CN101223616B - 接触元件和接触装置 - Google Patents

Abstract

一种接触元件(1)，用于与接触构件(2)形成电接触，使得电流能够在所述接触元件和所述接触构件之间流动，所述接触元件(1)包括具有至少一个涂敷有接触层(4)的适于贴靠接触构件的接触表面的主体(3)。所述接触层包含纳米复合膜，该钠米复合膜具有非晶碳基体和嵌入该基体中的至少一种金属碳化物的纳米尺寸(即，1～100nm尺寸范围)微晶。

Description

接触元件和接触装置

技术领域

本发明涉及一种接触元件，用于与接触构件形成电接触，使得电流能够在所述接触元件和所述接触构件之间流动，所述接触元件包括具有至少一个涂敷有接触层的适于贴靠接触构件的接触表面的主体，本发明还涉及一种滑动电接触装置，即，一种电接触装置，该装置中的两个适于相互贴靠以建立电接触的接触表面在建立和/或中断和/或维持接触作用时可以彼此相对滑动。

背景技术

这种接触元件可以具有许多不同用途，在该接触元件中布置接触层，用于形成具有期望性质的与接触构件的电接触，例如相对于待接触的接触构件材料的低摩擦系数、低接触电阻和高耐磨性等。这种应用例如用于在一种或多种半导体器件的晶片中形成用于该半导体器件的接触、用于在机械切断开关(disconnector)和断路器(breaker)中建立和中断电接触以及用于在***型接触装置中建立和中断电接触。这种可以建立滑动接触或静态接触的电接触元件优选具有例如由铜或铝制成的主体(body)。已知，用金属接触层涂敷所述主体，以防止接触元件的接触表面磨损和腐蚀。然而，已经发现，目前为止用于这种接触层的金属呈现出容易粘附到与其贴靠的接触构件表面上的趋势，当施加牵引力试图使得接触元件相对接触构件移动时，这可能导致对接触元件和/或接触构件的所述表面附近部分的损伤，例如由于所述接触元件的热膨胀系数与所述接触构件的热膨胀系数随温度的变化不同，或者当所述接触元件和所述接触构件在滑动接触中彼此相对移动时，可能导致对接触元件和/或接触构件的所述表面附近部分的损伤。这个问题已经通过用润滑剂润滑接触元件和接触构件的接触表面而得到解决。这种润滑剂可以为油基或脂基的，而且也可以为固体润滑剂，例如石墨等。但是，固体润滑剂的导电性差，而且在接触表面彼此相对滑动时经常被磨损掉。

WO01/41167公开了一种解决上述问题的方案，其中将所述接触层设计为包含层叠的多元素材料的连续膜。

但是，存在相对于已知接触元件在几个方面改进的所述接触元件的期望和需要，所述方面例如为具有低接触电阻、高的耐磨性和由此增加的使用寿命，甚至是更低的摩擦，用于减少对润滑需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种电接触元件，该电接触元件通过至少部分满足所述需要而相对于已知的接触元件得到改进。

本发明的所述目的是通过提供一种如技术领域部分所限定类型的接触元件而实现，其中所述接触层包含纳米复合膜，该钠米复合膜具有非晶碳基体和嵌入该基体中的至少一种金属碳化物的纳米尺寸(即，1～100nm尺寸范围)微晶。

已经发现，这种纳米膜具有使得其极适合用作这种接触层的性质。这归因于非晶碳基体允许所述接触层的界面与所述接触构件上的相应的或其它的接触层物理匹配的性质以及相对于仅为非晶碳的层而言嵌入所述非晶碳基体中的金属碳化物微晶降低了接触层的电阻率。此外，金属碳化物在所述基体或非晶碳的粘结相(binding phase)中的存在提高了接触层的耐磨性。这种纳米复合膜也具有相对于所述接触构件而言摩擦系数低的潜能。

本公开中的“基体”应解释为不仅涉及容纳碳化物颗粒的连续主相。该碳基体也可以为次相，甚至是不连续相，在极端的情况下，这种基体仅由碳化物颗粒周围的少数原子层组成。因此，基体解释为这种类型的粘结相。

非晶碳基体与纳米尺寸的金属碳化物微晶的不同性质使得当然可以通过初始改变金属碳化物与碳基体的比率针对接触元件的各种预定用途来最优化接触层。接触层的硬度会随着金属碳化物与碳基体的比率的提高而提高，而接触层的电阻率会随着金属碳化物与碳基体的比率提高而降低。然而，接触电阻会随着这种比率的提高而改变。

