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電鏡應(yīng)用|掃描電鏡在電纜失效分析中的應(yīng)用

來源：北京歐波同光學(xué)技術(shù)有限公司 2024年12月20日 10:24

電連接器在電氣系統(tǒng)中主要應(yīng)用在電信號的傳輸。復(fù)雜的電信號系統(tǒng)由成千上萬個連接器組成。每個連接器的好壞優(yōu)劣直接影響整個系統(tǒng)的功能實現(xiàn)，所以連接器失效造成的影響很大，當(dāng)一根電纜出現(xiàn)失效后需要從連接器到線纜逐一排除問題，發(fā)現(xiàn)根源，進(jìn)而規(guī)避失效電纜的出現(xiàn)。

案例一

掃描電鏡作為材料顯微分析的重要工具，廣泛應(yīng)用于電纜的失效分析。如下圖Ａ電纜，導(dǎo)線在連接器焊點處發(fā)生斷裂。顯微鏡下對斷口進(jìn)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(jìn)一步分析失效原因，使用掃描電鏡對導(dǎo)線的斷口進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)斷口較為平齊，其中２根芯線斷口表面存在明顯的縮頸現(xiàn)象，斷口的終斷區(qū)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(cè)起源向中部擴展，中部終斷區(qū)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(xiàn)象的芯線斷口應(yīng)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(jié)論：導(dǎo)線斷裂的原因是導(dǎo)線在使用過程中受到交變應(yīng)力作用引起10根芯線產(chǎn)生疲勞斷裂，剩余２根芯線受外力作用而產(chǎn)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(nèi)部同軸電纜的屏蔽層及芯線均出現(xiàn)開路現(xiàn)象，進(jìn)行Ｘ射線檢查，發(fā)現(xiàn)電纜在一側(cè)插頭根部附近斷裂，對電纜斷裂原因進(jìn)行分析。

采用顯微鏡對內(nèi)部進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的中心芯線與屏蔽網(wǎng)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(jīng)擰成麻花狀，電纜內(nèi)部形貌如下圖所示。

圖3：電纜內(nèi)部形貌

利用掃描電子顯微鏡下對斷口進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)屏蔽網(wǎng)芯線的斷口均存在明顯的縮頸現(xiàn)象，且中部終斷區(qū)為韌窩形貌，從斷口形貌判斷，屏蔽網(wǎng)應(yīng)為受到外力作用產(chǎn)生塑性斷裂；中心芯線的斷口較為平齊，表面為扭轉(zhuǎn)形態(tài)的剪切窩形貌，從其形貌判斷，中心芯線受到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用導(dǎo)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(rèn)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(dǎo)線的結(jié)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(dǎo)線連接處是否發(fā)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(yīng)性的特點，分析出了電纜斷裂的失效原因。但在結(jié)果圖中，我們也發(fā)現(xiàn)含聚四氟絕緣層的顯微圖片中出現(xiàn)了異常亮的現(xiàn)象，該白色絕緣層因為導(dǎo)電性差的原因，表面累計了大量負(fù)電子，最終積聚成荷電效應(yīng)，影響整張圖片的拍攝結(jié)果。

Apreo2低電壓超高分辨成像

荷電現(xiàn)象是在掃描電鏡拍攝中經(jīng)常會出現(xiàn)的一種現(xiàn)象，它會影響圖片質(zhì)量，甚至造成無法正常拍攝和樣品漂移等一系列問題。常規(guī)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(biāo)，已越來越廣泛的應(yīng)用于各種場景。

如下圖所示，為導(dǎo)電性極差的高分子涂料和聚乙烯樣品，利用低電壓進(jìn)行拍攝，且樣品表面無需要做任何導(dǎo)電化處理，結(jié)果顯示樣品表面無荷電產(chǎn)生，表面細(xì)節(jié)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(jié)果均采用賽默飛Apreo2場發(fā)射掃描電鏡拍攝。Apreo2場發(fā)射掃描電鏡具有業(yè)內(nèi)較強的低電壓超高分辨性能，搭配雙引擎模式，分辨率可達(dá)到0.8nm（1kV），可以呈現(xiàn)材料最表面的真實形貌襯度，同時兼具高質(zhì)量成像和多功能分析性能于一體，是科研和生產(chǎn)質(zhì)控不可少的理想分析平臺。

賽默飛場發(fā)射掃描電鏡Apreo 2

參考文獻(xiàn)：

1. 劉偉亮,從電纜斷裂看連接器失效預(yù)防.

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