火燒環(huán)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(xué)院刑事科學(xué)技術(shù)學(xué)院，南京 210023； 2.公安部物證鑒定中心，北京 100038； 3.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，南京 210094； 4.安徽弘雷金屬?gòu)?fù)合材料科技有限公司，宣城 242000)

線纜作為重要的傳輸介質(zhì)已被廣泛應(yīng)用于民用建筑、工業(yè)廠房、核電站、航空航天等領(lǐng)域。其中，銅因其良好的導(dǎo)電性，被用作電力、通信等領(lǐng)域中的常用線纜，在生活中起著重要的作用，現(xiàn)代生活工業(yè)化和科技化的快速發(fā)展也帶來(lái)了銅導(dǎo)線應(yīng)用的快速增長(zhǎng)。近年來(lái)，由于生產(chǎn)、生活用電而導(dǎo)致的電氣火災(zāi)呈多發(fā)趨勢(shì)，對(duì)人身安全和社會(huì)安定帶來(lái)了嚴(yán)重的影響和破壞。此類火災(zāi)有意外也有人為案件，現(xiàn)場(chǎng)多見(jiàn)線纜燃燒痕跡，為準(zhǔn)確判別起火原因，則需對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行縝密的勘查與分析[1-3]。

導(dǎo)線熔痕分析是查找火災(zāi)事故原因的重要方法之一。目前，關(guān)于電氣火災(zāi)的研究主要集中在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)宏觀燃燒痕跡分析、易磁化金屬材料的剩磁檢測(cè)以及采用金相分析和掃描電鏡分析等方法對(duì)金屬材料微觀組織結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究，在此基礎(chǔ)上，建立了一次短路熔痕、二次短路熔痕、火燒熔痕、過(guò)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(jù)[4-5]。Wright等[6]綜合比較了單芯和多股銅導(dǎo)線在過(guò)電流故障中形成熔融痕跡宏觀特征的異同；Fujita等[7]針對(duì)航空航天器中的纜線在微重力環(huán)境下的絕緣層燃燒特征開(kāi)展了試驗(yàn)研究；徐娜等[8]通過(guò)開(kāi)展模擬試驗(yàn)制備了銅導(dǎo)線火燒熔痕、一次短路熔痕和二次短路熔痕，并對(duì)其微觀形貌特征進(jìn)行了比較分析；王博等[9]采用高速攝影和金相分析法對(duì)單芯銅線的過(guò)電流故障開(kāi)展了研究，分析了過(guò)電流導(dǎo)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(xué)和電性能測(cè)試等技術(shù)方法研究了4種電纜常用軟銅線的微觀組織和力學(xué)、電性能；楊文兵等[11]通過(guò)開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)火前短路熔痕和火后短路熔痕間的形態(tài)差異進(jìn)行了研究，分析了熔痕特征與環(huán)境特征間的關(guān)系，為鑒定提供了依據(jù)；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(jì)算方法，并對(duì)銅與銅包鋁接地線纜短路熔斷特性開(kāi)展了試驗(yàn)研究；吳冰冰等[13]針對(duì)某重型汽車空調(diào)散熱器風(fēng)扇電機(jī)燒毀事故，綜合采用金相分析和掃描電鏡對(duì)電機(jī)銅線的宏、微觀形態(tài)開(kāi)展了研究，并利用模擬實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)了燒毀過(guò)程。因此，在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)、提取導(dǎo)線類痕跡物證，對(duì)于火災(zāi)原因的判定具有重要意義。

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研不難發(fā)現(xiàn)，到目前為止，關(guān)于電氣火災(zāi)的研究主要集中于城市電氣火災(zāi)的起火原因分析、火災(zāi)痕跡物證技術(shù)及其鑒定方法研究等方面[14-15]?，F(xiàn)重點(diǎn)關(guān)注戶外火災(zāi)，以常見(jiàn)的銅纜線為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)并開(kāi)展燃燒實(shí)驗(yàn)制備銅纜線燃燒試樣，綜合采用體視顯微鏡、掃描電鏡對(duì)燃燒痕跡的宏、微觀形貌特征進(jìn)行觀察分析，討論線纜規(guī)格尺寸、有無(wú)絕緣層和燃燒溫度等因素對(duì)燃燒痕跡特征的影響，為此類火災(zāi)起火原因的分析提供判斷依據(jù)。此部分研究工作還涉及燃燒學(xué)、材料學(xué)、金屬微觀組織結(jié)構(gòu)學(xué)和痕跡檢驗(yàn)與鑒定等學(xué)科，以期對(duì)促進(jìn)多學(xué)科的交叉與應(yīng)用提供重要的理論支撐。

