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1、扫描电镜法进行导线熔痕鉴别判定的原则 【摘 要】 对于电气火灾的原因鉴定，通常要对火灾现场提取的火灾残留物进行分析。扫描电镜法作为一种新的物证分析方法，常用于对残留物进行微观形貌分析。在电气火灾中，导线的熔痕是一种非常重要的证据，通过扫描电镜对导线熔痕进行观察分析，从而推断出火灾发生的一些相关信息。为了方便相关人员使用扫描电镜法对导线熔痕与相关火灾信息进行推理分析，提高分析速度，本文总结了使用扫描电镜法进行导线熔痕观察分析时需要遵循的一些原则。 【关键词】 扫描电镜 电气火灾 短路 熔痕 1 引言 在现代社会，电能是人类生产和生活的重要能源。但是由于多种因素的影响，每年重大电气火灾事故的数量在
2、不断上升，这已成为社会关注的重要问题。在我国，对火灾按起火原因进行分类，电气火灾一般是指由电气线路、用电设备、器具以及供配电设备发生的故障，并且释放高温、电弧、电火花等热能，在具备燃烧条件下引燃本物体或其他可燃物而造成的火灾。厂房或车间是重大电气火灾的多发场所，其次是商场商店和住宅；再次是娱乐建筑、饭店、办公房和汽车等。 扫描电镜法是利用扫描电子显微镜对火灾现场中遗留物的痕迹进行检验、观察和分析，根据其微观形貌特征，鉴别火场中残留物的熔化性质和形成原因的一种方法。扫描电镜作为一种大型现代化仪器，对物证痕迹检验火灾原因鉴定工作来说，它的一大特点是能够对极微小的样品进行形态观察，放大倍数连续可调，
3、最高达数十万倍，几乎对现场发现和提取的所有微量检材，都可以检验。扫描电镜的另一个特点是不会对检材检材破坏，图像分辨率高、景深大、图像清楚等，利用这些特点，对火灾现场中遗留物的痕迹可在保证其残留物痕迹完整的情况下，直接对样品的微观形貌进行观察分析，解决了对不便制取金相样品的微小痕迹、喷溅痕迹、断口痕迹等的检验，对电气火灾原因鉴别工作起到一定的重要作用。 2 电气火灾中的熔痕 熔痕是指铜铝导线在外界火焰或短路电弧高温作用下形成的圆状、凹坑状、瘤状、尖状及其他不规则的微熔及全熔痕迹。不同的熔痕有着不同的形成过程，因此，对不同的熔痕进行研究分析，可以判定出电气火灾的具体原因以及形成过程。 3 扫描电镜
4、法导线熔痕鉴别判定原则 3.1 不同熔痕样品观察部位的确定 （1）对于电线电缆熔痕，由于其外表面形貌特征对于鉴别一次和二次短路熔痕并不明显， 应重点观察其内部组织结构和孔洞形貌特征。将熔珠与基体（杆） 的衔接处（过渡区）通过技术处理使之断开，分别观察熔珠断面和杆端断面形貌特征。 （2）对于接插件和接地金属构件（如金属框架、套管等）的熔痕，重点观察表面熔化区形貌特征。 （3）对于照明灯具中用钨丝作为发光体的白炽灯等， 应重点观察导丝熔痕和玻璃壳内表面的金属粘附物的形貌特征。 （4）对于熔断器绝缘底座或套管、刀闸开关等，应重点观察熔体喷溅痕迹的形貌特征。 （5）对于电阻器残痕， 应重点观察表面金属
5、膜断裂和烧伤痕迹等形貌特征。 3.2 2.5mm2单芯聚氯乙烯绝缘铜铝导线的判定1 （1）一次短路的铜铝导线微观形貌。一次短路的铜导线熔痕表面呈卵形花样，有气孔，气孔大而疏，分散均匀，呈圆形且有光泽；一次短路的铝导线熔痕表面呈抛物线卵形花样，暗灰色，气孔排列细密，比较规则，无集中缩孔，气孔内壁比较平滑，很少有粗糙的纹迹。 （2）二次短路的铜铝导线微观形貌。二次短路的铜导线熔痕表面粗糙，有明显的凹凸差别，气孔大小不一，数量较多，有的大气孔内有小气孔，气孔边缘坡度较缓，有平行花纹，气孔较深；二次短路的铝导线熔痕表面呈窝状花样，浅灰色，光泽较强，气孔大小不均匀。 （3）火烧后的铜铝导线微观形貌。火烧
