弹性连接器组件研究现状及进展.pdf
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1、铜业工程 COPPER ENGINEERINGTotal 181No.3 2023总第181期2023年第3期引文格式引文格式:徐浩浩,孟祥鹏,雷前,向紫琪.弹性连接器组件研究现状及进展 J.铜业工程,2023(3):90-96.弹性连接器组件研究现状及进展徐浩浩,孟祥鹏,雷前,向紫琪(宁波博威合金材料股份有限公司,浙江 宁波 315137)摘要:弹性连接器常用于电流和信号的传输,在现代电子通讯领域被广泛应用。其制备过程中的冲压工艺,受到包括冲压方向、冲压角度、冲压宽度、最小相对弯曲半径等因素影响。其制备材料的导电率、摩擦系数、耐腐蚀性将影响弹性连接器的接触阻抗,同时材料本身的弹性模量、强度、
2、抗热应力松弛率、摩擦系数等,将影响弹性组件的可靠性,而接触阻抗和可靠性将直接影响弹性连接器通讯电讯号的传输。本文从选材的角度,针对电力传输用连接器的电导率、弹性模量、强度、摩擦磨损性能、冲压性能和抗热应力松弛性能,信号传输用连接器的弹性模量、强度、冲压性能、表面电导率,以及高温下长周期服役用连接器的抗热应力松弛性能和耐腐蚀性,反复插拔用连接器的接触组件表层的耐摩擦磨损性能等分别进行了综述,同时从加工的角度提出弹性连接器需要结合设计考虑不同冲压方向、冲压角度、冲压厚度、冲压宽度下的最小相对弯曲半径。关键词:接触力;接触阻抗;弹性模量;导电率;抗热应力松弛率;摩擦系数doi:10.3969/j.i
3、ssn.1009-3842.2023.03.012中图分类号:TM503 文献标识码:A 文章编号:1009-3842(2023)03-0090-071 引 言随着5G,6G和万物互联技术的发展,现代通讯为人们的工作、生活带来了极大的便利。就像人体神经系统一样,在这个万物互联的大网中,每一个单元之间高可靠的串联互通,都离不开其关键结构“突触”连接器的强力支撑。因此,开发电接触材料对提高整体系统的可靠性具有重要的意义。据统计,在万物互联及大电流传输故障中,70的故障是因元器件失效引起,而其中电接触失效占比高达40%1-5。电接触系统的研究早有开端,Johnson Matthey公司在19世纪中叶
4、就开始将铂作为继电器触点,德国学者R.Holm于1941年出版了 电接触技术物理,这是第一本揭示接触电阻机理的专业书籍6。1955年国际上召开了第一次电接触会议,随即成立国际电接触委员会,进而推动了电接触研究的高速发展7。1988年中国在此方面也取得了初步成果,标志性事件就是程礼春出版了中国第一部电接触理论著作6,为推动中国电接触的研究做出了突出贡献。电接触的理论研究涉及多种学科,其中电接触连接器材料的研究尤为重要。2 连接器的功能电连接器用于连接两个次电子系统,并通过机械外力进行界面离合,以此实现电连接系统控制及稳定运行。连接器由接触界面和涂层、弹性组件、塑胶本体等组成。弹性组件与铜及铜合金
5、材料息息相关。弹性组件不仅为组件提供了导通电讯的路径,同时在组件间形成稳定而持续的接触力,确保稳固接触。连接器按基本功能分成信号传输和电力传输两类,其共同特征是端子上带有电流。基于连接器小型化、多功能化的发展趋势,现在连接器端子需要同时实现信号和电力传输,但在端子设计时常常仅考虑电力传输需求,主要原因是低频、低速信号传输对材料的要求低于电力传输。2.1信号传输的影响因素当连接器被运用于高频、高速传输时,阻抗和串音成为主要的影响因素。由于电阻与弹性组件复杂的形状有关,难以计算。另外,随着小型化发展趋势,弹性组件也越来越小,因此阻抗和串音的收稿日期:2023-05-07;修订日期:2023-06-
6、15基金项目:国家自然科学基金项目(51901250);宁波市创新联合体项目(2021H003)资助作者简介:徐浩浩(1988),女,山东莒南人,硕士,研究方向:铜合金材料应用,E-mail:;通信作者:孟祥鹏,高级工程师,E-mail:控制变得非常重要。对于典型的开放式端子,阻抗和串音控制主要通过控制端子的合理分布实现,即通过减少接地端子的数量来降低接地比率,缺点是会减少传送信号的端子数量。基于此,诞生了整体接地平面式电连接器。这样不仅可实现信号传输,而且提高了传递信号的密度。信号传递一般可选用导电率低于 30%IACS(国际退火铜标准)的铜合金。当然,高频传输场景下,由于表层涉及趋肤效应,
