粗糙表面涂层/基体系统的电接触行为

《Materials Today Communications》：Electrical contact behavior of rough surface coating/substrate systems

　　

摘要：在电接触领域，低且稳定的接触电阻对于提高电气产品的可靠性和电气寿命起着关键作用。本研究旨在研究涂层参数对粗糙表面涂层/基体系统（coating/substrate systems）电接触行为的影响，并提出一种基于力电耦合效应（electromechanical coupling effect）的数值策略来模拟电接触特性。由此，提出了一种多场耦合有限元模型（multi-field coupled finite element model），用于分析电接触间接触应力和接触电阻的演变，并建立了一个与涂层成分参数（coating compositional parameter）相关的接触电阻模型。通过实验与模拟结果的对比分析验证了接触模型的准确性。这一发现为电气设备涂层/基体系统的科学评估提供了理论基础。

电接触行为是电气设备可靠性的关键，低且稳定的接触电阻可显著提升电气产品的寿命与安全性。目前，现有研究多忽略粗糙表面特性或涂层性能对接触电阻的综合影响，导致定量评估不准确，且涂层结构设计依赖试错法，成本高昂。为克服这一挑战，研究人员基于力电耦合效应（electromechanical coupling effect）提出了一种数值策略，旨在分析涂层参数对粗糙表面涂层/基体系统（coating/substrate systems）电接触行为的影响。该研究建立了多场耦合有限元模型（multi-field coupled finite element model），模拟了接触应力和接触电阻的演变，并构建了与涂层成分参数相关的接触电阻拟合模型。通过实验验证，模型在较高接触载荷下误差小于5%，为涂层设计提供了可靠数据支持。该论文发表在《Materials Today Communications》，为电气设备涂层/基体系统的科学评估奠定了理论基础。
研究人员采用的主要关键技术方法包括：首先，利用共聚焦显微镜（OLS5100）表征三种不同镍含量的Au_1-xNi_x涂层（LSS、MSS、HSS，沉积于银基体）的表面形貌，通过结构函数法计算分形维数D和粗糙度G；其次，基于各向异性三维分形函数（式19）数值重构粗糙表面，确保与真实表面高度相似；然后，在COMSOL Multiphysics中建立力电耦合有限元模型，设置机械接触边界条件（无摩擦、小滑动）和电学边界条件（恒定电势10 mV），通过罚函数法增强接触约束，并采用四线法（four-wire method）自研装置测量接触电阻以验证模型准确性。样本来源为前期工作制备的Au_1-xNi_x涂层，无特殊队列分组。
研究结果及结论如下：
**粗糙表面的数值重构**：通过结构函数法计算分形参数（D=2.36，G=1.36×10^-11 m），利用各向异性分形函数重构的粗糙表面与真实表面高度一致，表面峰脊可视为独立微凸体，验证了分形模型的有效性。
**粗糙表面涂层/基体系统的电接触模拟**：基于力电耦合有限元模型，发现接触电阻随接触载荷增加而快速下降。当载荷从10 gf增至100 gf时，接触面积从141~167 μm²增至980~1290 μm²，接触应力达1310~2910 MPa，接触电阻先减小后稳定。涂层机械/电学性能的影响表现为：屈服强度与电阻率越大，微凸体变形越小、电流收缩越严重，导致接触电阻增大（如LSS涂层在10 gf下接触电阻为1.81 mΩ，HSS涂层为3.47 mΩ）。
**涂层/基体系统接触电阻的拟合模型**：建立了接触电阻与涂层杂原子含量φ（0<φ<8 at%）和接触载荷f（0fit=12.052e^0.086φf^-0.841），拟合度达99.5%。模型表明，φ增大或f减小均导致接触电阻增大，直观反映了涂层成分与载荷对电接触行为的耦合作用。
**拟合模型的验证**：通过四线法测量接触电阻，当载荷低于50 gf时，计算与实验误差最大为10%，归因于表面污染膜及微凸体识别不足；当载荷超过50 gf时，误差降至5%以内（最低2.8%），验证了模型在高载荷下的准确性，证明其可有效预测接触电阻。
总结讨论部分：研究结论如下：（1）通过结构函数法计算分形参数，基于各向异性三维分形函数数值重构的粗糙表面与真实表面高度一致；（2）提出了考虑涂层机械/电学性能的力电耦合方法，揭示了其对接触电阻的影响机制，实现了接触电阻的演变分析与定量评估；（3）实验与计算结果在接触载荷低于10 gf时误差小于10%，当载荷超过50 gf时最大误差降至2.8%，为涂层设计提供了可靠数据支持，解决了涂层结构设计与工艺参数优化后接触电阻演变分析与定量评估的难题。