火燒環境中銅纜線燃燒痕跡宏微觀特征

周楠，蔣敬，樊武龍，方雨，陶秋辰

(1.南京森林警察學院刑事科學技術學院，南京 210023； 2.公安部物證鑒定中心，北京 100038； 3.南京理工大學化工學院，南京 210094； 4.安徽弘雷金屬復合材料科技有限公司，宣城 242000)

線纜作為重要的傳輸介質已被廣泛應用于民用建筑、工業廠房、核電站、航空航天等領域。其中，銅因其良好的導電性，被用作電力、通信等領域中的常用線纜，在生活中起著重要的作用，現代生活工業化和科技化的快速發展也帶來了銅導線應用的快速增長。近年來，由于生產、生活用電而導致的電氣火災呈多發趨勢，對人身安全和社會安定帶來了嚴重的影響和破壞。此類火災有意外也有人為案件，現場多見線纜燃燒痕跡，為準確判別起火原因，則需對火災現場進行縝密的勘查與分析[1-3]。

導線熔痕分析是查找火災事故原因的重要方法之一。目前，關于電氣火災的研究主要集中在火災現場宏觀燃燒痕跡分析、易磁化金屬材料的剩磁檢測以及采用金相分析和掃描電鏡分析等方法對金屬材料微觀組織結構形態的研究，在此基礎上，建立了一次短路熔痕、二次短路熔痕、火燒熔痕、過電流熔痕和接插件及線路接頭熔痕等研究方法，為起火原因的判定提供了依據[4-5]。Wright等[6]綜合比較了單芯和多股銅導線在過電流故障中形成熔融痕跡宏觀特征的異同；Fujita等[7]針對航空航天器中的纜線在微重力環境下的絕緣層燃燒特征開展了試驗研究；徐娜等[8]通過開展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，并對其微觀形貌特征進行了比較分析；王博等[9]采用高速攝影和金相分析法對單芯銅線的過電流故障開展了研究，分析了過電流導線電弧熔化痕跡的微觀組織特征；姚大偉等[10]采用金相分析、掃描電鏡分析、力學和電性能測試等技術方法研究了4種電纜常用軟銅線的微觀組織和力學、電性能；楊文兵等[11]通過開展模擬實驗對火前短路熔痕和火后短路熔痕間的形態差異進行了研究，分析了熔痕特征與環境特征間的關系，為鑒定提供了依據；劉寶升等[12]基于Onderdonk算法建立了銅包鋁接地線纜熔斷電流的理論計算方法，并對銅與銅包鋁接地線纜短路熔斷特性開展了試驗研究；吳冰冰等[13]針對某重型汽車空調散熱器風扇電機燒毀事故，綜合采用金相分析和掃描電鏡對電機銅線的宏、微觀形態開展了研究，并利用模擬實驗再現了燒毀過程。因此，在火災現場調查中，準確發現、提取導線類痕跡物證，對于火災原因的判定具有重要意義。

通過文獻調研不難發現，到目前為止，關于電氣火災的研究主要集中于城市電氣火災的起火原因分析、火災痕跡物證技術及其鑒定方法研究等方面[14-15]。現重點關注戶外火災，以常見的銅纜線為研究對象，通過設計并開展燃燒實驗制備銅纜線燃燒試樣，綜合采用體視顯微鏡、掃描電鏡對燃燒痕跡的宏、微觀形貌特征進行觀察分析，討論線纜規格尺寸、有無絕緣層和燃燒溫度等因素對燃燒痕跡特征的影響，為此類火災起火原因的分析提供判斷依據。此部分研究工作還涉及燃燒學、材料學、金屬微觀組織結構學和痕跡檢驗與鑒定等學科，以期對促進多學科的交叉與應用提供重要的理論支撐。

1 燃燒實驗

為研究不同類型銅纜線在火燒環境中的宏/微觀痕跡特征，討論絕緣層有無、燃燒溫度等對燃燒痕跡特征的影響，設計并開展銅纜線燃燒實驗。

1.1 實驗材料

實驗選用不同規格的低壓(1 kV)銅纜線，分為裸纜線和包覆聚氯乙烯絕緣層纜線(交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套銅芯電力電纜)，二者具有相同的規格尺寸，其截面積分別為10、25和50 mm2，具體規格尺寸見表1。