1 燃燒實(shí)驗(yàn)

為研究不同類型銅纜線在火燒環(huán)境中的宏/微觀痕跡特征，討論絕緣層有無(wú)、燃燒溫度等對(duì)燃燒痕跡特征的影響，設(shè)計(jì)并開(kāi)展銅纜線燃燒實(shí)驗(yàn)。

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用不同規(guī)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(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套銅芯電力電纜)，二者具有相同的規(guī)格尺寸，其截面積分別為10、25和50 mm2，具體規(guī)格尺寸見(jiàn)表1。

表1 不同規(guī)格銅纜線Table 1 Copper cables with different specifications

1.2 實(shí)驗(yàn)開(kāi)展

銅的熔點(diǎn)約為1 083.4 ℃，若要將其燃燒斷裂需足夠高的溫度，且持續(xù)作用一定時(shí)間。在前期預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同規(guī)格的銅纜線，利用高溫氧氣焊槍作為燃燒源，模擬火場(chǎng)環(huán)境；線纜截取適當(dāng)長(zhǎng)度(約40 cm)置于槽型支架上。通過(guò)改變氣體組分比例以及與纜線間的距離來(lái)控制作用區(qū)域溫度的變化，進(jìn)而制備不同燃燒溫度下的銅纜線燃燒殘留物，同時(shí)采用接觸式熱電偶和便攜式紅外測(cè)溫儀對(duì)中心作用區(qū)域的溫度值進(jìn)行測(cè)量，獲得溫度隨時(shí)間變化曲線。圖1給出了燃燒實(shí)驗(yàn)典型過(guò)程。可以看出，由于銅的熔點(diǎn)較高，其在燃燒過(guò)程中發(fā)生了明顯的焰色反應(yīng)。

圖1 典型實(shí)驗(yàn)過(guò)程Fig.1 Typical experimental process

2 銅纜線燃燒特性

為獲得不同規(guī)格銅纜線在火焰持續(xù)燃燒作用下的熔斷溫度，分別采用熱電偶和紅外測(cè)溫儀對(duì)燃燒中心溫度進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，每隔5～10 s記錄溫度值，直至線纜被完全燒斷。針對(duì)每種規(guī)格的銅線纜分別進(jìn)行4～6組平行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理，進(jìn)而獲得不同工況下平均溫度隨時(shí)間變化曲線，見(jiàn)圖2。

可以看出，對(duì)于不同規(guī)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(xiàn)出線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，具有較高的溫升率，平均提高了約303.9%。當(dāng)溫度達(dá)到峰值后(974.3～1 098.3 ℃)，銅纜線燃燒斷裂。

為進(jìn)一步研究不同規(guī)格銅纜線在燃燒環(huán)境中的耐高溫極限，對(duì)實(shí)驗(yàn)中銅纜線的熔斷溫度和時(shí)間進(jìn)行記錄，以及不同規(guī)格銅纜線的平均熔斷溫度如圖3所示。通過(guò)對(duì)圖3中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可得，幾組不同規(guī)格銅纜線的熔斷溫度平均值均在銅的熔點(diǎn)值附近。

綜合比較圖2和圖3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得知，對(duì)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(dá)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?yàn)榻^緣層材料在達(dá)到其燃點(diǎn)后發(fā)生的燃燒產(chǎn)生了一定的熱量，此部分熱量積累提高了實(shí)驗(yàn)所測(cè)溫度，但對(duì)于銅纜線材料而言，當(dāng)溫度達(dá)到其熔點(diǎn)時(shí)即發(fā)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(duì)于不同規(guī)格的裸銅纜線，在所研究的3種規(guī)格中，隨著纜線截面尺寸的增加，其燃燒過(guò)程中達(dá)到的溫度極值也不斷提高；同時(shí)，不同規(guī)格銅纜線的熔斷溫度總體上也與其截面尺寸成正比關(guān)系。

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

圖3 不同規(guī)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(jī)械痕跡[16]。通過(guò)觀察圖1中實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以看出，銅纜線在持續(xù)燃燒過(guò)程中由高亮的橘黃色變至綠色，發(fā)生明顯的焰色反應(yīng)，直至纜線熔融斷裂，這主要是在富氧環(huán)境中燃燒所致。在此類電氣火災(zāi)中，銅纜線在高溫作用下易形成熔珠，在燃燒實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)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(nèi)至外逐層發(fā)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(shù)量和體積受燃燒條件影響明顯。通過(guò)進(jìn)一步觀察冷卻后的纜線斷口可以看出，受絕緣層的保護(hù)，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(duì)于裸露且遠(yuǎn)離燃燒中心的纜線，其表面主要?dú)埩粲薪^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(fā)生了較明顯的分離。

