在電氣部件中,觸點壽命和電信號質量部分取決于磨損和摩擦第三體形成。在某些情況下,它們可能是嚴重粘附現象的根源,伴隨著表面之間的傳導中斷,或電信號質量下降。但在其他情況下,摩擦第三體可以是一個保護層,有助于兩個表面之間的速度調節,或者通過填充微凸體來捕獲磨損顆粒并平滑接觸。
在邊界潤滑條件下,不同的機理可能有助于形成摩擦第三體:
l 機械過程包括通過磨損、粘附和分層機制從第一表面分離顆粒/碎屑,從而在界面處形成一層被截留的磨損顆粒。眾所周知,較硬的表面會磨損較軟的表面,并通過塑性變形對其造成損壞。當由顆粒增強聚合物基體組成的復合材料與較硬的表面接觸時,也會出現相同類型的機制。機械應力可能導致顆粒從基體上分離,并在接觸過程中釋放。在充分邊界潤滑的情況下,這些顆粒可能發揮作用,甚至促進摩擦層的形成。一個眾所周知的例子是鋼表面上ZDDP衍生的摩擦膜,其中鐵氧化物磨損顆粒溶解在ZDDP分解產物中,并參與摩擦層的結構。此外,磨損碎屑可根據其特性提高摩擦層的機械強度和其他性能。
l 摩擦化學過程包括(a)物理吸附;(b)化學吸附;(c)與固體表面的化學反應和(d)固體表面上的化學反應,有時由固體表面催化。與傳統抗磨添加劑不同,傳統抗磨添加劑通過模式(c)與固體表面(如鐵)發生化學反應以形成保護層,摩擦聚合過程涉及通過模式(d)形成薄膜其作用是減少附著力和磨損。
在摩擦聚合機理中,被吸附的“單體”分子(油分子:烷烴、烯烴、酯等)在摩擦接觸條件下聚合,反應形成聚合物鏈,并自我補充。該過程取決于幾個參數,如表面溫度,固體表面元素和/或摩擦固體發射的電子的催化作用,導致潤滑劑分子形成反應性自由基。摩擦第三體可能具有不同于母體材料的性質,它們反過來強烈影響其相關材料的穩定性和可靠性摩擦接觸。因此,了解它們的形成機制和特性非常重要,特別是在應用需要電流通過接觸界面傳輸時:事實上,摩擦第三體通常是絕緣的或導電性差的。
在目前的工作中,所研究的電氣部件包括為航空應用開發的位置傳感器。與此傳感器相關聯的驅動是軸的旋轉。因此,運動是指一個角度θ,θ=0是軌跡的中心(θ可以是正的或負的)。光標軌跡觸點安裝在電位計中,因此給定的θ對應于一個固定電阻,假定在時間上不變:讀取電阻,電子控制系統向計算機提供軸的角度位置。如果出現高接觸電阻Rc,可能會干擾該測量。如果Rc>30000Ω,即實際上,如果電路因絕緣膜的形成而在軌道的任何地方或有限區域被切斷,則功能喪失。
傳感器內部的摩擦電觸點如圖1所示:
l 由填充有碳和石墨顆粒的聚合物制成的軌道;事實上,它被包裹在一個300度角的圓柱形容器內,曲率半徑約為30毫米
l 一種由貴、高導電性AgPd合金制成的移動光標,在軸旋轉時在軌道上滑動,以收集電位計配置中的電張力(施加的總電張力約為10 V)。
圖1.傳感器內部的接觸幾何結構由AgPd光標與填充有碳顆粒的聚合物軌道接觸組成。僅顯示軌道的橫截面。
在這種往復滑動條件下,可能會出現磨損,尤其是聚合物軌道的磨損。常見的解決方案是在界面中引入固體或液體潤滑劑。在反復摩擦條件下,高效潤滑劑不應退化。此外,該應用要求低揮發性和高粘度指數,以便在可能變化的溫度和壓力下具有穩定的使用性能。最后,傳感器可沿所有軸旋轉,觸點的進給不得中斷。一般選用硅油/PTFE潤滑脂。
在電觸點中,一種有效的潤滑劑可以提高配合表面的耐磨性,同時保持接觸電阻低且穩定。這可以通過在界面接觸中形成抗老化和磨損的保護膜來實現。已知硅油通過摩擦聚合形成此類保護膜。這確保了低磨損,但是電阻無法保證。
對實際應用中使用的位置傳感器的接觸面進行的初步分析表明,在電阻聚合物軌道上粘附著一個厚而光滑的摩擦第三體。
來自法國國立巴黎高等礦業學校和Vishay半導體的ManonIsard等人在文章中討論研究了摩擦第三體的形態、化學和電學特性,以便(a)了解其形成背后的機制(b)評估其對傳感器電性能和可靠性的影響,以及(c)提供潤滑解決方案未來發展的建議。
他們選用了光譜共焦位移傳感器來測量接觸面的磨損輪廓和粗糙度參數,選用的探頭測量垂直分辨率為3nm,測量位移步長為1μm。
論文標題:Synergistic effects between oiltribopolymerisation and abrasive wear in forming a protective third body in aconductive polymer/noble metal electrical contact