表1 不同規格銅纜線Table 1 Copper cables with different specifications

1.2 實驗開展

銅的熔點約為1 083.4 ℃，若要將其燃燒斷裂需足夠高的溫度，且持續作用一定時間。在前期預實驗的基礎上，針對不同規格的銅纜線，利用高溫氧氣焊槍作為燃燒源，模擬火場環境；線纜截取適當長度(約40 cm)置于槽型支架上。通過改變氣體組分比例以及與纜線間的距離來控制作用區域溫度的變化，進而制備不同燃燒溫度下的銅纜線燃燒殘留物，同時采用接觸式熱電偶和便攜式紅外測溫儀對中心作用區域的溫度值進行測量，獲得溫度隨時間變化曲線。圖1給出了燃燒實驗典型過程。可以看出，由于銅的熔點較高，其在燃燒過程中發生了明顯的焰色反應。

圖1 典型實驗過程Fig.1 Typical experimental process

2 銅纜線燃燒特性

為獲得不同規格銅纜線在火焰持續燃燒作用下的熔斷溫度，分別采用熱電偶和紅外測溫儀對燃燒中心溫度進行連續測試，每隔5～10 s記錄溫度值，直至線纜被完全燒斷。針對每種規格的銅線纜分別進行4～6組平行實驗，通過對數據進行均值化處理，進而獲得不同工況下平均溫度隨時間變化曲線，見圖2。

可以看出，對于不同規格的銅纜線，在燃燒初期階段(含絕緣層銅纜線0～60 s，裸銅纜線提高得更快，約30 s)，溫度快速積累，溫升曲線呈現出線性增長趨勢，具有較高的溫升率，平均提高了約303.9%。當溫度達到峰值后(974.3～1 098.3 ℃)，銅纜線燃燒斷裂。

為進一步研究不同規格銅纜線在燃燒環境中的耐高溫極限，對實驗中銅纜線的熔斷溫度和時間進行記錄，以及不同規格銅纜線的平均熔斷溫度如圖3所示。通過對圖3中實驗數據的分析可得，幾組不同規格銅纜線的熔斷溫度平均值均在銅的熔點值附近。

綜合比較圖2和圖3中的實驗數據可以得知，對于不同類型的銅纜線(含絕緣層/裸線)，含絕緣層銅纜線(JY-L1-25)可達到的燃燒溫度最大值高于裸銅纜線(L-L1-25)的燃燒溫度最大值，提高了約6.9%，而二者的熔斷溫度相差不大，這主要是因為絕緣層材料在達到其燃點后發生的燃燒產生了一定的熱量，此部分熱量積累提高了實驗所測溫度，但對于銅纜線材料而言，當溫度達到其熔點時即發生熔斷，所以直徑相同的兩種類型銅纜線的熔斷溫度相差不大。對于不同規格的裸銅纜線，在所研究的3種規格中，隨著纜線截面尺寸的增加，其燃燒過程中達到的溫度極值也不斷提高；同時，不同規格銅纜線的熔斷溫度總體上也與其截面尺寸成正比關系。

圖2 平均燃燒溫度隨時間變化曲線Fig.2 Curves of average burning temperature and time of copper cables

圖3 不同規格銅纜線熔斷溫度Fig.3 Melting temperatures of copper cables with different sizes

3 銅纜線燃燒痕跡宏觀特征

銅纜線在火燒作用下主要形成熔化痕跡、熔融痕跡和機械痕跡[16]。通過觀察圖1中實驗過程可以看出，銅纜線在持續燃燒過程中由高亮的橘黃色變至綠色，發生明顯的焰色反應，直至纜線熔融斷裂，這主要是在富氧環境中燃燒所致。在此類電氣火災中，銅纜線在高溫作用下易形成熔珠，在燃燒實驗中，也多次形成此類典型熔珠，如圖4和圖5所示。

圖4 含絕緣層銅纜線典型燃燒形貌Fig.4 Typical melting morphology of copper cables with insulation layer