根据本发明的一个实施方案，所述金属为过渡金属，即元素周期表第3～12族的元素。已经发现，该金属使得接触层具有极好的性质，特别在低接触电阻方面。非常适用于所述纳米尺寸金属碳化物的金属的例子为铌和钛。

根据本发明的另一个实施方案，所述膜仅仅含有一种金属，即为二元体系。已经证实，为了获得接触层的目标性质，仅仅一种金属形成嵌入在所述非晶碳化物基体中的金属碳化物通常就足够了。

根据本发明的另一个实施方案，所述膜包含至少一种另外的第二金属的碳化物的纳米尺寸微晶。有利的是这种金属可以为过渡金属。已经发现，这种第二金属的加入增加了使接触层的性质满足在预定用途中对接触元件的要求的可能性。有时，非常低的接触电阻比高的耐磨性更重要，或者相反，这可以通过加入这种第二金属来实现。纳米复合膜的所谓金属碳化物性质可以通过加入形成碳化物的这种另外的金属来改进。

根据本发明的另一个实施方案，所述微晶具有5～50nm的类似直径(diameter-like)的尺寸。已经证实，晶体的这种尺寸产生这类接触层中通常所要求的特别有利的性质。

根据本发明的另一个实施方案，所述基体还包含另外的第三金属，该第三金属分布于嵌入所述基体碳并相对于所述基体碳分散的相中。这种不形成金属碳化物的金属的加入将主要改变所述基体的性质，可以降低所述基体的电阻率并由此降低整个接触层的电阻率。

所述另外的第三金属有利地为过渡金属，例如可以为Ag。

根据本发明的另一个实施方案，所述碳化物微晶含有弱形成或不形成碳化物的金属的固溶体。“弱”指的是所述金属形成碳化物的倾向低。将这种金属加入到碳化物中引起碳化物相的碳含量降低，并因此提高基体相中的碳含量。这是由于如下事实所导致：这种金属将结合所述至少一种金属碳化物的金属，使得所述金属碳化物的金属不能结合原本应结合的情形那样多的碳，迫使一些碳析出进入基体相并增加基体相中的碳的量。这会以对于接触应用可能是重要的方式影响机械和电性能。所述弱或不形成碳化物的金属为元素周期表第7～12族的过渡金属或者Al、或其组合。尤其可以使用Al结合钛。

根据本发明的另一个实施方案，所述非晶碳基体在所述非晶碳基体的碳原子之间具有高的sp2键/sp3键之比，所述比率高于0.6。其特征在于这种高比率的非晶碳基体的所谓杂化使得所述基体更象石墨，而不是更象金刚石，这导致比所述比率低的情形更高的电导率。同时，该基体较软，这改善了将所述接触层的表面与所述接触构件的表面相互压靠时的匹配性。

根据本发明的另一个实施方案，所述膜的厚度为0.05～10μm，这适于大多数应用。

根据本发明的另一个实施方案，所述膜通过使用气相沉积技术沉积在所述主体上，所述气相沉积技术可以为物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)。所述膜也可以通过利用溶液法例如通过溶胶-凝胶法形成在所述主体上。

本发明的另一目的是提供一种如在技术领域部分中所定义类型的滑动电接触装置，所述装置允许彼此贴靠的两个接触表面移动，同时较大程度上降低上述讨论的不便之处。

根据本发明，通过提供具有根据本发明接触元件的这种装置来实现这一目的，所述接触元件布置为与接触构件形成具有低摩擦系数的干接触(dry contact)，所述摩擦系数低于0.3，优选低于0.2。

这种接触装置的基本特征和优点与根据本发明的接触元件的特征相关，并且通过这种接触元件的上述讨论而显而易见。但是，要指出的是，“滑动电接触”包括在建立接触和/或断开接触和/或维持接触作用时，在可以彼此相对移动的两个构件之间形成电接触的所有类型的装置。因此，它不仅包括通过驱动构件的作用而彼此滑动的接触，还包括具有两个相互压靠的接触元件并由于磁致伸缩、热循环以及接触元件材料具有不同的热膨胀系数或者接触元件不同部分之间的温度差随时间变化而在接触状态下相互相对移动的所谓静态接触。

