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(chǎng)作用下材料所表現出來(lái)的介電性能、導電性能、電擊穿性質(zhì)以及與其他材料接觸、摩擦時(shí)所引起的表面靜電性質(zhì)等。zui基本的是電導性能和介電性能，前者包括電導（電導率γ，電阻率ρ=1/γ）和電氣強度（擊穿強度Eb）；后者包括極化（介電常數εr）和介質(zhì)損耗（損耗因數tgδ）。共四個(gè)基本參數。

種類(lèi)繁多的高分子材料的電學(xué)性能是豐富多彩的。就導電性而言，高分子材料可以是絕緣體、半導體和導體，如表1所示。多數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、濕度對體積電阻率和表面電阻率有很大影響，為滿(mǎn)足工作條件下對絕緣電阻的要求，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(lái)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。當有可以利用的相關(guān)數據時(shí)，絕緣電阻或電阻率的測量可以用來(lái)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、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，分析這些數據與聚合物分子結構的內在。

2    原理

2.1  名詞術(shù)語(yǔ)

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(guò)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：在試樣的相對兩表面上放置的兩電極間所加直流電壓與流過(guò)兩個(gè)電極之間的穩態(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。

3） 體積電阻率：絕緣材料里面的直流電場(chǎng)強度與穩態(tài)電流密度之商，即單位體積內的體積電阻。

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(guò)一定時(shí)間后流過(guò)兩電極間的電流之商；該電流主要為流過(guò)試樣表層的電流，也包括一部分流過(guò)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。

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

2.2    測量原理

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

這里介紹直接法中的直流放大法，該方法采用直流放大器，對通過(guò)試樣的微弱電流經(jīng)過(guò)放大后，推動(dòng)指示儀表，測量出絕緣電阻，基本原理見(jiàn)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R0《Rx時(shí)，則 Rx=（U/U0）·R0         （1）

式中：Rx——試樣電阻，（Ω），

U——試驗電壓，（V），

U0——標準電阻R0兩端電壓，（V），

R0——標準電阻，（Ω）。

測量?jì)x器中有數個(gè)不同數量級的標準電阻，以適應測不同數量級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的計算公式看到Rx的測量誤差決定于測量電壓U、標準電阻R0以及標準電阻兩端的電壓U0的誤差。

2.3   測量技術(shù)

通常，絕緣材料用于電氣系統的各部件相互絕緣和對地絕緣，固體絕緣材料還起機械支撐作用。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)境條件的變化對測量結果也有很大影響。

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(chǎng)強度、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，電阻率隨溫度和濕度的變化而顯著(zhù)變化。體積電阻率的測量常常用來(lái)檢查絕緣材料是否均勻，或者用來(lái)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，而是一個(gè)有關(guān)材料表面污染特性的參數。當表面電阻較高時(shí)，它常隨時(shí)間以不規則的方式變化。測量表面電阻通常都規定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，以評定其絕緣性能的好壞。由于水的電導大，隨著(zhù)濕度增大，表面電阻率和有開(kāi)口孔隙的電瓷材料的體積電阻率急劇下降。因此，測定時(shí)應嚴格地按照規定的試樣處理要求和測試的環(huán)境條件下進(jìn)行。

（2）電場(chǎng)強度：當電場(chǎng)強度比較高時(shí)，離子的遷移率隨電場(chǎng)強度增高而增大，而且在接近擊穿時(shí)還會(huì )出現大量的電子遷移，這時(shí)體積電阻率大大地降低。因此在測定時(shí)，施加的電壓應不超過(guò)規定的值。

（3）殘余電荷：試樣在加工和測試等過(guò)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。用高阻計測量表面潮濕的試樣的體積電阻時(shí)，測量極與保護極間可產(chǎn)生20mv的電勢。試驗前應檢查有無(wú)雜散電勢?？筛鶕嚇蛹訅呵昂蟾咦栌嫷亩沃甘臼欠裣嗤瑏?lái)判斷有無(wú)雜散電勢。如相同，證明無(wú)雜散電勢；否則應當尋找并排除產(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：對于高電阻材料，只有采取保護技術(shù)才能去除漏電流對測量的影響。保護技術(shù)就是在引起測量誤差的漏電路徑上安置保護導體，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。保護導體連接在一起構成保護端，通常保護端接地。測量體積電阻時(shí)，三電極系統的保護極就是保護導體。此時(shí)要求保護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(xiàn)路接好后，應首先檢查是否存在漏電。此時(shí)斷開(kāi)與試樣連接的高壓線(xiàn)，加上電壓。如在測量靈敏度范圍內，測量?jì)x器指示的電阻值為無(wú)限大，則線(xiàn)路無(wú)漏電，可進(jìn)行測量。

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

（7）電化時(shí)間的規定:當直流電壓加到與試樣接觸的兩電極間時(shí)，通過(guò)試樣的電流會(huì )指數式地衰減到一個(gè)穩定值。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。對于體積電阻率小于1010Ω·m的材料，其穩定狀態(tài)通常在1分鐘內達到。因此，要經(jīng)過(guò)這個(gè)電化時(shí)間后測定電阻。對于電阻率較高的材料，電流減小的過(guò)程可能會(huì )持續幾分鐘、幾小時(shí)、幾天，因此需要用較長(cháng)的電化時(shí)間。如果需要的話(huà)，可用體積電阻率與時(shí)間的關(guān)系來(lái)描述材料的特性。當表面電阻較高時(shí)，它常隨時(shí)間以不規則的方式變化。測量表面電阻通常都規定1分鐘的電化時(shí)間。