6、后的铜导线熔痕表面无明显变化，表面平整，有少量块状物，无气孔，有熔化痕迹，光泽性不强，原始组织的加工方向性仍然可以看到，有大量较小的再结晶颗粒，局部呈网格状花样；火烧后的铝导线熔痕表面处可以清晰地见到丘陵状和线状，有极少块状物，表面平整，无气孔。 （4）对电热丝的判定。 A正常使用的电热丝微观形貌。正常使用的电热丝表面有明显的沟槽状纵向加工划痕，其上光滑平整，无颗粒状物质和凹坑，颜色略微发白。 B通电过热的电热丝微观形貌。通电过热的电热丝熔痕表面沿沟槽状的纵向加工划痕方向出现了一些白色的絮状物，并呈均匀分布，其中部分以片状形态出现，局部出现凹坑和凸起。 C火烧后的电热丝微观形貌。火烧后的电热丝
7、熔痕表面纵向加工划痕已经被一层厚厚的颗粒状物质所覆盖，并且部分已脱落，粗糙且凹凸不平，表面颗粒粗大，松散，杂乱无章。 3.3 对2.5mm2单芯聚氯乙烯铝导线和6mm2单芯聚氯乙烯铝导线熔珠断面和基体端断面的判定2 （1）一次短路铝导线熔珠断面和基体端断面的微观形貌。一次短路铝导线熔珠断面和基体端断面呈蜂窝状，暗灰色，缺乏光泽，气孔均匀、细密。气孔内壁比较平滑，很少有粗燥的纹迹，熔珠外表面比较平滑，有小坑洞。 （2）二次短路铝导线熔珠断面和基体端断面的微观形貌。二次短路铝导线熔珠断面和基体端断面窝状花样，浅灰色，光泽较强。气孔大小不均匀，气孔的数量明显增多，有的大孔内有小孔。二次短路熔珠在高倍
8、像中，气孔内壁相当粗糙并有龟纹、条纹等纹迹出现。熔珠外表面比较粗糙，有一层灰色氧化铝膜，有麻点和小坑。 （3）火烧熔痕熔珠断面和基体端断面的微观形貌。火烧熔痕的微观形貌特征为熔珠断面和基体（杆）端断面可以清晰地见到丘陵状和线状，有极少块状物，光泽性不强，高倍像中可以见到突起的丘陵形状，表面光滑无气孔。熔珠外表面形态比较平整，无坑洞。 一次短路在高温作用后，对其熔珠断面进行微观形貌分析。其微观形貌特征为熔珠断面呈蜂窝状，呈暗灰色，无光泽，气孔均匀、细密。高倍图像下，气孔内壁比较平滑，很少有粗糙的纹迹和在正常环境下的一次短路的特征很相似。 3.4 对2.5mm2单芯聚氯乙烯铜导线熔珠和根部断面气孔
9、分布的判定3，4，7 （1）一次短路熔痕根部断面和熔珠气孔分布情况。一次短路熔痕根部断面存在分布密集，大小均匀细密的气孔特征。一般情况下，熔珠断面分布气孔较多、较均匀、细密，每个气孔的表面积差异不大，小孔洞（指直径小于90m气孔和缩孔）总面积约占熔珠横截面80%，高倍像观察气孔内壁和底部较光滑细密，缩孔的大小与气孔相差不多，形状也较规则。有时熔珠根部断面气孔可能出现大小不一，分布不均匀的特征，但是，这种情况较少出现（这是由于碳化物对铜液具有较大的扰动作用），因此出现气孔体积大，数量少的分布特征。 （2）二次短路熔痕根部断面和熔珠气孔分布情况。二次短路根部熔痕根部断面出现大气孔内部有小气孔。多个
10、气孔重叠。可能出现大的缩孔。有较大气孔出现。有时出现了整个断面上只有几个大气孔的情况。 二次短路熔珠断面呈现孔洞较少，分布不均匀，无论是气孔还是缩孔表面积明显变大，大孔洞（指直径大于90m气孔和缩孔） 总面积约占熔珠横截面的71%，形状也不规则，还会观察到大气孔内分布着多个小气孔的现象。高倍像观察气孔内壁和底部不光滑、粗纹较多。特别是个别熔珠断面仅会出现几个大缩孔或大气孔。 3.5 从晶粒大小判断火灾温度、电流大小和短路前后温度变化情况 根据晶粒度的大小便可以推断某部位的受热温度或温度范围，从而给判断起火部位和确定起火点提供依据。 （1）火烧熔痕的晶粒大小、等级与相关部位加热温度的关系5。 直