根据本发明的一个实施方案，所述接触元件和所述接触构件适于彼此面对压在一起以建立所述接触，所述装置可包括用于弹簧加载(spring-loading)所述接触元件和所述接触构件以使他们彼此相靠以形成所述电接触的设备。

从下面的描述和其它的从属权利要求可以看出本发明其它优点和有利的特征。

附图说明

下面参考附图，以实施例的方式具体说明本发明的实施方案。在附图中：

图1仅仅示意性地举例说明根据本发明的一个实施方案的电接触元件。

图2示出传统接触和根据本发明的一种接触的接触电阻对接触力的图。

图3是根据本发明的另一个实施方案的螺旋接触型(helical contacttype)电接触元件的横截面示意图。

图4仅仅示意性地举例说明断路器中的根据本发明的一种接触装置。

图5仅仅示意性地举例说明根据本发明一个实施方案的用于变压器的调压开关中的滑动接触装置。

图6仅仅示意性地举例说明用于继电器中的根据本发明的接触装置，和

图7为根据本发明的另一个实施方案的用于与半导体芯片形成电接触的装置的部分截面和分解图。

具体实施方式

图1仅仅示意性地示出一种与接触构件2形成电接触，以使得电流能够在接触元件1和所述接触构件之间流动的接触元件1。所述接触元件包括主体3，其例如可以为铝或铜，并具有至少一个涂敷有接触层4的贴靠于所述接触构件的接触表面。所述接触层4的厚度典型地为0.05～10μm，为了说明的目的，图1所示的厚度相对于所述接触元件和接触构件的其它尺寸被放大。

所述接触层4包含纳米复合膜，所述纳米复合膜具有非晶碳基体和嵌入该基体中的至少一种金属碳化物的纳米尺寸(即，1～100nm尺寸)微晶。这赋予了接触层上述优良性能。所述金属优选为过渡金属。非晶碳基体的杂化(即碳在基体内与自身如何结合)优选其特征在于具有高的sp2/sp3比，这使得所述基体更象石墨，而不是更象金刚石。可以向纳米复合材料中加入第三组分以改变其性质。其可以是通过形成嵌入在基体中的另外的金属碳化物来改善金属碳化物的性能的另外的金属，或可以是通过分布于嵌入所述基体碳并相对于所述基体碳分散的相中来改变复合材料性质的另外的金属。根据所述接触元件的用途，整体接触结构的性质可以通过下述过程优化：

1)根据如上讨论的结果，改变非晶碳基体与金属碳化物的比率

2)改变金属碳化物微晶的粒径，以改变接触层的体积电阻率，其中在大多数情况下，当粒径增大时，体积电阻率降低

3)根据上述结果，改变非晶碳基体的sp2/sp3比率

4)根据上述结果，添加形成碳化合物或不形成碳化合物的第二金属，例如Ag。

由此可以获得具有下述优点的接触层：

a)在宽范围的接触载荷(力)内的低接触电阻

b)高耐磨性

c)低摩擦

d)高耐腐蚀性

e)良好的高温性能

f)如上所述调节各种性质的大的潜能

图2说明优点a)，其中示出接触电阻对接触力的图，A表示镀Ni垫圈的传统接触，B表示其中嵌入有纳米晶体NbC的非晶碳基体的纳米复合膜。两种涂层都相对Ag测量。可以清楚地看出，根据本发明的接触层相对于传统的接触层在宽范围的接触载荷内具有显著降低的接触电阻。特别令人关注的是，在低载荷下接触电阻就已经低得多。

作为实例，可以提及的是，本发明的接触元件中可能的纳米复合膜可以为Ti-C纳米复合薄膜，该Ti-C纳米复合薄膜具有14原子％Ti至57原子％Ti之间的组成，厚度约0.2μm。这些膜含有嵌入在非晶碳相中的TiC微晶。这两相之间的关系在45原子％至95原子％非晶C-C-相之间变化。在一个具体的实施方案中，纳米复合膜的厚度为0.2μm，总组成为53原子％Ti和47原子％C。这种膜含有非晶碳基体(其中约56原子％的碳被结合)和TiC晶体(其中约44％的碳被结合)。微晶的直径平均为13nm。