對于含絕緣層銅纜線，絕緣層材料在高溫作用下熔化，具有明顯的燒蝕痕跡，燃燒斷面碳化明顯。對于處在燃燒中心的銅纜線，在高溫火焰的集中作用下，材料由內至外逐層發生熔化，隨著纜線熔化體積的增大，最終在重力作用下滴落形成熔珠，且熔珠數量和體積受燃燒條件影響明顯。通過進一步觀察冷卻后的纜線斷口可以看出，受絕緣層的保護，僅處在燃燒中心的纜線頭部具有明顯的燒蝕痕跡，單根銅線頭部燒蝕熔化痕跡明顯，且因熔化積聚而增粗；對于裸露且遠離燃燒中心的纜線，其表面主要殘留有絕緣層材料的燃燒殘留物，自身變化較小，僅在高溫作用下降低了集束性，芯材發生了較明顯的分離。

對于裸銅線而言，由于沒有絕緣層材料的存在，形成的斷口熔痕更加明顯，其熔化增粗體積也更大。由于熔端銅材料的熔化再粘連，使得纜線整體仍然保持較好的集束性，這也是與含絕緣層纜線的差異之一。由于缺乏絕緣層的保護作用，處在燃燒中心的裸銅線受熱更加集中，短時間內發生熔化，同時，由于纜線力學性能在高溫作用下顯著下降，最終在自身重力的作用下延性下拉，并形成熔珠，如圖5(b)～圖5(d)所示。火燒熔珠經歷了由固態轉變為液態再冷卻為固態的過程，熔珠本身也具有金屬光澤，如圖6(a)所示，熔珠直徑通常為銅線線徑的1～3倍。當纜線尺寸較小時，銅纜線熔化后仍粘連在熔斷頭部，難以形成熔珠，如圖5(a)所示，此時纜線熔斷頭部熔化增粗明顯。由于燃燒區域相對集中，銅纜線的熔化范圍一般較小，熔化區和非熔化區無明顯界限，放大觀察熔痕底部與未燃燒纜線的銜接部分可得，此處材料存在高溫燒蝕孔洞和局部拉伸變形，與上述關于高溫和重力共同作用形成熔珠的分析相一致，典型形貌如圖6(b)所示。

圖6 銅纜線典型燃燒細節形貌Fig.6 Typical detail melting morphology of copper cables

通過上述分析可以看出，絕緣層的存在對銅纜線燃燒斷口形貌特征和纜線整體集束性均存在影響；纜線尺寸也直接影響熔珠的形成，纜線尺寸越大，在燃燒條件下越易形成熔珠。

4 銅纜線燃燒痕跡微觀特征

銅線在外界火焰高溫作用下一般會形成圓狀、凹坑狀、瘤狀、尖狀及其他不規則的微熔及全熔痕跡[17]。基于上述宏觀分析，銅纜線燃燒主要形成熔化痕跡和熔融痕跡，其中熔化痕跡以斷口處粘連、增粗熔痕為主，熔融痕跡以熔珠為主。為系統研究上述痕跡的微觀特征，進一步采用掃描電鏡對其顯微形態開展研究。

圖7給出了含絕緣層銅纜線典型熔斷形貌的微觀結構。可以看出，多股細銅線在高溫作用下發生熔化，經冷卻后粘連為一整體，增粗明顯。在此過程中，銅線經歷了由固態到液態再到固態的轉化過程，經過充分的氧化還原反應，大部分氣體逸出，形成典型的簇狀特征，排列緊密。此外，絕緣層材料在高溫作用下的熔化產物附著在斷口表面，可看出其外觀呈明顯的顆粒狀塊體，雜序排列，其間存在少量氣孔。據此，可從微觀形貌維度判斷現場殘留的纜線是否含有絕緣層。

圖7 含絕緣層銅線熔斷面典型微觀形態Fig.7 Typical microscopic morphology of fused section of copper cables with insulation layer

