3]。

长期以来，高精度，长寿命，稳定性好的高端滑环主要用于军工领域，如军用雷达、卫星、高端武器等精密设备中，而民用领域的工业滑环可靠性和寿命相对较低。但是，在如今智慧互联的数字化安防时代，高清的网络视频信号传输对导电滑环器件提出了更高的要求[4]。

2 触帽型导电滑环的寿命影响因素

在安防领域常用电接触帽型导电滑环，主要传输电流、控制信号、网络信号等。其内部结构分为带有信号输入/输出导线的转子和定子两个部分，转子跟随旋转机构以任意角度进行旋转，定子固定在静止机构上保持不动，两者通过运动解除副传递信号。

转子由导电环，绝缘材料，外接导线和轴承等部分组成；导电环和转子导线焊接完成后固定在中心轴上，不同通道的导电环通过绝缘材料相互隔开[5]。定子由电刷丝、粘结材料、绝缘支架、法兰外壳等部分组成，电刷丝和定子端线材焊接完成后通过树脂胶水固定在绝缘支架上，外部使用法兰外壳进行包裹保护。其中，导电滑环是通过内部导电环和电刷丝组成一对接触副，实现转子和定子在相对运动的过程中信号的联通。

影响电接触帽型导电滑环寿命和可靠性的因素有滑环接触副的接触电阻、动态接触电阻波动值、接触副之间的摩擦力矩、特征阻抗匹配程度、系统共模干扰等[6]。而这些因素和导电滑环的内部结构、电接触材料、摩擦副的接触形式、接触压力密切相关[7]。研究表明，若要正常传输百兆网络信号，导电滑环单个通道之间的动态电阻变化值需要控制在30 mΩ以内[8]。当动态接触阻抗波动过大会导致网络信号通过导电滑环时产生较大的噪声波动，造成网络信号丢失，影响导电滑环可靠性和寿命。减小导电滑环的动态接触阻抗波动值，需要选用导电性好的电接触材料。电接触材料的导电耐磨性越好，接触压力越大，导电滑环的接触电阻和动态接触电阻波动值越小，导电滑环信号传输稳定性越高，但导电滑环摩擦副的磨损会越严重[9-10]。

因此，获得最佳匹配的电接触材料，合理的接触形式和接触压力，是提高导电滑环可靠性和寿命的关键。

3 导电滑环电接触材料

在传输电流和电信号的过程中，导电环和电刷丝长期处于滑动接触状态，在载荷和电流的双重耦合作用下，出现机械磨损和电气磨损，直接影响导电滑环的使用寿命和可靠性。因此，为了满足导电滑环寿命和接触稳定的要求，导电环和电刷丝此类电接触材料一般采用贵金属材料，常用的电接触材料主要有银基电接触材料、铂基电接触材料、金基电接触材料、钯基电接触材料。以下总结了不同滑环和电刷丝的电接触材料的优缺点。

表1 不同电接触材料的优缺点

在实际应用中，单一成分的电接触材料往往无法满足导电滑环器件的使用要求，目前常用的导电环和电刷丝材料主要以合金为主。导电环和电刷丝作为一对互配的电接触摩擦副，需要综合考虑耐磨和电接触性能。

根据使用场景的不同，电刷丝材料主要有银基合金材料AgCuNi、和金基合金材料AuNi、AuNiGd[15]。试验结果显示Au基合金材料制成的电刷丝耐磨损性能较好，加入稀土金属元素可以弥补刷丝熔焊性差的缺陷，以此来获得良好的电学和机械综合性能。Au基合金材料主要用于高性能导电滑环的电刷丝[16]，而Ag基合金材料制成的电刷丝具有易于加工，价格低廉等明显的优势，在普通工业产品中使用普遍。

导电环电接触材料的选择考量较多的是导电系数、耐磨系数和抗氧化能力，常用的是AgCu、AgCuV、AuAgCu、PtIr、PdNiCu等[17]，此类贵金属合金材料的价格较高，而导电滑环器件中导电环的用量较大，在普通的工业用导电滑环领域，通常在AgCu合金的基体上电镀贵金属来获得成本和导电、焊接、耐磨等性能的平衡。

