整合材料體積電阻率表面電阻率測試儀

高分子材料的電學(xué)性能是指在外加電場作用下材料所表現(xiàn)出來的介電性能、導(dǎo)電性能、電擊穿性質(zhì)以及與其他材料接觸、摩擦?xí)r所引起的表面靜電性質(zhì)等。zui基本的是電導(dǎo)性能和介電性能，前者包括電導(dǎo)（電導(dǎo)率γ，電阻率ρ=1/γ）和電氣強(qiáng)度（擊穿強(qiáng)度Eb）；后者包括極化（介電常數(shù)εr）和介質(zhì)損耗（損耗因數(shù)tgδ）。共四個(gè)基本參數(shù)。

種類繁多的高分子材料的電學(xué)性能是豐富多彩的。就導(dǎo)電性而言，高分子材料可以是絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體，如表1所示。多數(shù)聚合物材料具有的電絕緣性能，其電阻率高、介電損耗小，電擊穿強(qiáng)度高，加之又具有良好的力學(xué)性能、耐化學(xué)腐蝕性及易成型加工性能，使它比其他絕緣材料具有更大實(shí)用價(jià)值，已成為電氣工業(yè)*的材料。高分子絕緣材料必須具有足夠的絕緣電阻。絕緣電阻決定于體積電阻與表面電阻。由于溫度、濕度對(duì)體積電阻率和表面電阻率有很大影響，為滿足工作條件下對(duì)絕緣電阻的要求，必須知道體積電阻率與表面電阻率隨溫度、濕度的變化。

              表1  各種材料的電阻率范圍

除了控制材料的質(zhì)量外，測量材料的體積電阻率還可用來考核材料的均勻性、檢測影響材料電性能的微量雜質(zhì)的存在。當(dāng)有可以利用的相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，絕緣電阻或電阻率的測量可以用來指示絕緣材料在其他方面的性能，例如介質(zhì)擊穿、損耗因數(shù)、含濕量、固化程度、老化等。表2為高分子材料的電學(xué)性能及其研究的意義。

表2        高分子材料的電學(xué)性能及測量的意義

1    目的要求

固體（液體）體積及表面電阻率測試儀的使用方法和實(shí)驗(yàn)原理。

測出高聚物樣品的體積電阻率及表面電阻率，分析這些數(shù)據(jù)與聚合物分子結(jié)構(gòu)的內(nèi)在。

2    原理

2.1  名詞術(shù)語

1） 絕緣電阻：施加在與試樣相接觸的二電極之間的直流電壓除以通過兩電極的總電流所得的商。它取決于體積電阻和表面電阻。

2） 體積電阻：在試樣的相對(duì)兩表面上放置的兩電極間所加直流電壓與流過兩個(gè)電極之間的穩(wěn)態(tài)電流之商；該電流不包括沿材料表面的電流。在兩電極間可能形成的極化忽略不計(jì)。

3） 體積電阻率：絕緣材料里面的直流電場強(qiáng)度與穩(wěn)態(tài)電流密度之商，即單位體積內(nèi)的體積電阻。

4） 表面電阻：在試樣的某一表面上兩電極間所加電壓與經(jīng)過一定時(shí)間后流過兩電極間的電流之商；該電流主要為流過試樣表層的電流，也包括一部分流過試樣體積的電流成分。在兩電極間可能形成的極化忽略不計(jì)。

表面電阻率：在絕緣材料的表面層的直流電場強(qiáng)度與線電流密度之商，即單位面積內(nèi)的表面電阻。

2.2    測量原理

根據(jù)上述定義，絕緣體的電阻測量基本上與導(dǎo)體的電阻測量相同，其電阻一般都用電壓與電流之比得到?，F(xiàn)有的方法可分為三大類：直接法，比較法，時(shí)間常數(shù)法。

這里介紹直接法中的直流放大法，該方法采用直流放大器，對(duì)通過試樣的微弱電流經(jīng)過放大后，推動(dòng)指示儀表，測量出絕緣電阻，基本原理見圖1。

圖1  測試原理圖。

U—測試電壓（V）；R0—輸入電阻（Ω）；RX—被測試試樣的絕緣電阻（Ω）

當(dāng)R0《Rx時(shí)，則 Rx=（U/U0）·R0         （1）

式中：Rx——試樣電阻，（Ω），

U——試驗(yàn)電壓，（V），

U0——標(biāo)準(zhǔn)電阻R0兩端電壓，（V），

R0——標(biāo)準(zhǔn)電阻，（Ω）。

測量儀器中有數(shù)個(gè)不同數(shù)量級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)電阻，以適應(yīng)測不同數(shù)量級(jí)Rx的需要，被測電阻可以直接讀出。一般可測1017Ω以下的絕緣電阻。

從Rx的計(jì)算公式看到Rx的測量誤差決定于測量電壓U、標(biāo)準(zhǔn)電阻R0以及標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓U0的誤差。

2.3   測量技術(shù)

通常，絕緣材料用于電氣系統(tǒng)的各部件相互絕緣和對(duì)地絕緣，固體絕緣材料還起機(jī)械支撐作用。一般希望材料有盡可能高的絕緣電阻，并具有合適的機(jī)械、化學(xué)和耐熱性能。

絕緣材料的電阻率一般都很高，也就是傳導(dǎo)電流很小。如果不注意外界因素的干擾和漏電流的影響，測量結(jié)果就會(huì)發(fā)生很大的誤差。同時(shí)絕緣材料本身的吸濕性和環(huán)境條件的變化對(duì)測量結(jié)果也有很大影響。

