PDF《第1 8卷第1期》

第18卷 第1期2009年

1 月火灾科学FI RE S AFETY S CI ENCE Vo

1 .

1 8, No.

1 J a n .2

0 0

9 文章编号:

1 0

0 4 -

5 3

0 9 (

2 0

0 9 ) -

0 0

3 9 -

0 6 利用SEM―E D S分析火场中白炽灯 灯 丝通 电状态 支援,王平,刘义祥 , 胡建 国(中国人民武装警察部队学院 , 河北廊坊

0 6

5 0

0 0) 摘要 : 该 文模拟 火灾现 场 中白炽灯破 坏的不 同情 况, 制备普通 白炽灯在不 同状 态下破 坏 的灯 丝残骸试样 , 利 用扫描 电子显微镜一 x射 线能谱仪 分析 灯丝残骸表面的微观形貌及其元 素组成含 量.研 究发现 , 通 电状 态下被破坏 的白炽 灯灯丝表面与未通 电破坏状 态下灯 丝表 面的元 素成 分差 异较 大.经过 高温或 烟 熏的作 用, 灯 丝表 面成分 也有 变化.鉴于不同破 坏条件 下灯丝表 面成分及含量存在 明显的差异 , 可以利 用能谱分析 的方 法判断火场 中 白炽灯的通 电状 态.关键 词:灯丝 ;

通电状 态;

X射 线能谱 分析 ;

火灾 中图分类 号: T U

9 9

8 .

1 2 文献标识码 : A

0 嘴L.B型 扫描电子 显 白炽灯是利用电流通过一条金属丝 ( 通 常是钨 丝) 使其达 到白热化 温度而发光 的一种热光 源, 由 于其工作温度高, 具有一定 的火灾危险性 ….普通 白炽灯在正常点燃照明时, 玻壳 突然受机械力的作 用而破碎 , 如果炽热的灯丝落到燃点较低 的可燃物 表面 , 就有可能使可燃物燃烧 , 导致火灾 J . 在 白炽灯引起 的火灾 的调查 中, 判断 白炽灯在 破坏时的通 电状态 , 是认定 火灾原 因的关键 证据 . 因此 , 在一些火灾的调查 中, 需要判断 白炽灯 的通电 状态 .本文通过利 用扫描 电子显微镜 和 x射线能 谱仪的联用技术 , 分析 白炽灯灯 丝不同种条件下 的 微观形貌和微区成分 , 从而探讨 一种判断火灾 中白 炽灯破坏时的通电状态 的方法 , 这对火灾原因 的准 确认定以及 火灾责任 者的认定都具有 十分重要 的意义.

1 实验部分 E D S

2 1

0 0型 x射线能谱仪 . 实验材料 : 实验所用 白炽灯为东北牌

4 0 W 普通 白炽灯泡 、 沈阳照 明25W普通 白炽灯泡 , 若 干个使 用过或灯丝 自然老化断裂的

2 5 W 普通 白炽灯泡 , 提 取其灯丝作为分析样品.

1 .

2 实验样 品 的制 备 分两组将灯泡在通 电和不通 电状态下打破 , 提 取灯丝残骸.并将灯丝残骸再经过高温或火烧作用 处理后 , 作为样 品进行分析. 采用酒精喷灯模拟火场火焰灼烧作用 , 采用箱 式电阻炉模拟火灾现场的热辐射作用.取灯丝样品 中的一部分分别置人陶瓷坩埚 中在箱式电炉内加热 至8O0℃,然后利用汽油燃烧模拟火灾现场烟熏作 用,待灯丝冷却后分组保存.