對(duì)于裸銅線而言，由于沒(méi)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(hù)作用，處在燃燒中心的裸銅線受熱更加集中，短時(shí)間內(nèi)發(fā)生熔化，同時(shí)，由于纜線力學(xué)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?；馃壑榻?jīng)歷了由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)再冷卻為固態(tài)的過(guò)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(dāng)纜線尺寸較小時(shí)，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(shí)纜線熔斷頭部熔化增粗明顯。由于燃燒區(qū)域相對(duì)集中，銅纜線的熔化范圍一般較小，熔化區(qū)和非熔化區(qū)無(wú)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?zé)g孔洞和局部拉伸變形，與上述關(guān)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(xì)節(jié)形貌Fig.6 Typical detail melting morphology of copper cables

通過(guò)上述分析可以看出，絕緣層的存在對(duì)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(huì)形成圓狀、凹坑狀、瘤狀、尖狀及其他不規(guī)則的微熔及全熔痕跡[17]?；谏鲜龊暧^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(tǒng)研究上述痕跡的微觀特征，進(jìn)一步采用掃描電鏡對(duì)其顯微形態(tài)開(kāi)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(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，多股細(xì)銅線在高溫作用下發(fā)生熔化，經(jīng)冷卻后粘連為一整體，增粗明顯。在此過(guò)程中，銅線經(jīng)歷了由固態(tài)到液態(tài)再到固態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程，經(jīng)過(guò)充分的氧化還原反應(yīng)，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(chǎn)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(jù)此，可從微觀形貌維度判斷現(xiàn)場(chǎng)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(tài)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(chǎng)環(huán)境有著重要的關(guān)聯(lián)，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(jié)構(gòu)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(huán)境中燃燒生成黑色的氧化銅，而在該燃燒實(shí)驗(yàn)中，由于局部中心溫度可達(dá)千余攝氏度，在高溫的持續(xù)作用下則生成紅色的氧化亞銅薄膜。進(jìn)一步采用掃描電鏡觀察熔珠表面微觀結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，熔珠存在明顯的再結(jié)晶現(xiàn)象，在固-液-固轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，晶格經(jīng)歷了分離、再形成和成長(zhǎng)的過(guò)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(tài)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(jié)構(gòu)特征如圖9所示?？梢钥闯?，多股細(xì)銅線熔斷面形成顯著的尖狀熔痕，在銅纜線經(jīng)歷了燃燒熔融-冷卻凝固的過(guò)程后，熔痕逐步凝結(jié)，并在自身的重力作用下形成典型的尖狀結(jié)構(gòu)；相較于含絕緣層銅纜線，由于沒(méi)有絕緣層材料的黏結(jié)作用，二者無(wú)論是形態(tài)還是體積大小均具有較大差異。通過(guò)體視顯微鏡可觀察到，裸銅線熔痕表面結(jié)構(gòu)具有典型的熔化再凝結(jié)特征，有熔化流動(dòng)形成的位錯(cuò)痕，整體質(zhì)地致密，外觀呈黑色，應(yīng)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(guò)渡區(qū)不明顯，呈現(xiàn)出沿著熔斷方向逐漸增粗的趨勢(shì)。進(jìn)一步采用掃描電鏡觀察熔痕表面的結(jié)構(gòu)可以看出，經(jīng)過(guò)多股銅線的熔化-粘連-冷卻凝固的變化過(guò)程，熔痕表面仍保持致密的結(jié)構(gòu)特征，以等軸晶和樹(shù)枝晶為主，表面總體光滑，無(wú)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(jié)構(gòu)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(zhì)金屬本色，其表面較光滑且平整，伴有少量燃燒附著物。進(jìn)一步放大觀察可以看出，熔珠表面微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出典型的纖維狀特征，主要是因?yàn)楦邷刈饔孟滦纬傻娜壑樵诶鋮s后，尚處在未完全退火狀態(tài)，形成明顯的纖維狀組織，主要以等軸晶為主，該特征較為穩(wěn)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(tài)Fig.10 Typical microscopic morphology of melted bead of bare copper cables

5 結(jié)論

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

(1)在火場(chǎng)環(huán)境中，對(duì)于相同規(guī)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(duì)于不同規(guī)格的銅纜線，一般來(lái)說(shuō)，隨著纜線截面尺寸的增加，其燃燒過(guò)程中達(dá)到的溫度極值也不斷提高；同時(shí)，不同規(guī)格銅纜線的熔斷溫度總體上也與其截面尺寸成正比關(guān)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(huì)降低纜線的集束性，使其更加分散。