图3图示说明接触装置的例子，其中有利的是利用根据本发明的接触层涂敷至少一个接触表面，以形成具有极低摩擦系数的自润滑干接触。该实施方案涉及一种螺旋接触装置，其具有弹簧加载的环形体形式的接触元件5(例如螺旋缠绕线环)，适于与第一接触构件6(例如内套筒或销)和第二接触构件7(例如外套筒或管)建立和维持电接触。接触元件5在接触状态下被压缩，使得其至少一个接触表面8弹簧加载地贴靠第一接触构件6的接触表面9，并且第一接触元件5的至少另一个接触表面10弹簧加载地贴靠第二接触构件7的至少接触表面11。根据本发明的该实施方案，接触表面8～11中的至少一个完全或部分涂敷有根据本发明的包含纳米复合膜的接触层。这种螺旋接触装置例如用于开关装置中的断电器。

图4仅仅示意性地说明根据本发明的电接触装置可以如何布置在断路器12中，所述断路器12在两个接触元件14、15的至少一个接触表面上具有纳米复合膜形式的低摩擦膜13，所述纳米复合膜含有非晶碳基体和嵌入在该非晶碳基体中的金属碳化物纳米尺寸微晶，所述两个接触元件14、15可以彼此相对移动以在两个接触元件之间建立电接触和实现接触元件的明显断路。

图5示意性地说明根据本发明另一个实施方案的滑动电接触装置，其中接触元件16是变压器的调压开关的可移动部分，适于沿接触件18滑动与变压器17的第二绕组形成电接触，因此接触件18形成接触构件，用于由所述变压器分接(tapping)所需的电压水平。低摩擦膜19包含具有金属碳化物纳米微晶的非晶碳基体，设置在接触元件16的接触表面上和/或接触构件18上。以这种方式，接触元件16可以容易地沿绕组移动，同时维持对其的低电阻接触。

最后，图6仅仅示意性地举例说明用于继电器20中的根据本发明另一个实施方案的接触装置，可以为相对的接触元件21、22的一个或两个接触表面提供根据本发明的低摩擦膜23，由于所述接触层材料的特性，这将使得接触表面的磨损较小，并且使得它们耐腐蚀。

图7中举例说明用于与半导体元件24形成良好电接触的一种装置，但是为了清楚起见，堆叠布置并以高压力压在一起的不同构件在图中以空间分离的方式显示，所述压力优选超过1MPa，典型地为6-8MPa。所述堆叠结构的各个一半部分均包含Cu板形式的池形片(pool piece)25，用于与半导体元件形成连接。每一个池形片都有纳米复合薄膜26。半导体元件的半导体材料例如Si、SiC和金刚石的热膨胀系数与Cu的热膨胀系数有很大不同(Si为2.2×10⁶/K，Cu为16×10^-6/K)，这意味着当Cu板25和半导体组件24的温度改变时，其会彼此相对横向移动。根据本发明的膜的低摩擦使得可以省略所述叠层中的池形片与半导体元件之间的其他构件，而保持在热循环时相互移动的趋势，以避免在半导体元件中出现裂纹和/或避免所述元件接触表面的磨损。

根据本发明的接触元件和滑动电接触装置可以发现许多其它的优选应用，在不偏离本发明的基本思想情况下，这些应用对于本领域技术人员来说是显而易见的，如从属权利要求中所限定。

还要指出的是，其它过渡金属可能比上述提到的那些更适于形成所述的纳米尺寸金属碳化物微晶，以满足不同应用中对接触层的不同要求。

Claims (28)

1.一种接触元件，用于与接触构件形成电接触从而使得电流能够在所述接触元件和所述接触构件(2，6，7，18)之间流动，所述接触元件(1，5，14，15，16，25)包括主体(3)，所述主体(3)具有至少一个涂敷有接触层的适于贴靠所述接触构件的接触表面，其特征在于：所述接触层(4)包含纳米复合膜，所述纳米复合膜具有非晶碳基体和嵌入所述非晶碳基体中的至少一种金属碳化物的纳米尺寸微晶，所述纳米尺寸微晶的尺寸为1～100nm。