2 实验结果 收稿 日期 :

2 0

0 8―

0 9―

0 6 ;

修改日期 :

2 0

0 8―1 0―

3 0 作者简介 : 支援 (

1 9

8 6一) 女,辽宁盘锦人 , 在读硕 士,中国人 民武装警察部 队学 院2007级材 料学研究 生,主要研究方 向为材料 火灾痕迹研究 . 火灾科 学FIRESAFETYSCIENCE第18卷第 1期2.1不通 电状态 下破 坏灯 丝的微 观形 貌及 能谱 图新白炽灯在 常温状态下不通 电的情况下被破 坏,其灯丝可认 为是原始状态 .在扫描 电子显微镜 下观察可以发现原始灯丝呈规则 的螺旋形 , 表面相 对平整光滑 , 灯丝在加 _ T过程 中的金刚石模具拉伸 产生的纵 向规则划痕明显可见 , 如图1(a)所示 . ( a )原始 灯丝的微 观形貌(1

0 0

0 *) W W 一l 一图1(c)和表

1 显示出原始灯丝表面元素为钨元素 . 长时间通电后 , 白炽灯的灯丝仍然保持螺旋状 态,但是灯丝截面已经不是圆形 , 表面产生多个光滑 的小 平面 , 形成 多面体 形状 , 表 面的加 工痕迹 几乎 全 部消 失,如图1(b)所示.图

1 ( d ) 和表 2显示出所 观察的区域内灯丝表面存在钨元素和氧元素 . f b )老化 灯丝的微观 形貌 (1

0 0

0 *) O . | | I | … . , . ~ …… … I J I - . … . . h v ( d )老化灯丝的能谱图图1不通 电状态 下破坏灯 丝的微观形貌和能谱 图Fi g.

1 M i c r o- mo r pho l og y a nd X- r ay EDS ana l ys i s o f t he no- e l e c t r i f ie d i nc a nde s c e nt l amp f il a m e nt 表l原始灯 丝的主要元素含量 Ta bl e

1 Pr i mar y e l e m e nt c on t e nt o f o r i g i na l f il a me nt 表2老化灯 丝的主要元素含量 Ta bl e

2 Pr i ma r y e l e me nt c o nt e n t of a g i ng f il ame n t

2 .

2 通 电状态下打破后灯丝的微观形貌和能谱图 通电状态下破坏的灯丝表面加工痕迹几乎不可 见,灯丝表面均匀覆盖有针状或纤维状 的细小结晶 体,可以明显地 区别 于原始灯丝 , 如图2(a)所示 . 灯丝的个别部位 , 由于生成的晶体较多较长 , 针状晶 体突出于灯丝表面, 形成 了羽状 、 网状 、 放射状的晶 体花纹.当放大倍数较小时, 发现灯丝局部有较大 颗粒状的喷溅产物 , 如图2(b)所示.能谱 图2(c)和表 3显示出在所观察的区域 内灯丝表面存在钨元 素、氧元素和少量的铁元素. V o

1 .

1 8 N o .

1 支援 , 等:利用 S E M― E D S分析 火场中白炽灯灯丝通 电状态

4 1 ( a )灯丝的微 观形貌(1000*) ( b )灯丝的微 观形貌(400*) W

0 h .. ~ … 一..H1Z4S,83IU l

1 lZ

1 1

4 l

5 I

6 l, l H I ZH f c )灯丝的能谱图图2通电破坏灯丝的微观形貌和能谱 图Fig.2Micro-morphologyandX・ r a y EDS a n a l y s i s o f t h e e l e c t r i f ie d i n c a n d e s c e n t l a mp f i l a me n t 表3通电破坏灯丝的主要元素含量 Tab l e

3 Pr i mar y e l e m e nt c ont e n t o f e l e c t r i f ie d f il ame nt

2 3 高温烟熏作用下灯 丝的微观形貌和能谱图

2 .

3 .

1 受 高温烟 熏作 用的原 始灯 丝 的微 观 形貌 和 能谱 图 暴露在空气 中受 到800%高温 烟熏 的原始 灯丝,表面存在氧化痕迹 , 但氧化作用不强烈 , 灯丝表 面光滑均匀 , 灯丝加工痕迹由于氧化作用变浅, 但仍 很容易分辨 , 如图

3 ( a )一( b ) 所示.能谱 图3(c)和表4显示出在所观察的区域内灯丝表面存在钨元素 和少量 的氧元素、 碳元素. 表4受高温烟熏作 用的原始灯丝的主要元素含量 Tab l e

4 Pri mar y e l e m e nt c ont e nt o f or i g i n al f il a m e nt un de r t he e f f e c t o f s mo ke

2 .

3 .