銅纜線燃燒形貌特征的形成與火場環境有著重要的關聯，由于火焰集中、溫度高，銅線受熱面積小，致其快速熔化，因此，銅線的熔融物快速脫落，凝固成熔珠。含絕緣層銅線燃燒后形成的熔珠顯微結構形貌如圖8所示。熔珠表面較粗糙，呈紅色，與氧化亞銅(Cu2O)顏色一致，究其原因：一般而言，銅在富氧環境中燃燒生成黑色的氧化銅，而在該燃燒實驗中，由于局部中心溫度可達千余攝氏度，在高溫的持續作用下則生成紅色的氧化亞銅薄膜。進一步采用掃描電鏡觀察熔珠表面微觀結構可以發現，熔珠存在明顯的再結晶現象，在固-液-固轉化的過程中，晶格經歷了分離、再形成和成長的過程，最終形成了緊密分布的多邊形晶格。

圖8 含絕緣層銅線熔珠表面典型微觀形態Fig.8 Typical microscopic morphology of melted bead of copper cables with insulation layer

裸銅纜線典型熔斷形貌的微觀結構特征如圖9所示。可以看出，多股細銅線熔斷面形成顯著的尖狀熔痕，在銅纜線經歷了燃燒熔融-冷卻凝固的過程后，熔痕逐步凝結，并在自身的重力作用下形成典型的尖狀結構；相較于含絕緣層銅纜線，由于沒有絕緣層材料的黏結作用，二者無論是形態還是體積大小均具有較大差異。通過體視顯微鏡可觀察到，裸銅線熔痕表面結構具有典型的熔化再凝結特征，有熔化流動形成的位錯痕，整體質地致密，外觀呈黑色，應是其外表附著的黑色氧化銅薄膜。此外，裸銅纜線熔痕端和未燃纜線間的過渡區不明顯，呈現出沿著熔斷方向逐漸增粗的趨勢。進一步采用掃描電鏡觀察熔痕表面的結構可以看出，經過多股銅線的熔化-粘連-冷卻凝固的變化過程，熔痕表面仍保持致密的結構特征，以等軸晶和樹枝晶為主，表面總體光滑，無明顯氣孔和縮孔[18]。

圖9 裸銅線熔斷面典型微觀形貌Fig.9 Typical microscopic morphology of fused section of bare copper cables

裸銅纜線燃燒后形成的熔珠典型結構形貌如圖10所示。可以看出，多股銅線在高溫作用下熔化形成的熔珠依舊保留銅質金屬本色，其表面較光滑且平整，伴有少量燃燒附著物。進一步放大觀察可以看出，熔珠表面微觀結構呈現出典型的纖維狀特征，主要是因為高溫作用下形成的熔珠在冷卻后，尚處在未完全退火狀態，形成明顯的纖維狀組織，主要以等軸晶為主，該特征較為穩定。這也是與含絕緣層銅纜線燃燒形成的熔珠形貌特征的差異所在。

圖10 裸銅線熔珠表面典型微觀形態Fig.10 Typical microscopic morphology of melted bead of bare copper cables

5 結論

采用體視顯微鏡、掃描電鏡對不同規格銅纜線燃燒痕跡的宏、微觀形貌特征進行了觀察分析，討論了線纜規格尺寸、有無絕緣層和燃燒溫度等因素對燃燒痕跡形貌的影響。主要結論如下。

(1)在火場環境中，對于相同規格的銅纜線，相較于裸纜線，絕緣層材料的存在能夠提高纜線燃燒溫度的極值，但二者的熔斷溫度相差不大。

(2)對于不同規格的銅纜線，一般來說，隨著纜線截面尺寸的增加，其燃燒過程中達到的溫度極值也不斷提高；同時，不同規格銅纜線的熔斷溫度總體上也與其截面尺寸成正比關系。

(3)銅纜線在高溫作用下易形成熔珠，熔珠體積受纜線尺寸影響明顯，直徑通常為銅線線徑的1～3倍；裸銅纜線形成的熔珠表面較光滑，具有金屬光澤，而含絕緣層銅纜線形成的熔珠表面具有明顯的聚氯乙烯殘留物；由于裸銅纜線熔端的熔化再粘連，使得纜線整體保持較好的集束性，而絕緣層的存在則會降低纜線的集束性，使其更加分散。