其中，在安防领域，导电滑环的电刷丝和导电环分别采用AgCuNi合金和H59铜合金材料镀金处理，这样既可以满足电接触材料导电，易于加工的特性，又可以提高互配摩擦副的耐磨性。图2是导电环和电刷丝配合的工作原理图。

图2 导电环和电刷丝工作原理图

4 不同电接触材料导电滑环的可靠性

4.1 试验设计

为了研究电接触材料与导电滑环寿命及可靠性之间的关系，采用图1中安防行业通用导电滑环现有的结构，保持接触形式和接触压力不变的条件下，更换不同的电接触材料制作成导电滑环。通过测试不同电接触材料导电滑环的使用寿命来评估其网络信号传输情况，并对比分析不同电接触材料的磨损情况，研究电接触材料和导电滑环网络信号传输稳定性的关系。

图1 帽型导电滑环内部结构图

电接触材料中的电刷丝使用常见的Ag78Cu20Ni2材料，通过更换不同的导电环电接触材料制成5种导电滑环，对其进行使用寿命测试。具体的测试传输链路如图3所示。

图3 导电滑环测试原理简图

将摄像机和导电滑环测试样品通过网线连接，再接入网络硬盘录像机（NVR，NetworkVideoRecorder），并通过显示器实时显示视频信号传输画面。测试原理即模拟导电滑环器件在安防产品中的实际应用情况，将导电滑环串联如网络信号传输链路，且在高低温循环条件下让导电滑环在测试工装上以恒定速率旋转，如图4原理简图所示。将所有导电滑环网络传输码流设置为4 096 Kb/S，采用同一解码方式，通过视频信号的通断来判断导电滑环的网络信号传输情况。

表2 测试环境中的相关参数

4.2 试验结果

通过多次试验，排除导电滑环网络信号传输链路中其他因素的干扰，以视频信号出现断线即网络信号传输不畅时，测试工装记录的累计转速作为该导电滑环的使用寿命。具体测试结果如表3所示。

表3 不同电接触材料导电滑环的网络信号传输寿命

对比试验测试结果，不同电接触材料制成导电滑环的使用寿命各不相同。样品A、B和C的电接触摩擦副的导电环和电刷丝均为AgCuNi材料，区别在于Ag含量不同。试验数据显示，在电刷丝的Ag含量为78%的条件下，导电环材料的Ag含量越高，对应的导电滑环器件的使用寿命越低。在保持电刷丝材料为AgCuNi不变的条件下，当在导电环AgCuNi合金中添加稀土元素后，导电滑环的使用寿命有明显的提升，达到了1 000万转，对应样品D测试数据。此外，在传统的H59铜材料表面电镀1～3 μm的AuCoNi合金镀层后，导电滑环的使用寿命随着镀金层厚度的增加而增加，在300～500万转之间。

4.3 结果分析

（1）电接触材料的动态接触电阻分析

使用GOM-802精密电阻测试仪分析测试5种不同电接触材料组成的互配摩擦副导电滑环的动态电阻变化值，将动态电阻变化数据统计分析后如图4所示。由统计数据分析可得，随着电接触材料中Ag含量的增加，导电滑环的动态接触电阻变化值逐渐减小，这和Ag的良好导电性有关。在接触形式和接触压力不变的情况下，电接触材料导电环中的Ag含量比例增加，可以提高合金材料中的电子迁移率，有效降低摩擦副之间的接触电阻，减小动态阻抗的波动值。

图4 不同电接触材料导电滑环样品的动态接触电阻变化值

将样品E和样品A、B、C、D的动态接触电阻对比，AgCuNi合金材料组成的摩擦副动态阻抗波动值低于H59铜电镀AuCoNi合金组成的摩擦副。

（2）电接触材料的硬度分析

为了研究不同种电接触材料硬度和磨损情况之间的关系，使用Micro Vicker HV-1000Z数显显微维氏硬度计测试电接触合金材料的表面硬度，测试原理如下：

式中F代表加载力；S代表菱形压痕的面积；α代表金刚石压头相对面的夹角，136°；D代表压痕两对角线的算术平均值。

显微维氏硬度测试结果如图5所示，电刷丝材料的显微维氏硬度为HV187.1，而不同导电环的银合金材料中随着Ag含量的增加，显微维氏硬度在逐渐降低。当向AgCuNi合金中添加稀土金属元素后，导电环电接触材料获得最小硬度值HV101，远低于H59铜合金的表面硬度。结合不同电接触材料导电滑环器件的使用寿命分析，硬度配合为HV101的导电环和HV187.1的电刷丝有利于提高导电滑环网络信号传输的稳定性，使导电滑环器件具有最高使用寿命。

