電氣火災中銅導線熔痕的微觀特征

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(1.齊魯工業大學(山東省科學院)，山東省分析測試中心，山東省材料失效分析與安全評估工程技術研究中心，濟南 250014； 2. 香港城市大學物理及材料科學系，香港 999077)

0 引 言

電氣火災是火災案例中的重要類別，年均發生次數占火災總次數的28%，年均因電氣火災造成的損失約占總損失的36%；且電氣火災突發性強，隱蔽性大，難控難防，嚴重危害國家財產和人民生命安全[1-2]。近年來重特大電氣火災事故頻發，造成不良的社會影響[3]。電氣火災原因的鑒定是消防、保險等機構非常關注且長期研究的課題[4]。由于法制意識的增強及火災案件本身所牽涉的關系越來越多，索賠、訴訟等維權行為日益增多，科學、準確地認定火災原因已是必需的程序。

我國在電氣火災痕跡鑒定領域制定了相關標準，具有代表性的鑒定方法主要有宏觀法、成分分析法、剩磁法、金相分析法、掃描電子顯微鏡(SEM)微觀形貌分析法、模擬試驗法等，其中宏觀法和金相分析法是常用的相對可靠的2種方法，但其應用受到環境和樣品條件的限制。2013年實施的GB/T 16840.6-2012《電氣火災痕跡物證技術鑒定方法 第6部分：SEM微觀形貌分析法》在一定程度上彌補了單一金相分析法的缺憾，但是這種方法對熔痕鑒定判據只做了定性的描述，且沒有提供對照圖譜；應用該法開展鑒定工作主要依靠個人經驗。火災熔痕技術鑒定工作屬于交叉小眾學科，之前一直由公安消防內部機構承擔，行業間交流不夠充分。目前，越來越多的社會第三方司法機構參與此項鑒定工作，這就需要對電氣火災熔痕特征進行總結和分析，并給出相應的對照圖譜。為此，作者通過模擬試驗制備了銅導線火燒熔痕、一次短路熔痕和二次短路熔痕，觀察了熔痕的微觀形貌并總結了其特征。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為山東綠燈行電纜有限公司生產的截面積為2.5 mm2的多股聚氯乙烯絕緣銅導線。

將銅導線放入人為點燃的木垛中，經燃燒、熄滅、冷卻形成火燒熔痕。將20 cm長銅導線兩端去掉絕緣皮，一端接在BX1-315型電焊機的電把子上，接通電源后另一端直接點擊接地金屬，產生高溫電弧使銅導線熔化，冷卻后形成一次短路熔痕。取兩根20 cm長的銅導線，將每根銅導線帶絕緣皮的一端擰在一起，另一端均去掉2 cm長絕緣皮以露出芯線，分別接在電焊機的正負極上，接通電源，因絕緣皮的作用線路處于斷路狀態；用汽油噴燈的外焰點燃擰在一起的銅導線部分，使絕緣皮失去絕緣作用，兩根導線突然短路產生電弧，形成二次短路熔痕。

把模擬制備的一次短路熔痕置于SX2-4-13型箱式電阻爐內，加熱到600 ℃保溫30 min，模擬火場高溫作用。

1.2 試驗方法

用酒精清洗試樣表面，將熔痕與基體沿二者的銜接處掰開，在SUPRA型場發射掃描電鏡下觀察熔痕斷口形貌；熔痕斷口經鑲嵌、磨制、拋光、腐蝕后，用Axio Observer.A1m型光學顯微鏡(OM)觀察顯微組織。

2 試驗結果與討論

2.1 火燒熔痕的微觀形貌

由圖1可見，火燒熔痕斷口上基本沒有孔洞。在火災環境中形成熔化痕跡時，在從液態到固態的轉變過程中晶核有一個形成與長大的階段，銅充分地吸收了周圍的氧氣而發生氧化還原反應，大部分的氣體逸出；同時，火災現場的溫度較高，冷卻相對緩慢，凝固過程較長，氣體的溶解時間較充分。因此，火燒熔痕呈現上述微觀形貌特征[5]。

圖1 銅導線火燒熔痕的斷口OM形貌和SEM形貌Fig.1 OM (a) and SEM (b-c) morphology of fracture of fire melted mark of copper wire:(b) at low magnification and (c) at high magnification

