导电材料的表面处理方法各异,目的是什么？

导电材料的表面处理方法各异，目的是什么？

看了两个回答，感觉没有讲到点子上。也罢，我自己来回答这个问题吧。

导体材料，它的用途就是导电，同时它必须具有一定的机械强度。例如母线，如果母线的温升过高，母线材料的机械强度大幅度地降低，那么一旦出现短路事故，母线就会出问题。至于导体材料的导电性，我们可以通过在表面电镀的方法加以改善。

也许，大家会认为在表面电镀高导电材料并不能明显地改善导电性，这对于直流电来说是正确的，但对于交流电流，由于存在集肤效应，电流大多都集中在导电材料的外表面，因此电镀能明显地改善导电性。

不过，这种改善只是对比较薄的导电材料才有效。对于相对较厚的导电材料，例如母排，电镀对于提高导电性几乎没有什么贡献，倒是对提高母线的温升有很明显的效果。

常见的导体材料是铜和铝，方便起见，我们就从裸铜母线的电镀谈起吧。

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1．发生在铜表面的电化学反应我们来看铜、锡和银的化学特性：铁(Fe)、铜(Cu)和锡(Sn)在水(H2O)的参与下发生如下反应：在这个过程中伴随着电子的转移，所以此类反应被称

为氧化还原反应。由于铁、铜和锡都是弱碱，所以反应生成物的最终产物金属离子与该反应的中间生成物金属氧化物

之间是可逆的，反应最终生成物金属离子有可能返回到金属氧化物状态。因为氧化还原反应伴随着电子的转移，因此金属被水汽沾染后其表面所有的原子都有可能会形成原电池，原电池的正极就是该金属的离子，而负极就是金属本体。从上图中我们看到有3个原电池，其中2个是和Sn构成的原电池，另一个是和Cu构成的原电池。原电池的电压被称为电极电位。银、锡和铜三种元素的电极电位数值如下：可见银的电极电位最高，铜次之，而锡最低。将元素按电极电位从小到大排列后所形成的表被称为金属活动顺序表，越往前的金属越活泼，越往后的金属越稳定。金属活动顺序表如下：钾、钙、钠、镁、锂、铝、锰、锌、铁、锡、铅、铜、汞、银、铂、金当两种金属同时存在时，不同金属产生的原电池电极电位有高有低，于是不同金属原电池之间会产生电子流的移动。电子流从电极电位较低的原电池流出注入电极电位较高的原电池中。在这个过程中，电极电位较高的金属离子被还原为金属氧化物或者金属本体。注意原电池中电子流的方向与电流的方向是相反的。我们看下图：图中，若原电池1的电极电位大于原电池2，那么电子流是从2的正极流向1的正极，而电流却从高电位1的正极流向低电位2的正极。我们来看看铜表面铜原电池和锡原电池中的电子转移，见下

图：图中锡的电极电位小于铜的电极电位，因此电子流将从锡原电池Sn2+/Sn流出注入到铜原电池Cu2+/Cu中。锡因为不断地流出电子，因而锡原子被不断地离子化而出现腐蚀现象；相反，铜离子不断得到电子因而被还原为铜原子，所以铜被还原因而不被腐蚀。当两种金属同时存在时，排在金属活动顺序表后边的金属将得到电子，而排在前边的金属将失去电子。于是排在前边的金属将被腐蚀，而排在后边的金属却能够稳定存在。这就是金属表面电化学腐蚀的原理。所以说到底，金属腐蚀属于电化学的范畴。铜镀锡后，若表面镀锡层出现破口，因为锡比铜活泼，破口处的锡将被腐蚀；铜镀银后，若表面镀银层出现破口，因为铜比银活泼，破口处的铜将被腐蚀。要防止某种金属被腐蚀，首先要避免该金属表面存在其它种类的金属；其次，若某金属的表面电镀覆盖了它种金属的镀层，则要特别注意避免出现破口。现在我们可以总结出如下结论：铜比银活泼，所以银的电极电位比铜的电极电位要高，银相对铜更具有氧化性，而铜相对于银更具有还原性，因此铜与银放在一起时，银更稳定而铜则易腐蚀。同理，锡比铜活泼，所以铜和锡放在一起时铜更稳定，锡相对于铜更易受到腐蚀。对于裸铜，虽然铜的表面会形成无数的铜离子原电池，但所有原电池的电极电位数值均相等，故裸铜不会发生电子转移和电化学腐蚀，由此可知裸铜的抗腐蚀性最好。

结论：所有单质构成的纯金属，其表面电极电位一致，因此单质纯金属的抗腐蚀性一定好于含杂质的金属和多金属混

合体。

这是透明的微型断路器，我们可以看到它的内部，可见它的内部是以裸铜为主的。

2．铜镀银和铜镀锡能提高主母线铜排温升的原因我们已经

知道，银的导电率高于铜，因此铜镀银主要是提高材料的表面导电率，一般用于可能出现频繁接插的地方。其次，由于银的柔韧性非常好，镀银的表面不容易划伤，因此镀银的铜排搭接面具有良好的紧密性和导电水平，所以铜镀银具有最高的温升水平；对于锡，我们知道锡的柔韧性不如银但优于铜，虽然锡的导电性不如银，但因为铜镀锡后母线搭接面的紧密性能得到极大的改善，因此铜镀锡后也能提高搭接面的温升。虽然铜镀银和铜镀锡能提高母线搭接面的温升水平，但搭接面的镀层不能出现破口。若铜镀银的表面出现破口后，铜将首先被腐蚀，使得母线的搭接面内部会出现凹坑，由此将破坏母线的搭接效果；若铜镀锡的表面出现破口后，锡层将被出现腐蚀麻点，这将严重影响母线的搭接效果和载流能力。从母线的搭接温升来看，由于锡和银均具有柔韧性，因此铜镀银后的搭接效果最好，铜镀锡次之，裸铜最低。正是因为这个原因，我们在IEC60947.1:2001和