7、导电率越高越好,通常会在触点表面镀银。2.2电力传输的影响因素电力传输连接器主要用于传输电流,通常其电压较低,可用于大电流接触,亦可并行多边信号接触。不同于信号传输,电流传输主要用于传递大电流(高达几百安)。但在电流传输过程中,产生的焦耳热会导致连接器明显升温,电力传输的比率又与温升相互作用,互为因果。温升过高还会熔化塑胶本体,导致连接器失效,甚至引发事故。因此,焦耳热和温升的控制至关重要,这就需要在弹性连接器设计时同时考虑信号传递和电流传输。从材料角度分析,可通过提高导电率或者增加横截面积来降低电阻,另外,增高传输电压或增加接触面积亦可减小接触部分的电阻。导电率高于70%IACS的铜合金可用
8、于大电流传输,在该种连接器中,焦耳热和微电压降引起的温升需要更低的阻抗,也就需要更高的导电率。据整理,不同铜合金材料的导电率如表1所示8。总体来说,接触电阻不仅与电流、时间直接相关,还与材料导电率、强度、粗糙度、表面膜等有关9-11,而且还受到服役环境的影响,如温度、湿90徐浩浩等 弹性连接器组件研究现状及进展2023年第3期控制变得非常重要。对于典型的开放式端子,阻抗和串音控制主要通过控制端子的合理分布实现,即通过减少接地端子的数量来降低接地比率,缺点是会减少传送信号的端子数量。基于此,诞生了整体接地平面式电连接器。这样不仅可实现信号传输,而且提高了传递信号的密度。信号传递一般可选用导电率低
9、于 30%IACS(国际退火铜标准)的铜合金。当然,高频传输场景下,由于表层涉及趋肤效应,导电率越高越好,通常会在触点表面镀银。2.2电力传输的影响因素电力传输连接器主要用于传输电流,通常其电压较低,可用于大电流接触,亦可并行多边信号接触。不同于信号传输,电流传输主要用于传递大电流(高达几百安)。但在电流传输过程中,产生的焦耳热会导致连接器明显升温,电力传输的比率又与温升相互作用,互为因果。温升过高还会熔化塑胶本体,导致连接器失效,甚至引发事故。因此,焦耳热和温升的控制至关重要,这就需要在弹性连接器设计时同时考虑信号传递和电流传输。从材料角度分析,可通过提高导电率或者增加横截面积来降低电阻,另
10、外,增高传输电压或增加接触面积亦可减小接触部分的电阻。导电率高于70%IACS的铜合金可用于大电流传输,在该种连接器中,焦耳热和微电压降引起的温升需要更低的阻抗,也就需要更高的导电率。据整理,不同铜合金材料的导电率如表1所示8。总体来说,接触电阻不仅与电流、时间直接相关,还与材料导电率、强度、粗糙度、表面膜等有关9-11,而且还受到服役环境的影响,如温度、湿表1连接器用铜合金导电性能Table 1Conductivity of copper alloy for connectors导电率范围高(80%IACS)中(25%IACS)低(20延伸率/%101122020155204摩擦系数0.70
11、.30.30.40.40.350.60.70.50.750.50.50.2接触力/N0.250.250.250.50.50.40.7531.51.5111耐摩擦磨损评价差好好好好好好差差差差差好表6连接器后道加工影响因素Table 6Influencing factors of connecter back-end processing冲压冲裁影响因素抗拉强度屈服强度屈强比延伸率加工硬化程度粗糙度组织均匀性夹杂物应变硬化指数塑性应变比各项异性晶粒度应变速率敏感系数温度折弯折弯参数折弯形状折弯角度折弯宽度折弯厚度是否有辅助工具相对弯曲半径折弯精度的影响因素模具的定位装置的可靠性及稳定性材料性能的
12、一致性和稳定性材料尺寸精度工序数量和顺序操作的准确性和熟练度压力机对工件精度的影响折弯回弹折弯回弹的影响因素力学性能表面质量相对弯曲半径折弯角度折弯件的几何形状模具工作尺寸折弯作用力94徐浩浩等 弹性连接器组件研究现状及进展2023年第3期现象在连接器的特定部位上发生或许是允许的。冲压性能的评价标准是最小相对弯曲半径,该值与冲压方向、冲压角度、冲压厚度、冲压宽度有直接关系,同时与冲压速度、冲压强度有关。不同成分、组织、状态会影响材料不同方向最小相对弯曲半径,进而影响后道冲压性能19。总体来说,铜合金的冲压影响因素众多,具体如表6所示。4 结 论弹性组件作为连接器关键组成部分,选材得当,不仅可以
13、同步提升连接器服役性能、服役寿命,还可以降低原材料成本,甚至可以引领连接器用高性能铜合金材料行业的发展,帮助连接器企业和材料企业获得更高的市场竞争优势。因此,连接器合理选材意义重大。从选材的角度,针对电力传输为主的连接器,需重点考虑铜合金材料的导电率、抗热应力松弛性能,其次考虑弹性模量、强度、摩擦磨损性能、冲压性能。针对信号传输为主的连接器,结合设计和应用综合考虑,比如小型化信号连接器,需重点考虑弹性模量、强度、冲压性能,高频信号或高速信号传输需要重点考虑材料表面电导率。针对高温下长周期服役的连接器,需重点考虑抗热应力松弛性能和耐腐蚀性能。针对反复插拔连接器,需要重点考虑接触组件表层的耐摩擦磨
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