触头材料(contact material)是用于开关、继电器、电气连接及电气接插元件的电接触材料,又称电触头材料,一般分强电用触头材料和弱电用触头材料两种。
在开关电器中,电触头直接承担分断和接通电路并承载正常工作电流或在一定的时间内承载过载电流的功能,各类电器的关键功能,如配电电器的通断能力,控制电器的电气寿命,继电器的可靠性,都取决于触头的工作性能和质量。同时触头也是开关电器中最薄弱的环节和容易出故障的部分:一旦触头系统不能正常工作,如电力系统发生短路寸,高压断路器触头拒绝断开,将引起极为严重的后果。
对于可分离电接触元件而言,在触头闭合状态下承载电流时的工作状况,类似于固定接触的电接触情况。在这种情况下,电触头的主要作用是承载电流、起电能传递和信号输送的作用。这要求必须具有低而稳定的电阻。因为接触电阻产生的焦耳热效应严重时会导致触头导电斑点区域的材料发生熔化而引起电触头焊接在一起,引起所谓的“静熔焊”现象,当熔焊力超过开关的机械分断力时,就会发生触头拒绝断开,引起分断电路失败,即使不出现这种不能断开的现象,也会延缓开关电器的分断动作。
开关电器中触头接触电阻的增值机制与弱电领域电接触材料接触电阻的增值机制有所不同,除了各种环境应力,如氧化、硫化、吸附等作用外,主要还存在因分断、接通电路过程中触头(电极)间产生的电弧放电作用。电弧放电造成的触头材料侵蚀、转移、材料的相变和高温下发生的化学反应,都会使接触电阻增加。同时会加剧某些环境应力的作用。当然在这一过程中,电弧的高温也会破坏触头表面的某些薄膜。
分断电路是开关电器的另一主要功能,这也要电触头直接承担、分断电路时,由于触头之间会发生电弧放电,使问题变得更加棘手。电弧放电时触头不仅存在热的作用,还存在力的效应,最终会在触头表面发生复杂的物理化学过程,诸如材料相变、材料侵蚀、材料转移、熔融液池中的冶金学过程。这些过程既与由电气条件决定的电弧特性密切相关,也与触头材料本身的组分和特性乃至制造上艺有相当的联系。
接通电路也是电触头直接执行的重要功能之一,除了触头闭合过程中因间隙气体击穿发生短时电弧放电外,主要问题是由于动静触头机械冲击或由于电触头机构机械冲击引起的动触头弹跳,尤其是感性负载电路,在触头闭合时会产生较大的冲击电流,会造成电弧放电在较短的时间内对电极的连续、多次作用,形成所谓的“动熔焊”,一般来说,熔融金属的数量随着熔点和热导率的下降而增加。
因此,不仅不同电接触形式对电接触材料的要求不同,即使是同一种电接触形式,比如可分离电接触材料,在它执行不同功能时,也须具备不同的多方面的特性。在电接触的任何运行过程中,各种现象往往是相互重叠发生,所以必须考虑所发生的各种现象的相互关系,这正是电接触理论研究和开发新型电接触材料的难点所在。