电镜应用|扫描电镜在电缆失效分析中的应用

2024-12-06 13:30:20, 创新研究中心北京欧波同光学技术有限公司

电连接器在电气系统中主要应用在电信号的传输。复杂的电信号系统由成千上万个连接器组成。每个连接器的好坏优劣直接影响整个系统的功能实现，所以连接器失效造成的影响很大，当一根电缆出现失效后需要从连接器到线缆逐一排除问题，发现根源，进而规避失效电缆的出现。

案例一

扫描电镜作为材料显微分析的重要工具，广泛应用于电缆的失效分析。如下图Ａ电缆，导线在连接器焊点处发生断裂。显微镜下对断口进行观察，断口表面存在金属光泽，断口附近未见机械损伤及腐蚀痕迹，断口宏观形貌如下图所示。

图1：电缆断口宏观形貌

为了进一步分析失效原因，使用扫描电镜对导线的断口进行观察，发现断口较为平齐，其中２根芯线断口表面存在明显的缩颈现象，断口的终断区为韧窝形貌，其余10根芯线断口表面较为平齐，且断口从两侧起源向中部扩展，中部终断区为韧窝形貌，局部有疲劳条带存在，从断口形貌判断，存在明显缩颈现象的芯线断口应为塑性断裂，其余断口为疲劳断裂，断口微观形貌如下图所示。

图2：电缆断口微观形貌

通过扫描电镜的观察与分析，可得出结论：导线断裂的原因是导线在使用过程中受到交变应力作用引起10根芯线产生疲劳断裂，剩余２根芯线受外力作用而产生塑性断裂，整个断裂过程为顺序断裂。

案例二

Ｂ电缆在使用过程中，内部同轴电缆的屏蔽层及芯线均出现开路现象，进行Ｘ射线检查，发现电缆在一侧插头根部附近断裂，对电缆断裂原因进行分析。

采用显微镜对内部进行观察，发现内部的中心芯线与屏蔽网之间存在一层白色聚四氟绝缘层，屏蔽断裂位置的聚四氟绝缘层已经拧成麻花状，电缆内部形貌如下图所示。

图3：电缆内部形貌

利用扫描电子显微镜下对断口进行观察，发现屏蔽网芯线的断口均存在明显的缩颈现象，且中部终断区为韧窝形貌，从断口形貌判断，屏蔽网应为受到外力作用产生塑性断裂；中心芯线的断口较为平齐，表面为扭转形态的剪切窝形貌，从其形貌判断，中心芯线受到扭转应力作用导致中心芯线扭断，断口微观形貌如下图所示。

图4：中心芯线断口微观形貌

通过上述两个案例，作者(参考资料1)认为电缆功能失效问题，除去连接器和线的本身因素以外，在连接器和导线的结合处失效情况居多，并且问题可能是多方面，因此在连接器制成电缆后，在用连接器对插到仪器或是其他电缆上完成测试或是试验时，要注意连接器与导线连接处是否发生较劲弯曲等情况。例如上述两种电缆断裂失效分别是疲劳断裂加顺序断裂、拧断两个方面造成。

作者利用扫描电镜高分辨、大景深和广适应性的特点，分析出了电缆断裂的失效原因。但在结果图中，我们也发现含聚四氟绝缘层的显微图片中出现了异常亮的现象，该白色绝缘层因为导电性差的原因，表面累计了大量负电子，最终积聚成荷电效应，影响整张图片的拍摄结果。

Apreo2低电压超高分辨成像

荷电现象是在扫描电镜拍摄中经常会出现的一种现象，它会影响图片质量，甚至造成无法正常拍摄和样品漂移等一系列问题。常规解决荷电问题有三种方法，分别是喷金、低真空和低电压，前两种更适合对样品要求不高，低倍的样品拍摄，而低电压作为衡量高性能扫描电镜的成像指标，已越来越广泛的应用于各种场景。

如下图所示，为导电性极差的高分子涂料和聚乙烯样品，利用低电压进行拍摄，且样品表面无需要做任何导电化处理，结果显示样品表面无荷电产生，表面细节清晰。