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技術(shù)文章

電鏡應(yīng)用|掃描電鏡在電纜失效分析中的應(yīng)用

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電連接器在電氣系統(tǒng)中主要應(yīng)用在電信號(hào)的傳輸。復(fù)雜的電信號(hào)系統(tǒng)由成千上萬個(gè)連接器組成。每個(gè)連接器的好壞優(yōu)劣直接影響整個(gè)系統(tǒng)的功能實(shí)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(diǎn)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(jī)械損傷及腐蝕痕跡,斷口宏觀形貌如下圖所示。
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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(kuò)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。
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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(gè)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。
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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。
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圖4:中心芯線斷口微觀形貌
通過上述兩個(gè)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(yàn)時(shí),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(gè)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(diǎn),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?yàn)閷?dǎo)電性差的原因,表面累計(jì)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(huì)出現(xiàn)的一種現(xiàn)象,它會(huì)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。
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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(qiáng)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(shí)形貌襯度,同時(shí)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(tái)。

賽默飛場發(fā)射掃描電鏡Apreo 2

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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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