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第三章表面膜层及其电接触特性 第三章 表面膜层及其电接触特性 周怡琳 内容 表面膜层的分类和表面吸附层 接触表面的干燥气体腐蚀 接触表面的电化学腐蚀 接触表面的膜层电阻 接触表面的膜层击穿 §3.1 表面膜层的分类和表面吸附层 一、研究触点表面膜层的重要性 触点表面膜层不可避免 环境污染 一个干净的贵金属（Au）表面上，混合着尘土、煤灰、油和水的膜层在几个小时内就可形成； 干净的基础金属在空气中，几秒钟内就形成了纳米级的膜层，几小时后增长至十几纳米。 打磨过的Cu表面，立即形成3～6纳米厚的氧化膜，室内暴露几天后，膜层变得非常复杂：氧化物、硫化物、硫酸盐、氯化物、硝酸盐、煤灰、尘土、油、水和铵盐等。 机械沉积 摩擦磨损碎屑 一、研究触点表面膜层的重要性 表面膜层使接触电阻增加 接触电阻R=Rc+Rf 表面的膜层通常都是绝缘物质。 当污染膜膜厚在(20~30?)范围内时,可靠隧道效应导电； 当膜厚超过此限度值以后，膜层电阻一般随膜厚成指数规律增加； 膜层发生电击穿，使电阻值非线性改变，造成接触电阻和电接触故障； 高频电路中, 接触膜层产生寄生接触电容，使传输信号畸变(幅度减小、波形变化)，导致误码，造成故障。 二、膜层的分类 按膜层的形成来源可以分为： 腐蚀膜：由周围的腐蚀性气体侵袭而成。 偏析膜：材料中的一些元素或杂质会偏析到表面上来，被空气中的气体腐蚀。 有机膜：对于动态的触点，由于表面吸附有机膜，在元素的催化作用下，产生摩擦聚合物。 污染膜：空气中的烟尘、油脂、纤维及加工过程中嵌入表面的工具磨损碎屑造成的。 主要讨论无机腐蚀膜。 二、膜层的分类 无机膜按其性质可分为： 前污染膜：在基体金属上产生，并能发展成污染膜。如化学吸附的单层氧化膜。 污染膜：常见的污染膜为氧化物或硫化物。 外膜：在金属表面粘附的一层其他物质。如润滑膜、水膜。 二、膜层的分类 无机膜按其厚度可分为： 吸附膜：只有一个或几个分子层厚，最典型的是单层膜。 钝化膜（保护膜）：在很薄时就停止生长，能阻止进一步的化学侵蚀。如不锈钢表面生成的钝化膜。 污染膜：可见的，能连续生长、加厚。如很多基体金属上形成的污染膜。 三、表面吸附层 当清洁的金属置于大气或其他气体中，表面就会很快地吸附一层气体膜，通常只有一～几个分子层厚度。 吸附分两种情况： 物理吸附 它是由于气体与金属表面间的范德华力或极性力所造成； 吸附能一般小于10千卡/克分子或者是小于0.5ev； 贵金属与惰性气体，如：氩、氦气之间的吸附大体属于此种情况,与金属性质关系不明显。 化学吸附 气体原子在表面金属原子结合成较牢固的键； 其吸附能通常大于30千卡/克分子或者说1ev； 与气体种类及金属特性有密切关系。 三、表面吸附层 物理吸附和化学吸附的能量 曲线 化学吸附的能量远大于物理吸附，物理吸附膜一般在化学吸附膜的外边。 Ea是吸附能，Ed是脱附能。一般， Ed 应大于Ea ，因为化合的物质要还原成为气体状态。但实际测试结果是两者非常近似。 物理吸附和化学吸附的能量 三、表面吸附层 气体原子在金属表面停留的平均时间 脱附能Ed 决定气体原子在金属表面所停留的平均时间?。 ?，单个吸附原子在固体表面所停留的平均时间（秒）； ?0，吸附原子对表面垂直热振动的周期（秒），一般假定 ?0 =10-14～10-12秒； R，气体常数（R=1.987卡/克分子??K） ； T，绝对温度（?K） 。 三、表面吸附层 CO2和潮气在室温下吸附于铜表面，若CO2 的脱附能为10千卡/克分子，水的脱附能为24千卡/克分子， ?0 按10-12秒计算，试问各自吸附原子的脱附所需的时间？ 解：将以上各数据代入上式，可得： 水汽和二氧化碳吸附在铜表面的时间是不同的，水汽吸附在铜表面后很难驱除，必须提高温度以减少吸附时间。水滞留在金属表面后，空气中含盐的成分和其他气体如等SO2、Cl2溶于水并成为电解液，易造成电化学腐蚀。 三、表面吸附层 吸附原子的数量与气压的关系 低气压（总气体气压）下的吸附原子数与气压大致成正比，可按亨利定律计算（温度恒定）： Na，吸附单分子层原子数；A，面积；a，常数；p，压强 在较高气压下，则按朗摩尔定律计算： Nm，该气体分子层覆盖表面的最大原子数目；b，常数； 实际情况非常复杂，但无论如何，气体分压大吸附的原子数总是增多（不一定成比例） 三、表面吸附层 物理吸附和化学吸附与金属性质的关系 物理吸附对金属性质的关系并不明显，物理结合的能量比化学结合的能量要低得多，所以在力的作用下，它比较容易因机械击穿而被破坏。 化学吸附层是很复杂的，与气体种类及金属特点有密切关系。 化学吸附形成后，气体若继续与金属作用，将形成化合物，