2.权利要求1所述的接触元件，其特征在于所述金属为过渡金属，即，元素周期表3～12族的元素。

3.权利要求2所述的接触元件，其特征在于所述金属为铌或钛。

4.前述权利要求任一项所述的接触元件，其特征在于所述纳米复合膜包含由一种金属形成的金属碳化物。

5.权利要求1～3中任一项所述的接触元件，其特征在于所述纳米复合膜包含至少一种另外的第二金属的碳化物的纳米尺寸微晶。

6.权利要求5所述的接触元件，其特征在于所述第二金属为过渡金属。

7.权利要求1～3中任一项所述的接触元件，其特征在于所述纳米尺寸微晶具有5～50nm的类似直径的尺寸。

8.权利要求1～3中任一项所述的接触元件，其特征在于所述基体还包含另外的第三金属，所述第三金属分布于嵌入所述非晶碳基体并相对于所述非晶碳基体分散的相中。

9.权利要求1～3中任一项所述的接触元件，其特征在于所述纳米复合膜包含至少一种另外的第二金属的碳化物的纳米尺寸微晶，并且所述基体还包含另外的第三金属，所述第三金属分布于嵌入所述非晶碳基体并相对于所述非晶碳基体分散的相中。

10.权利要求8所述的接触元件，其特征在于所述另外的第三金属为过渡金属。

11.权利要求10所述的接触元件，其特征在于所述另外的第三金属为Ag。

12.权利要求1～3中任一项所述的接触元件，其特征在于所述碳化物纳米尺寸微晶包含不形成碳化物或者弱形成碳化物的金属的固溶体。

13.权利要求12所述的接触元件，其特征在于所述不形成碳化物或者弱形成碳化物的金属为元素周期表第7～12族的过渡金属或者Al，或其组合。

14.权利要求1～3中任一项所述的接触元件，其特征在于所述非晶碳基体的碳原子之间具有高的sp2键/sp3键之比，所述比率大于0.6。

15.权利要求1～3中任一项所述的接触元件，其特征在于所述纳米复合膜的厚度为0.05～10μm。

16.权利要求1～3中任一项所述的接触元件，其特征在于所述纳米复合膜通过使用气相沉积技术沉积在所述主体上。

17.权利要求16所述的接触元件，其特征在于所述纳米复合膜通过物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)沉积在所述主体上。

18.权利要求1～3中任一项所述的接触元件，其特征在于所述纳米复合膜通过溶液法形成在所述主体上。

19.权利要求18所述的接触元件，其特征在于所述纳米复合膜通过溶胶-凝胶法形成在所述主体上。

20.一种滑动电接触装置，即，一种其中适合于彼此贴靠以建立电接触的两个接触表面在建立和/或断开和/或维持所述接触作用时可以彼此相对滑动的接触装置，其特征在于所述装置具有前述权利要求任一项所述的接触元件(1，5，14，15，16，25)，所述接触元件具有被设置用于与接触构件形成低摩擦系数的干接触的所述纳米复合膜，所述摩擦系数小于0.3。

21.权利要求20所述的装置，其中所述摩擦系数小于0.2。

22.权利要求20所述的装置，其特征在于所述接触构件(2)也具有涂敷有包含所述纳米复合膜的前述接触层的接触表面。

23.根据权利要求20或22所述的装置，其特征在于由于适于彼此贴靠以建立所述电接触的所述接触元件(1)和所述接触构件(2)的表面部分的材料的热膨胀系数不同，当所述接触元件和所述接触构件的温度改变时，所述接触元件(1)和所述接触构件(2)的表面可以以接触状态彼此相对移动。

24.根据权利要求23所述的接触装置，其特征在于所述接触元件(1)和所述接触构件(2)适于彼此面对挤压以建立所述接触。

25.根据权利要求20-22中任一项所述的装置，其特征在于所述装置包含用于弹簧加载所述接触元件(5)和所述接触构件(6)使其彼此贴靠以形成所述电接触的设备。

26.根据权利要求20-22中任一项所述的装置，其特征在于所述装置适于在用于变压器的调压开关(17)中建立电接触，用于形成对所述变压器的不同绕组线匝的接触。

27.根据权利要求20-22中任一项所述的装置，其特征在于所述接触元件和所述接触构件属于机械断路器的两个部件，所述两个部件可以彼此移动分离以断开其两个终端。

28.根据权利要求20-22中任一项所述的装置，其特征在于所述接触元件和所述接触构件属于继电器(20)中可以彼此相对移动的部件(21，22)，在所述继电器运行时，所述接触元件和所述接触构件之间能够建立电接触。

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