影響體積電阻率和表面電阻率測試的主要因素是溫度和濕度、電場強(qiáng)度、充電時(shí)間及殘余電荷等。體積電阻率可作為選擇絕緣材料的一個(gè)參數(shù)，電阻率隨溫度和濕度的變化而顯著變化。體積電阻率的測量常常用來檢查絕緣材料是否均勻，或者用來檢測那些能影響材料質(zhì)量而又不能用其他方法檢測到的導(dǎo)電雜質(zhì)。

由于體積電阻總是要被或多或少地包括到表面電阻的測試中去，因此只能近似地測量表面電阻，測得的表面電阻值主要反映被測試樣表面污染的程度。所以，表面電阻率不是表征材料本身特性的參數(shù)，而是一個(gè)有關(guān)材料表面污染特性的參數(shù)。當(dāng)表面電阻較高時(shí)，它常隨時(shí)間以不規(guī)則的方式變化。測量表面電阻通常都規(guī)定1min的電化時(shí)間。

（1）溫度和濕度：固體絕緣材料的絕緣電阻率隨溫度和濕度的升高而降低，特別是體積電阻率隨溫度改變而變化非常大。因此，電瓷材料不但要測定常溫下的體積電阻率，而且還要測定高溫下的體積電阻率，以評(píng)定其絕緣性能的好壞。由于水的電導(dǎo)大，隨著濕度增大，表面電阻率和有開口孔隙的電瓷材料的體積電阻率急劇下降。因此，測定時(shí)應(yīng)嚴(yán)格地按照規(guī)定的試樣處理要求和測試的環(huán)境條件下進(jìn)行。

（2）電場強(qiáng)度：當(dāng)電場強(qiáng)度比較高時(shí)，離子的遷移率隨電場強(qiáng)度增高而增大，而且在接近擊穿時(shí)還會(huì)出現(xiàn)大量的電子遷移，這時(shí)體積電阻率大大地降低。因此在測定時(shí)，施加的電壓應(yīng)不超過規(guī)定的值。

（3）殘余電荷：試樣在加工和測試等過程中，可能產(chǎn)生靜電，電阻越高越容易產(chǎn)生靜電，影響測量的準(zhǔn)確性。因此，在測量時(shí)，試樣要*放電，即可將幾個(gè)電極連在一起進(jìn)行短路。

（4）雜散電勢的消除：在絕緣電阻測量電路中，可能存在某些雜散電勢，如熱電勢、電解電勢、接觸電勢等，其中影響zui大的為電解電勢。用高阻計(jì)測量表面潮濕的試樣的體積電阻時(shí)，測量極與保護(hù)極間可產(chǎn)生20mv的電勢。試驗(yàn)前應(yīng)檢查有無雜散電勢。可根據(jù)試樣加壓前后高阻計(jì)的二次指示是否相同來判斷有無雜散電勢。如相同，證明無雜散電勢；否則應(yīng)當(dāng)尋找并排除產(chǎn)生雜散電勢的根源，才能進(jìn)行測量。

（5）防止漏電流的影響：對(duì)于高電阻材料，只有采取保護(hù)技術(shù)才能去除漏電流對(duì)測量的影響。保護(hù)技術(shù)就是在引起測量誤差的漏電路徑上安置保護(hù)導(dǎo)體，截住可能引起測量誤差的雜散電流，使之不流經(jīng)測量回路或儀表。保護(hù)導(dǎo)體連接在一起構(gòu)成保護(hù)端，通常保護(hù)端接地。測量體積電阻時(shí)，三電極系統(tǒng)的保護(hù)極就是保護(hù)導(dǎo)體。此時(shí)要求保護(hù)電極和測量電極間的試樣表面電阻高于與它并聯(lián)元件的電阻10～100倍。線路接好后，應(yīng)首先檢查是否存在漏電。此時(shí)斷開與試樣連接的高壓線，加上電壓。如在測量靈敏度范圍內(nèi)，測量儀器指示的電阻值為無限大，則線路無漏電，可進(jìn)行測量。

（6）條件處理和測試條件的規(guī)定:固體絕緣材料的電阻隨溫度、濕度的增加而下降。試樣的預(yù)處理?xiàng)l件取決于被測材料，這些條件在材料規(guī)范中規(guī)定。推薦使用GB10580《固體絕緣材料在試驗(yàn)前和試驗(yàn)時(shí)采用的標(biāo)準(zhǔn)條件》中規(guī)定的預(yù)處理方法?？墒褂酶视?mdash;水溶液潮濕箱進(jìn)行濕度預(yù)處理。測試條件應(yīng)與預(yù)處理?xiàng)l件盡可能地*，有些時(shí)候（如浸水處理）不能保持預(yù)處理?xiàng)l件和測試條件*時(shí)，則應(yīng)在從預(yù)處理環(huán)境中取出后在盡可能短時(shí)間內(nèi)完成測試，一般不超過5分鐘。

（7）電化時(shí)間的規(guī)定:當(dāng)直流電壓加到與試樣接觸的兩電極間時(shí)，通過試樣的電流會(huì)指數(shù)式地衰減到一個(gè)穩(wěn)定值。電流隨時(shí)間的減小可能是由于電介質(zhì)極化和可動(dòng)離子位移到電極所致。對(duì)于體積電阻率小于1010Ω·m的材料，其穩(wěn)定狀態(tài)通常在1分鐘內(nèi)達(dá)到。因此，要經(jīng)過這個(gè)電化時(shí)間后測定電阻。對(duì)于電阻率較高的材料，電流減小的過程可能會(huì)持續(xù)幾分鐘、幾小時(shí)、幾天，因此需要用較長的電化時(shí)間。如果需要的話，可用體積電阻率與時(shí)間的關(guān)系來描述材料的特性。當(dāng)表面電阻較高時(shí)，它常隨時(shí)間以不規(guī)則的方式變化。測量表面電阻通常都規(guī)定1分鐘的電化時(shí)間。