电流对镀金铜合金滑动损伤行为的影响机制及高功率电连接器可靠性优化研究

推荐：为解决高功率电连接器在热插拔条件下因电流（101–103 A/mm2）导致的界面失效问题，研究人员通过对比Cu合金与Au-plated Cu合金在0–20 A电流下的往复滑动实验，发现镀金层在低电流（0–10 A）下可降低70%摩擦系数（COF）和90%表面电阻（至0.6 mΩ·mm2），并抑制电弧产生，为高功率电连接器设计提供了关键参考。

　　

高功率电连接器是电动汽车、轨道交通和航空航天等领域电力传输的核心部件，但其在热插拔或振动条件下易因电流（10¹–10³ A/mm²）引发界面失效。据统计，60%的汽车电连接器故障源于载流摩擦损伤。然而，现有研究多聚焦低电流（≤3 A）下的摩擦行为，对高电流（数十至数百安培）下的失效机制尚不明确。此外，镀金层(Au-plated)虽能降低接触电阻(ECR)，但其在高电流下的保护效果及失效阈值缺乏系统性研究。

为解决这些问题，Huanhuan Lu团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，通过对比Cu合金(H62/QBe2.0)与镀金铜合金(Au-plated Cu)在0–20 A电流下的球-平面往复滑动实验，结合实时摩擦系数(COF)、表面电阻、温度监测及微观表征，揭示了镀金层在高电流下的失效机制。

关键技术方法

研究采用多功能摩擦仪(UMT-2)进行电流加载实验，通过四探针法测量ECR，红外热像仪监测界面温度，并利用三维形貌仪、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)分析磨损形貌与化学成分。样本选用工业级H62黄铜球与QBe2.0铍铜平面，镀金层含2 μm Ni底层和2 μm Au表层。

研究结果

1. 1.

   摩擦性能

   Cu合金的COF稳定在0.6（0–20 A），而镀金铜合金在0–10 A时COF仅0.2（降低70%），但15–20 A时因镀层磨损（Au含量<5%）升至0.6。20 A时Cu合金出现电弧，镀金组则无。

2. 2.

   电学性能

   镀金组在0–10 A时表面电阻仅0.6 mΩ·mm²（较Cu合金的7 mΩ·mm²降低90%），但15–20 A时因镀层失效升至同等水平。

3. 3.

   磨损机制

   低电流下镀金组磨损率（10^-5 mm³·N^-1·m^-1）比Cu组低一个数量级。EDS显示Cu合金界面存在Zn转移（粘着磨损），而镀金层可阻止该现象直至Au含量<10%。XPS证实磨损区含ZnO/NiO氧化层，加剧电阻上升。

结论与意义

该研究明确了镀金层在高功率电连接器中的双重作用：低电流下显著降低COF与电阻，高电流（15–20 A）时因镀层磨损失效。临界阈值（Au含量<5%）的发现为镀层寿命预测提供了依据，而镀金层抑制电弧的特性（20 A下无电弧）对保障极端工况可靠性至关重要。成果为高功率电连接器的材料选择与镀层设计提供了量化标准，尤其适用于需平衡电学性能与耐磨性的场景。