2 受高温 烟 熏作 用的通 电破 坏后 灯丝 的微 观 形貌 和 能谱 图通电破坏的灯 丝在

8 0

0 %高温烟熏作用后 , 表 面的加工痕迹完全消失 , 由光滑变成粗糙不平, 呈现 鳞片状态.表面附着有 网状 的凸起颗粒 , 个别部位 被严重氧化 , 发生龟 裂膨胀 , 两灯 丝间产生粘连 现象,如图

4 ( a ) 所示.灯丝表面均出现一道较深的凹 陷区 , 凹陷区内壁 粗糙 , 呈 断层 状态 , 如图

4 ( b ) 所示.能谱图

4 ( c ) 和表 5显示 出在所观察的区域 内 灯丝表面存在钨元素 、 氧元素、 碳元素和铁元素.

4 2 火 灾科 学FIRESAFETYSCIENCE第18卷 第 1期 ( a )灯丝的微 观形貌(1

2 0

0 *) ( b)灯丝的微 观形貌(500*) W O . … . 一...一1..一CII.d.(c)灯 丝的能谱 图图3受高温烟熏作用的原始灯丝的微观形貌和能谱图 F i g .

3 M i c r o - mo r p h o l o g y a n d X- r a y EDS a n a l y s i s o f t h e i n c a n d e s c e n t l a mp f il a me n t und e r t he e f fe c t o f s m o ke a nd hi gh t e mpe r at u r e ( a ) 灯丝的微观形貌 (

6 0

0 x ) f b ) 灯丝的微观形貌 (

3 0

0 ~ ) ( c )灯丝能谱图图4 受高温烟熏作 用的通电破坏 后的灯 丝的微 观形貌和 能谱 图Fi g .

4 M i c r o- mor pho l o g y a nd X- r a y EDS a na l y s i s of t h e e l e c t r i f ie d i n c an de s c e nt l a mp f il a men t unde r t h e e f fe c t o f s mok e and h i g h t e mpe r a t ur e 表5受高温烟熏作用 的通 电破坏后 的灯丝主要元素含量 T a Me

5 P r i ma r y e l e me n t c o n t e n t o f e l e c t r i f i e d f i l a me n t u n d e r t h e e f f e c t o f s mo k e a n d h i g h t e mp e r a t u r e V o

1 .

1 8 N o .

1 支援 , 等:利用SEM― E D S分析 火场 中白炽灯灯丝通电状态

4 3

3 分 析与讨论

3 .

1 不通 电破 坏灯 丝 的能谱 分析 灯泡处于不通 电状态 时, 灯丝 的温度 与室温相 同, 未经使用的灯丝为加工原始状态 , 其微观形貌代 表了灯丝的加工过程.灯丝是 由金属钨棒经多次拉 拔形成的 , 拉拔后的钨丝绕在钢芯线或钼芯线上 , 使 钨丝形成螺旋形或双螺旋形 结构 J . 由于灯泡 内 部常常被抽成真空或者充满惰性气体 , 所以在 室温 下钨丝发生氧化的机率很小 , 能谱 图显示原始灯丝 的表面成分主要为单质钨. 在长时间的正常使用条件下 , 灯丝会缓慢变细 , 其原因主要有两个方面 , 一个是 水循 环 破坏作用 造成 , 另外一个 由钨本身的物理扩散蒸发性质所致. 其中 水循环 是 由于灯泡抽气时 , 不免有残 留氧气 和水蒸气 , 其 中吸附在灯丝上的水蒸气 , 由于灯丝高 温的作用离解成为氢气 和氧气 , 氧气与钨反应能形 成易蒸发的氧化物, 蒸发脱离钨丝表面 , 游离到温度 较低的灯壳内壁.从灯丝上扩散 出来 的氢气与灯壳 内壁上的氧化钨发生还原反应 , 将氧化钨还原为单 质钨在灯泡内壁沉积.此时生成 的水会再次游离附 着在钨丝表面与钨发生氧化作用 , 而形成类似升华 的循环过程 .这种水循环作 用使氧化物 附着在 灯丝表面 , 通过能谱分析 可以检测 出氧元素.老化 作用仅........