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導電材料的表面處理方法各異,目的是什麼?

2018年03月29日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 15 ℃ 次

【楊坤的回答(56票)】:

看了兩個回答,感覺沒有講到點子上。也罷,我自己來回答這個問題吧。

導體材料,它的用途就是導電,同時它必須具有一定的機械強度。例如母線,如果母線的溫升過高,母線材料的機械強度大幅度地降低,那麼一旦出現短路事故,母線就會出問題。

至於導體材料的導電性,我們可以通過在表面電鍍的方法加以改善。

也許,大家會認為在表面電鍍高導電材料並不能明顯地改善導電性,這對於直流電來說是正確的,但對於交流電流,由於存在集膚效應,電流大多都集中在導電材料的外表面,因此電鍍能明顯地改善導電性。

不過,這種改善只是對比較薄的導電材料才有效。對於相對較厚的導電材料,例如母排,電鍍對於提高導電性幾乎沒有什麼貢獻,倒是對提高母線的溫升有很明顯的效果。

常見的導體材料是銅和鋁,方便起見,我們就從裸銅母線的電鍍談起吧。

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1發生在銅表面的電化學反應

我們來看銅、錫和銀的化學特性:鐵(Fe)、銅(Cu)和錫(Sn)在水(H2O)的參與下發生如下反應:

在這個過程中伴隨著電子的轉移,所以此類反應被稱為氧化還原反應。

由於鐵、銅和錫都是弱鹼,所以反應生成物的最終產物金屬離子與該反應的中間生成物金屬氧化物之間是可逆的,反應最終生成物金屬離子有可能返回到金屬氧化物狀態。

因為氧化還原反應伴隨著電子的轉移,因此金屬被水汽沾染後其表面所有的原子都有可能會形成原電池,原電池的正極就是該金屬的離子,而負極就是金屬本體。

從上圖中我們看到有3個原電池,其中2個是

和Sn構成的原電池,另一個是

和Cu構成的原電池。原電池的電壓被稱為電極電位。銀、錫和銅三種元素的電極電位數值如下:

可見銀的電極電位最高,銅次之,而錫最低。

將元素按電極電位從小到大排列後所形成的表被稱為金屬活動順序表,越往前的金屬越活潑,越往後的金屬越穩定。金屬活動順序表如下:

鉀、鈣、鈉、鎂、鋰、鋁、錳、鋅、鐵、錫、鉛、銅、汞、銀、鉑、金

當兩種金屬同時存在時,不同金屬產生的原電池電極電位有高有低,於是不同金屬原電池之間會產生電子流的移動。電子流從電極電位較低的原電池流出注入電極電位較高的原電池中。在這個過程中,電極電位較高的金屬離子被還原為金屬氧化物或者金屬本體。

注意原電池中電子流的方向與電流的方向是相反的。我們看下圖:

圖中,若原電池

1的電極電位大於原電池

2,那麼電子流是從

2的正極流向

1的正極,而電流卻從高電位

1的正極流向低電位

2的正極。我們來看看銅表面銅原電池和錫原電池中的電子轉移,見下圖:

圖中錫的電極電位小於銅的電極電位,因此電子流將從錫原電池Sn2+/Sn流出注入到銅原電池Cu2+/Cu中。錫因為不斷地流出電子,因而錫原子被不斷地離子化而出現腐蝕現象;相反,銅離子不斷得到電子因而被還原為銅原子,所以銅被還原因而不被腐蝕。

當兩種金屬同時存在時,排在金屬活動順序表後邊的金屬將得到電子,而排在前邊的金屬將失去電子。於是排在前邊的金屬將被腐蝕,而排在後邊的金屬卻能夠穩定存在。這就是金屬表面電化學腐蝕的原理。所以說到底,金屬腐蝕屬於電化學的範疇。

銅鍍錫後,若表面鍍錫層出現破口,因為錫比銅活潑,破口處的錫將被腐蝕;銅鍍銀後,若表面鍍銀層出現破口,因為銅比銀活潑,破口處的銅將被腐蝕。

要防止某種金屬被腐蝕,首先要避免該金屬表面存在其它種類的金屬;其次,若某金屬的表面電鍍覆蓋了它種金屬的鍍層,則要特別注意避免出現破口。

現在我們可以總結出如下結論:

銅比銀活潑,所以銀的電極電位比銅的電極電位要高,銀相對銅更具有氧化性,而銅相對於銀更具有還原性,因此銅與銀放在一起時,銀更穩定而銅則易腐蝕。

同理,錫比銅活潑,所以銅和錫放在一起時銅更穩定,錫相對於銅更易受到腐蝕。對於裸銅,雖然銅的表面會形成無數的銅離子原電池,但所有原電池的電極電位數值均相等,故裸銅不會發生電子轉移和電化學腐蝕,由此可知裸銅的抗腐蝕性最好。

結論:所有單質構成的純金屬,其表面電極電位一致,因此單質純金屬的抗腐蝕性一定好於含雜質的金屬和多金屬混合體。

這是透明的微型斷路器,我們可以看到它的內部,可見它的內部是以裸銅為主的。

2.銅鍍銀和銅鍍錫能提高主母線銅排溫升的原因

我們已經知道,銀的導電率高於銅,因此銅鍍銀主要是提高材料的表面導電率,一般用於可能出現頻繁接插的地方。

其次,由於銀的柔韌性非常好,鍍銀的表面不容易劃傷,因此鍍銀的銅排搭接面具有良好的緊密性和導電水平,所以銅鍍銀具有最高的溫升水平;對於錫,我們知道錫的柔韌性不如銀但優於銅,雖然錫的導電性不如銀,但因為銅鍍錫後母線搭接面的緊密性能得到極大的改善,因此銅鍍錫後也能提高搭接面的溫升。

雖然銅鍍銀和銅鍍錫能提高母線搭接面的溫升水平,但搭接面的鍍層不能出現破口。若銅鍍銀的表面出現破口後,銅將首先被腐蝕,使得母線的搭接面內部會出現凹坑,由此將破壞母線的搭接效果;若銅鍍錫的表面出現破口後,錫層將被出現腐蝕麻點,這將嚴重影響母線的搭接效果和載流能力。

從母線的搭接溫升來看,由於錫和銀均具有柔韌性,因此銅鍍銀後的搭接效果最好,銅鍍錫次之,裸銅最低。正是因為這個原因,我們在IEC60947.1:2001和GB14048.1-2012(8.4.2.2節)中看到裸銅母線的溫升為60度,銅鍍錫的母線其允許溫升為65度,而銅鍍銀的母線其允許溫升為70度。

3.母線採用銅鍍銀、銅鍍錫或者裸銅的技術要求

(1)與母線相連的各種導電附件必須採用相同的表面處理方法為了避免產生次生的電化學腐蝕,所有與母線相連接的母線附件,例如銅柱、分支母線、加強銅排等等都必須採用同種表面處理方法。例如母線採用裸銅,則包括銅柱、分支母線、加強排、轉接母線等全母線系統均要採用裸銅。類似地,母線採用銅鍍錫和銅鍍銀,則全母線系統都必須採用與母線相同的表面處理措施。

下圖是鍍錫連接銅排及它的附件:

我們可以明確地看出,銅母線是全部鍍錫的。我們可以明確地看出,銅母線是全部鍍錫的。

注意到後面有一塊長方形的物體,它是加熱器。確保開關櫃在儲存狀態下能有一定的溫度,以驅除濕氣,防止母線出現電化學腐蝕。

(2)母線的搭接面必須保證足夠的搭接壓力

母線搭接面必須保證搭接壓力,以確保搭接面接觸嚴密程度。知道這是為什麼?這和材料表面的接觸電阻相關。

接觸電阻,與材料之間的壓力密切相關。壓力越大,接觸電阻越小。其表達式為:

這裡的Rj為接觸電阻,F為接觸壓力,m為係數。對於電接觸,m=0.5;對於面接觸,m=1;對於線接觸,m=0.7。

由於導線和銅排的接觸壓力可以用螺栓的鎖緊扭矩來定義,因此在標準中有如下規定:

