Analyse des matériaux de contact de relais : évolution des performances et défis technologiques

En tant que composant central de l'automatisation contrôlant la commutation des circuits, la fiabilité des relais dépend presque entièrement du matériau des contacts. Les contacts, le « cœur » du relais, subissent des conditions difficiles telles que des arcs à haute température, des impacts mécaniques et une migration de matériaux lors de la connexion et de la déconnexion instantanées du courant. Le choix du matériau affecte directement la durée de vie électrique, la capacité de charge et la stabilité d'application du relais.

 

 

 

Les contacts du relais agissent comme des interrupteurs pendant le fonctionnement. Les arcs instantanés peuvent provoquer des phénomènes tels que l'électro-érosion, la migration de matériaux et l'adhésion de surface :

 

Électro-érosion :Les arcs à haute -température provoquent une fusion ou une évaporation localisée du matériau, formant des creux et des saillies, entraînant une usure progressive des points de contact.

 

Modifications de la résistance de contact :L'oxydation ou la contamination de la surface forme un film isolant, provoquant une résistance de contact accrue, générant de la chaleur et posant même un risque de grillage du relais.

 

Migration matérielle :Sous des charges CC, la nature directionnelle de l’arc fait migrer le matériau d’un contact à l’autre, accélérant ainsi l’usure localisée.

 

Adhésion:Des courants élevés ou le refroidissement de contacts fondus peuvent provoquer une adhérence, entraînant un échec de déconnexion.

 

Les matériaux de contact idéaux doivent équilibrer une conductivité électrique élevée, une conductivité thermique élevée, une résistance à l'érosion par arc, une résistance de contact faible et stable, une dureté et une résistance élevées au soudage et une bonne usinabilité. Puisqu'un seul métal répond rarement à toutes ces exigences simultanément, les alliages ou les matériaux composites sont souvent utilisés dans des applications pratiques, telles que les contacts électriques en argent, les contacts bimétalliques en argent et les rivets de contact électrique en alliage d'argent.

 

 

 

Le choix du matériau de contact varie considérablement en fonction du type de charge et de l'environnement d'application.

 

Scénarios de courant faible et de signal faible : ces contacts doivent maintenir une résistance de contact stable, et des métaux ou alliages précieux sont souvent utilisés.

 

L'or et ses alliages :Excellente résistance à l'oxydation, faible résistance de contact, adaptée à la commutation de signal de faible niveau- ; cependant, l’or pur est mou et a une faible résistance à l’arc, c’est pourquoi il est souvent plaqué sur d’autres substrats.

 

Argent et ses alliages :Conductivité électrique et thermique extrêmement élevée, bonne usinabilité. L'argent pur est sujet à la sulfuration, et le contact AgSnO2 ou le traitement d'un alliage d'argent, tel que l'argent-nickel ou l'argent-oxyde d'étain, est souvent utilisé pour améliorer la résistance à l'usure et à l'arc.

 

Les applications à courant moyen à élevé (contrôle industriel, appareils électroménagers, automobile) nécessitent des matériaux offrant une bonne résistance à l'arc, à l'abrasion et à la soudabilité.

 

AgNi (Nickel Argenté) :Combine conductivité et résistance à l'arc, largement utilisé dans les charges CA.

 

AgSnO₂ (oxyde d'étain-argent) :Une alternative écologique à l'oxyde de cadmium et d'argent, avec une forte résistance à la soudabilité, adaptée aux commutations fréquentes et aux charges CC.

 

AgZnO (oxyde de zinc argenté) :Performances similaires à AgSnO₂, mais nécessitent un traitement plus complexe.

 

Applications spéciales :Tungstène, Molybdène : Métaux réfractaires à haute dureté et forte résistance à l'arc ; peuvent être combinés avec du cuivre ou de l'argent pour former des points de contact électriques composites pour les appareils de commutation à courant élevé-.

 

Métaux du groupe du platine :Haute résistance à l'oxydation et à la corrosion, coûteux, adapté aux applications aérospatiales ou militaires à haute fiabilité-.

 

De plus, les contacts en argent dans les disjoncteurs et les contacts en argent et cadmium étaient autrefois largement utilisés dans des environnements à forte charge, mais en raison de la toxicité du cadmium, ils sont remplacés par des matériaux respectueux de l'environnement.

 

 

 

Les matériaux de contact des relais évoluent vers la haute performance, le respect de l'environnement et l'intelligence :

 

Respect de l'environnement :Éliminer progressivement les matériaux toxiques tels que les matériaux contenant du cadmium-et développer des matériaux-hautes performances et non-toxiques, tels que AgSnO₂, AgZnO ou de nouveaux matériaux composites.

 

Nano-technologies de dimensionnement et composites :Optimiser la distribution des particules d'oxyde grâce à la nanotechnologie pour améliorer les performances globales des matériaux et explorer les structures composites en couches et renforcées par des fibres.

 

Traitement de surface et revêtement :Formation de couches minces de contact hautes-performances sur des substrats en cuivre par galvanoplastie, pulvérisation ou revêtement laser pour réduire les coûts et améliorer les performances.

 

Conception de simulations :La simulation informatique des champs de température, des champs de fluides et de la migration des matériaux sous des arcs électriques fournit des conseils théoriques pour la conception de nouveaux matériaux et accélère le processus de R&D.

 

 

L’histoire des matériaux de contact de relais est un processus d’intégration continue entre la science des matériaux et la technologie du génie électrique. De l'or pur et de l'argent pur à l'oxyde d'argent et de cadmium, puis aux matériaux nanocomposites respectueux de l'environnement, chaque innovation a propulsé les relais vers une plus grande fiabilité, une durée de vie plus longue et une plus grande intelligence. CesContacts électriques argentésincarnent la valeur fondamentale d’un système de relais et constituent une pierre angulaire cruciale pour garantir le fonctionnement stable des systèmes électriques.