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電鏡應用|掃描電鏡在電纜失效分析中的應用

來源:北京歐波同光學技術有限公司   2024年12月20日 10:24  

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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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

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參考文獻:

1. 劉偉亮,從電纜斷裂看連接器失效預防.


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