有了這張表,我們在鎖緊母線和電纜頭時就有了依據和參照。有了這張表,我們在鎖緊母線和電纜頭時就有了依據和參照。上述這第二條其實就是電纜或者主線銅排搭接面上的基本要求。

注意看上圖,圖中的螺帽上都畫有一道痕跡,這表明此螺帽已經按扭矩要求鎖緊。若用戶自行把它拆開解鎖,而且發生了搭接面接觸燒蝕故障,則製造廠在質保期間不承擔相應的責任。

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現在我們來看看導電材料和母線表面的絕緣套管,也即熱縮套管。

熱縮套管有兩種,一種是比較厚的紅色熱縮套管,另一種是比較薄的黑色熱縮套管。

紅色的用於中壓,它起到改善母線表面電場分佈的作用,防止尖端放電。

黑色的用於低壓,它起到散熱的作用。

我們重點討論黑色的熱縮套管。

天高雲淡,紅日當空。我們推開窗戶,欣賞初冬風景。大家肯定會發現,遠處大樓的窗戶看起來是黑色的,儘管這窗戶內可能開著燈;晚上,我們看遠處大樓的窗戶,因為燈光的緣故顯得很亮。

這是為什麼?

其實這就是黑體輻射的原理:大樓的窗戶輻射出來的光很少,因此可以看成是近似黑體。白天環境光比窗戶輻射出來的光要亮得多,這時窗戶看起來就是黑的,並且窗戶大量吸收環境的熱輻射,而晚上則恰恰相反。其實這就是黑體輻射的原理:大樓的窗戶輻射出來的光很少,因此可以看成是近似黑體。白天環境光比窗戶輻射出來的光要亮得多,這時窗戶看起來就是黑的,並且窗戶大量吸收環境的熱輻射,而晚上則恰恰相反。

導電材料和母線包裹了黑色熱縮套管後,若導電材料的溫度高於環境溫度時,黑色熱縮套管大量吸收導電材料的產生的熱輻射(熱縮套管類似白天的窗戶),同時又大量向環境散發熱輻射(類似夜晚的窗戶)。這樣一來,等效於增強了導電材料的載流量。

低壓成套開關設備的型式試驗證明,對於2X30X10的銅排,它的額定載流量為1400A,但包裹了黑色熱縮套管後,可以增加到1800A。

圖中可見母線已經包覆了黑色熱縮套管。圖中可見母線已經包覆了黑色熱縮套管。

母線因為放置空間狹小,且熱傳導因為絕緣支撐的緣故被抑制,只能依靠熱輻射來散熱,依靠預留的對流空間來交換熱量。因此,母線包覆黑色熱縮套管加強散熱是十分必要的。

由此可見,母線包覆熱縮套管的用途有三個:其一是加強散熱降低溫升,其二是杜絕水汽防止電化學腐蝕,其三是提高絕緣能力。

對於不方便包裹熱縮套管的場合,可以用黑色的油漆來包裹導電材料,並用相序顏色貼標來標記導電體的性質。

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對於小型的電磁元件,例如中間繼電器等各類繼電器,它的觸頭體積小,導電體也細小。為此,在導電體上電鍍銀,可以提高它的導電性。

下圖是控制回路的元器件。其中接線端子上必須鍍錫,而繼電器的觸頭上必須鍍銀。前者的目的是提高溫升,後者的目的是提高導電能力。

對於大型的電磁元件,例如交流接觸器和斷路器等等,這時導電已經不成問題,反過來是溫升制約著載流量。這時,就用鍍錫的辦法來提高溫升。對於大型的電磁元件,例如交流接觸器和斷路器等等,這時導電已經不成問題,反過來是溫升制約著載流量。這時,就用鍍錫的辦法來提高溫升。

在GB 14048.1-2012《低壓開關設備和控制設備 第1部分:總則》中規定,裸銅的溫升是60度,鍍錫銅是65度,而鍍銀銅是70度。

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導體材料的表面處理是一門很大的學問,本文只是用蜻蜓點水的方式給大家介紹了幾點,具體可參閱其它相關資料和書籍。

標籤:-電氣工程 -表面處理


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