2.2 一次短路熔痕的微觀形貌

由圖2可見：銅導線一次短路熔痕斷口上存在明顯的樹枝晶、柱狀晶和共析組織；斷口上的孔洞均勻、細密，形狀為圓或橢圓形,其中能觀察到底部的孔洞是氣孔，形狀不太規則且看起來象中空的孔洞是縮孔[6]，放大后可以看到斷口呈拋物線型卵形花樣。

在由短路造成的火災中，一次短路熔痕在形成以后可能會受到火場高溫的影響。在正常環境下的一次短路熔痕和高溫作用后的一次短路熔痕在微觀形貌上是否有區別，是電氣火災原因鑒定中值得研究的問題。由圖3可見：經600 ℃高溫作用后，一次短路熔痕斷口仍呈拋物線型卵形花樣，孔洞均勻、細密；孔壁光滑，粗糙紋跡甚少，孔洞底部有裂紋，且有的孔洞壁上形成了顆粒狀晶體。從組織形態上看，經600 ℃高溫作用后，一次短路熔痕中仍存在明顯的樹枝晶、柱狀晶和共析組織。綜上，經600 ℃高溫作用后一次短路熔痕的特征與在正常環境下的相似。

在液態銅的凝固結晶過程中，如果冷卻速率足夠慢，大部分溶解的氣體會排出；反之，則有較多的氣體滯留在內部而形成氣孔。一次短路環境中產生的燃燒產物、水蒸氣等物質的含量較少，熔珠純度高，因此一次短路熔痕內部氣孔形成時受雜質的影響小，所得氣孔均勻細密、比較規則。

圖2 銅導線一次短路熔痕的斷口OM形貌和SEM形貌Fig.2 OM (a) and SEM (b-c) morphology of fracture of primary short circuited melted mark of copper wire:(b) at low magnification and (c) at high magnification

圖3 600 ℃保溫30 min后一次短路熔痕的斷口SEM形貌Fig.3 SEM morphology of fracture of primary short circuited melted mark after holding at 600 ℃ for 30 min:(a) oval pattern and (b) granular crystal

圖4 銅導線二次短路熔痕的斷口OM形貌和SEM形貌Fig.4 OM (a) and SEM (b-d) morphology of fracture of secondary short circuited melted mark of copper wire: (b) at low magnification;(c) at high magnification, view 1 and (d) at high magnification, view 2

2.3 二次短路熔痕的微觀形貌

由圖4可知：銅導線二次短路熔痕斷口上的孔洞大小不均，在較大的孔洞內表面上存在小的孔洞，斷口呈蜂窩狀花樣；放大后可見孔洞底部存在平行的條形花紋，內壁上有小的縮孔、卵石狀顆粒和灰塵。從組織形態上看，二次短路熔痕中存在明顯的亞結構即胞狀晶。

二次短路熔痕是通過模擬火災環境而得到的。火災現場溫度較高，銅液的冷卻速率慢、凝固過程長，逸出的氣體相對較多;但火災環境中存在的大量灰塵、雜質、各種燃燒產物以及水蒸氣也會同時進入純銅液中。因此，二次短路熔痕中的氣孔又大又多。

液態金屬在凝固前后會發生體積變化，體積收縮率為3%～5%。在電弧中斷后，液態金屬表面先冷卻凝固，當液態金屬內部凝固時，部分體積收縮未得到補充。因此，無論是一次短路熔痕還是二次短路熔痕，其內部除了有氣孔存在外，均還有部分縮孔存在。一次短路熔痕與二次短路熔痕形成縮孔的機制是相同的，但因二者形成的環境和溫度有所不同，故一次短路熔痕內的縮孔小而少，形狀較規則；二次短路熔痕內的縮孔大而多，形狀不規則。

3 結 論

(1) 火燒熔痕斷口基本沒有孔洞。

(2) 在600 ℃高溫作用前后，一次短路熔痕的微觀特征相似：斷口上存在均勻細密的孔洞，孔洞壁光滑，粗糙紋跡甚少，斷口呈現卵形花樣；從組織形態上看，具有明顯的樹枝晶、柱狀晶和共析組織。

(3) 二次短路熔痕斷口上的孔洞大小不均，在較大的孔洞內表面上存在較小的孔洞，孔洞底部有平行的條形花紋，內壁上存在小縮孔、卵石狀顆粒和灰塵；斷口呈現蜂窩狀花樣；從組織形態上看，具有明顯的亞結構即胞狀晶。