11、径为2.5mm2的紫铜材质单芯聚氯乙烯铜导线火烧熔痕，从室温到200之间，晶粒大小没有明显变化，都是6um左右，晶粒等级为11.5级； 从200到500之间平均晶粒直径缓慢长大； 当超过600后，平均粒径迅速增大，从12.5um变为38um，晶粒粒等级从9.9变为6.5； 超过熔点1083，金属导线表面开始熔化，产生了较大圆颗粒Cu2O，边缘呈毛刺状，此时的晶体颗粒平均粒径为20um。 该条件下火烧熔痕的晶粒大小、等级与相关部位加热温度的关系曲线见图1。 （2）晶粒大小、等级关系与一次短路熔痕电流大小的关系。 直径为2.5mm2的紫铜材质单芯聚氯乙烯铜导线一次短路熔痕，粒径大小随着短路电流的增
12、大而增大，每种电流对应的晶粒直径分布如下： 60A时，粒径主要分布在l-2um之间，少数分布在2-7.5um之间。 100A时，粒径集中分布在1-3um之间，少数在3-6.2um之间。 160A时，粒径集中在3-5u之间，少数分布在1-3或5-13um之间。 180A时，粒径集中分布在5-15um之间，有少数分布在3-5或15-47um之间。 190A时，大部分粒径直径分布在5-20um之间，有少数分布在20-63um。 200A时，粒径集中在10-30um之间，有少数分布在7-10或30-77um之间。 1.5mm2铜导线一次短路的电流值越大，形成的熔痕晶粒就越粗大，但电流到达200A以上之
13、后，熔痕晶粒直径反而会减小。 电流与平均粒径、晶粒等级关系见图2。 （3）晶粒大小与一次短路导线熔痕经历火场加热温度的变化关系。 当一次短路导线熔痕在火灾环境中继续受高温作用时，熔珠细小的树枝晶、柱状晶或胞状晶逐渐长大，而变成粗大的树枝晶、柱状晶或胞状晶，有的看起来像等轴晶，与铜导线的火烧熔痕的金相组织结构接近。 此时一次短路与火烧熔痕的定性区别在于：有细小的柱状晶的痕迹存在大的晶界内，过渡区较明显。 直径为2.5mm2的紫铜材质单芯聚氯乙烯铜导线在200A下经一次短路熔痕未经历火场高温时，平均粒径为19.145um，加热400，600、800、1000后的平均粒径分别为9.55um、21.1
14、4um、27.73um、33.29um，呈先减少再增大的趋势。当超过熔点后，晶粒平均粒径减低为19.98um。晶粒大小与一次短路熔痕经历高温火场温度的关系见图3。 3.6 孔洞与短路熔痕类别的关系 （1）孔洞百分数：1）直径为2.5mm2的紫铜材质单芯聚氯乙烯铜导线短路熔痕内部所有孔洞占熔痕区域面积百分数为5%以下，符合一次短路物证特征6；2）百分数为50%以上，符合二次短路物证特征；3）百分数为5%50%之间时，该参数对于区别一次短路和二次短路没有显性特征。 （2）气孔最大直径：直径为2.5mm2的紫铜材质单芯聚氯乙烯铜导线短路熔痕的内部气孔的最大直径大于300微米时，符合二次短路物证特征7
15、。 最大直径在300微米以下时，该参数对于区别一次短路和二次短路没有显性特征。 4 结语 电气火灾原因分析鉴定人员根据以上判定原则对火灾原因行进推理分析，可有效提高分析的高效性和结论的科学性，有力地推进了社会的火灾预防与火灾原因鉴定分析工作。 参考文献： 1武巍，胡双启.电气火灾残留物的SEM分析方法研究.中国安全生产科学技术，2010年8月第6卷第4期. 2覃萍.铝导线短路熔痕的微观形貌实验分析.广西民族大学学报（自然科学版），2006年9月. 3王芸.铜导线一次短路熔珠气孔分布特征定量分析研究.电子显微学报，2011（3）143-146. 4杨晓红，孟广伊，刘光芝.一、二次短路铜熔珠微观形态特征比较研究.材料科学，2012年，17卷2期. 5韦媚媚.电气火灾导线熔痕实验和金相分析.中山大学硕士论文，2010. 6张明