GB14048.1-2012（8.4.2.2节）中看到裸铜母线的温升为60

度，铜镀锡的母线其允许温升为65度，而铜镀银的母线其允许温升为70度。3．母线采用铜镀银、铜镀锡或者裸铜的技术要求（1）与母线相连的各种导电附件必须采用相同的表面处理方法为了避免产生次生的电化学腐蚀，所有与母线相连接的母线附件，例如铜柱、分支母线、加强铜排等等都必须采用同种表面处理方法。例如母线采用裸铜，则包括铜柱、分支母线、加强排、转接母线等全母线系统均要采用裸铜。类似地，母线采用铜镀锡和铜镀银，则全母线系统都必须采用与母线相同的表面处理措施。

下图是镀锡连接铜排及它的附件：

我们可以明确地看出，铜母线是全部镀锡的。

注意到后面有一块长方形的物体，它是加热器。确保开关柜在储存状态下能有一定的温度，以驱除湿气，防止母线出现电化学腐蚀。

（2）母线的搭接面必须保证足够的搭接压力母线搭接面必须保证搭接压力，以确保搭接面接触严密程度。知道这是为什么？这和材料表面的接触电阻相关。接触电阻，与材料之间的压力密切相关。压力越大，接触电阻越小。其表达式为：这里的Rj为接触电阻，F为接触压力，m为系数。对于电接触，m=0.5；对于面接触，m=1；对于线接触，m=0.7。由于导线和铜排的接触压力可以用螺栓的锁紧扭矩来定义，因此在标准中有如下规定：有了这张表，我们在锁紧母线和电

缆头时就有了依据和参照。上述这第二条其实就是电缆或者主线铜排搭接面上的基本要求。

注意看上图，图中的螺帽上都画有一道痕迹，这表明此螺帽已经按扭矩要求锁紧。若用户自行把它拆开解锁，而且发生了搭接面接触烧蚀故障，则制造厂在质保期间不承担相应的责任。

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现在我们来看看导电材料和母线表面的绝缘套管，也即热缩套管。

热缩套管有两种，一种是比较厚的红色热缩套管，另一种是比较薄的黑色热缩套管。

红色的用于中压，它起到改善母线表面电场分布的作用，防止尖端放电。

黑色的用于低压，它起到散热的作用。

我们重点讨论黑色的热缩套管。

天高云淡，红日当空。我们推开窗户，欣赏初冬风景。大家肯定会发现，远处大楼的窗户看起来是黑色的，尽管这窗户内可能开着灯；晚上，我们看远处大楼的窗户，因为灯光的缘故显得很亮。

这是为什么？

其实这就是黑体辐射的原理：大楼的窗户辐射出来的光很少，

因此可以看成是近似黑体。白天环境光比窗户辐射出来的光要亮得多，这时窗户看起来就是黑的，并且窗户大量吸收环境的热辐射，而晚上则恰恰相反。

导电材料和母线包裹了黑色热缩套管后，若导电材料的温度高于环境温度时，黑色热缩套管大量吸收导电材料的产生的热辐射（热缩套管类似白天的窗户），同时又大量向环境散发热辐射（类似夜晚的窗户）。这样一来，等效于增强了导电材料的载流量。

低压成套开关设备的型式试验证明，对于2X30X10的铜排，它的额定载流量为1400A，但包裹了黑色热缩套管后，可以增加到1800A。

图中可见母线已经包覆了黑色热缩套管。

母线因为放置空间狭小，且热传导因为绝缘支撑的缘故被抑制，只能依靠热辐射来散热，依靠预留的对流空间来交换热量。因此，母线包覆黑色热缩套管加强散热是十分必要的。由此可见，母线包覆热缩套管的用途有三个：其一是加强散热降低温升，其二是杜绝水汽防止电化学腐蚀，其三是提高绝缘能力。

对于不方便包裹热缩套管的场合，可以用黑色的油漆来包裹导电材料，并用相序颜色贴标来标记导电体的性质。

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对于小型的电磁元件，例如中间继电器等各类继电器，它的触头体积小，导电体也细小。为此，在导电体上电镀银，可以提高它的导电性。

下图是控制回路的元器件。其中接线端子上必须镀锡，而继电器的触头上必须镀银。前者的目的是提高温升，后者的目的是提高导电能力。

对于大型的电磁元件，例如交流接触器和断路器等等，这时导电已经不成问题，反过来是温升制约着载流量。这时，就用镀锡的办法来提高温升。

在GB 14048.1-2012《低压开关设备和控制设备第1部分：总则》中规定，裸铜的温升是60度，镀锡铜是65度，而镀银铜是70度。

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