图5 不同电接触材料的显微硬度

（3）电接触材料的显微结构分析

使用Leica-CMS光学显微镜和JSM-7610F Plus扫描电子显微镜在微观条件下进一步分析电接触材料的表面形貌和显微组织，显微图片如图6所示：

对比不同电接触材料寿命测试完的导电环和电刷丝显微图片可以发现，银含量为95%的导电滑环样品寿命测试后，导电环机械磨损严重，产生的金属磨屑较多，对应图6中的a和b。在AgCuNi合金材料中添加稀土元素， 1000万转寿命测试后，导电环和电刷丝的磨损较小，对应图6中的c和d。结合显微维氏硬度测试数据，当导电环中Ag含量越高，导电环的硬度越小，在电接触的运动摩擦副中容易发生黏着磨损和磨粒磨损，随着摩擦副运动的加剧，产生的金属磨损微粒也越多，直接影响导电滑环的动态接触电阻，致使导电滑环网络信号传输不稳定，视频信号传输不畅，影响导电滑环的寿命。

图6 不同电接触材料导电滑环接触副显微图片

此外，样品E中的导电环材料为显微维氏硬度为HV182.4的H59铜镀金，与显微维氏硬度为HV187.1的AgCuNi材料电刷丝组成的摩擦副在寿命测试后，电刷丝出现磨损断裂，磨损程度最为严重，如图e和f。由此说明，导电滑环器件中的导电环和电刷丝硬度接近时，影响导电滑环网络信号传输稳定性的主要因素是机械磨损，导电环和电刷丝的相对运动会使相对薄弱的电刷丝磨损严重，甚至是电刷丝磨断，这不利于导电滑环寿命的提升。

使用JSM-7610F Plus扫描电子显微镜对比分析AgCuNiRE合金和AgCuNi合金电接触材料寿命测试后的微观形貌，测试结果如图7所示。从SEM图像中可以看出，AgCuNiRE电接触材料磨损程度较AgCuNi合金材料小，说明在同等条件下，在AgCuNi电接触材料中添加稀土金属RE可以有效提高其耐磨性，保障导电滑环网络信号传输的稳定性。结合相关研究数据[18-21]，AgCuNi合金材料中的稀土金属元素以第二相的形式存在于晶体结构中，部分稀土元素会和晶界结合，起到钉扎保护的作用，阻止AgCuNi合金材料中滑移和位错等缺陷的产生和扩展，使合金材料保持原有的晶格形态，可以提高基体的耐磨性和电子迁移率，使电接触材料间长久的保持着良好的电接触，减小运动摩擦副之间的动态接触电阻变化，进而保障网络信号的稳定传输，达到提高导电滑环寿命和可靠性的目的。

图7 电接触材料寿命测试后的SEM图像

5 结论

本文研究了不同电接触材料导电滑环网络信号传输的特性，综合分析得出以下结论：

（1）在导电滑环运动过程中，摩擦副会受到机械磨损和电气磨损的双重耦合作用。传统导电滑环电接触材料H59铜镀金的导电环和Ag78Cu20Ni2的电刷丝组成互配摩擦副，两者硬度均在HV180～HV190之间，主要以机械磨损中的黏着磨损和磨粒磨损为主，严重时会导致电刷丝磨断，最终影响网络信号传输稳定性。

（2）导电滑环器件中，硬度为HV101的电刷丝和HV187.1的导电环为合理的硬度配合，有助于减小电接触材料之间的机械磨损，提高导电滑环的导电性。

（3）在电接触材料中增加Ag的比例可以有效减小导电滑环的动态接触阻抗，并且会降低电接触材料的硬度，有利于提高导电滑环网络信号传输稳定性。

（4）在电接触材料Ag90Cu6Ni合金中添加稀土金属RE，可以阻止电接触材料内部晶格缺陷的产生和扩展，提高导电环的耐磨性和导电性，保障导电滑环的网络传输稳定性和可靠性，使其使用寿命提升85%，达到1 000万转。