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電鏡應用|掃描電鏡在電纜失效分析中的應用

閱讀：480 發布時間：2024-12-20

電連接器在電氣系統中主要應用在電信號的傳輸。復雜的電信號系統由成千上萬個連接器組成。每個連接器的好壞優劣直接影響整個系統的功能實現，所以連接器失效造成的影響很大，當一根電纜出現失效后需要從連接器到線纜逐一排除問題，發現根源，進而規避失效電纜的出現。

案例一

掃描電鏡作為材料顯微分析的重要工具，廣泛應用于電纜的失效分析。如下圖Ａ電纜，導線在連接器焊點處發生斷裂。顯微鏡下對斷口進行觀察，斷口表面存在金屬光澤，斷口附近未見機械損傷及腐蝕痕跡，斷口宏觀形貌如下圖所示。

圖1：電纜斷口宏觀形貌

為了進一步分析失效原因，使用掃描電鏡對導線的斷口進行觀察，發現斷口較為平齊，其中２根芯線斷口表面存在明顯的縮頸現象，斷口的終斷區為韌窩形貌，其余10根芯線斷口表面較為平齊，且斷口從兩側起源向中部擴展，中部終斷區為韌窩形貌，局部有疲勞條帶存在，從斷口形貌判斷，存在明顯縮頸現象的芯線斷口應為塑性斷裂，其余斷口為疲勞斷裂，斷口微觀形貌如下圖所示。

圖2：電纜斷口微觀形貌

通過掃描電鏡的觀察與分析，可得出結論：導線斷裂的原因是導線在使用過程中受到交變應力作用引起10根芯線產生疲勞斷裂，剩余２根芯線受外力作用而產生塑性斷裂，整個斷裂過程為順序斷裂。

案例二

Ｂ電纜在使用過程中，內部同軸電纜的屏蔽層及芯線均出現開路現象，進行Ｘ射線檢查，發現電纜在一側插頭根部附近斷裂，對電纜斷裂原因進行分析。

采用顯微鏡對內部進行觀察，發現內部的中心芯線與屏蔽網之間存在一層白色聚四氟絕緣層，屏蔽斷裂位置的聚四氟絕緣層已經擰成麻花狀，電纜內部形貌如下圖所示。

圖3：電纜內部形貌

利用掃描電子顯微鏡下對斷口進行觀察，發現屏蔽網芯線的斷口均存在明顯的縮頸現象，且中部終斷區為韌窩形貌，從斷口形貌判斷，屏蔽網應為受到外力作用產生塑性斷裂；中心芯線的斷口較為平齊，表面為扭轉形態的剪切窩形貌，從其形貌判斷，中心芯線受到扭轉應力作用導致中心芯線扭斷，斷口微觀形貌如下圖所示。

圖4：中心芯線斷口微觀形貌

通過上述兩個案例，作者(參考資料1)認為電纜功能失效問題，除去連接器和線的本身因素以外，在連接器和導線的結合處失效情況居多，并且問題可能是多方面，因此在連接器制成電纜后，在用連接器對插到儀器或是其他電纜上完成測試或是試驗時，要注意連接器與導線連接處是否發生較勁彎曲等情況。例如上述兩種電纜斷裂失效分別是疲勞斷裂加順序斷裂、擰斷兩個方面造成。

作者利用掃描電鏡高分辨、大景深和廣適應性的特點，分析出了電纜斷裂的失效原因。但在結果圖中，我們也發現含聚四氟絕緣層的顯微圖片中出現了異常亮的現象，該白色絕緣層因為導電性差的原因，表面累計了大量負電子，最終積聚成荷電效應，影響整張圖片的拍攝結果。

Apreo2低電壓超高分辨成像

荷電現象是在掃描電鏡拍攝中經常會出現的一種現象，它會影響圖片質量，甚至造成無法正常拍攝和樣品漂移等一系列問題。常規解決荷電問題有三種方法，分別是噴金、低真空和低電壓，前兩種更適合對樣品要求不高，低倍的樣品拍攝，而低電壓作為衡量高性能掃描電鏡的成像指標，已越來越廣泛的應用于各種場景。

如下圖所示，為導電性極差的高分子涂料和聚乙烯樣品，利用低電壓進行拍攝，且樣品表面無需要做任何導電化處理，結果顯示樣品表面無荷電產生，表面細節清晰。

圖5：電鏡低電壓模式拍攝的高分子涂料和聚乙烯樣品

上述兩張圖片結果均采用賽默飛Apreo2場發射掃描電鏡拍攝。Apreo2場發射掃描電鏡具有業內較強的低電壓超高分辨性能，搭配雙引擎模式，分辨率可達到0.8nm（1kV），可以呈現材料最表面的真實形貌襯度，同時兼具高質量成像和多功能分析性能于一體，是科研和生產質控不可少的理想分析平臺。

賽默飛場發射掃描電鏡Apreo 2

參考文獻：

1. 劉偉亮,從電纜斷裂看連接器失效預防.

電鏡應用|掃描電鏡在電纜失效分析中的應用

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