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高阻计法测定高分子材料体积电阻率和表面电阻率

2010年03月07日10:37 admins 学习时间：20分钟 评论 0条

高分子材料的电学性能是指在外加电场作用下材料所表现出来的介电性能、导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩擦时所引起的表面静电性质等。最基本的是电导性能和介电性能，前者包括电导(电导率γ，电阻率ρ=1/γ)和电气强度(击穿强度Eb)；后者包括极化(介电常数εr)和介质损耗(损耗因数tgδ)。共四个基本参数。

种类繁多的高分子材料的电学性能是丰富多彩的。就导电性而言，高分子材料可以是绝缘体、半导体和导体，如表1所示。多数聚合物材料具有卓越的电绝缘性能，其电阻率高、介电损耗小，电击穿强度高，加之又具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性及易成型加工性能，使它比其他绝缘材料具有更大实用价值，已成为电气工业不可或缺的材料。高分子绝缘材料必须具有足够的绝缘电阻。绝缘电阻决定于体积电阻与表面电阻。由于温度、湿度对体积电阻率和表面电阻率有很大影响，为满足工作条件下对绝缘电阻的要求，必须知道体积电阻率与表面电阻率随温度、湿度的变化。

表1 各种材料的电阻率范围 材料

电阻率(Ω·m)

材料

电阻率(Ω·m) 10-5～107 107～1018

超导体导体 ≤10-810-8～10-5 半导体 绝缘体

除了控制材料的质量外，测量材料的体积电阻率还可用来考核材料的均匀性、检测影响材料电性能的微量杂质的存在。当有可以利用的相关数据时，绝缘电阻或电阻率的测量可以用来指示绝缘材料在其他方面的性能，例如介质击穿、损耗因数、含湿量、固化程度、老化等。表2为高分子材料的电学性能及其研究的意义。

表2 高分子材料的电学性能及测量的意义

电学性能

电导性能 介电性能

①电导（电导率γ，电阻率ρ =1/γ）

②电气强度（击穿强度Eb） ③极化（介电常数εr） ④介电损耗（损耗因数tanδ）

①电容器要求材料介电损耗小，介电常数大，电气强度高。 ②仪表的绝缘要求材料电阻率和电气强度高，介电损耗低。

③高频电子材料要求高频、超高频绝缘。

测量的实际意义

④塑料高频干燥、薄膜高频焊接、大型制件的高频热处理要求材料

意义

介电损耗大。

⑤纺织和化工为消除静电带来的灾害要求材料具适当导电性。

理论意义

1 目的要求

了解超高阻微电流计的使用方法和实验原理。

测出高聚物样品的体积电阻率及表面电阻率，分析这些数据与聚合物分子结构的内在联系。 2 原理 名词术语

1) 绝缘电阻：施加在与试样相接触的二电极之间的直流电压除以通过两电极的总电流所得的商。它取决于体积电阻和表面电阻。

研究聚合物结构和分子运动。

2) 体积电阻：在试样的相对两表面上放置的两电极间所加直流电压与流过两个电极之间的稳态电流之商；该电流不包括沿材料表面的电流。在两电极间可能形成的极化忽略不计。

3) 体积电阻率：绝缘材料里面的直流电场强度与稳态电流密度之商，即单位体积内的体积电阻。 4) 表面电阻：在试样的某一表面上两电极间所加电压与经过一定时间后流过两电极间的电流之商；该电流主要为流过试样表层的电流，也包括一部分流过试样体积的电流成分。在两电极间可能形成的极化忽略不计。

表面电阻率：在绝缘材料的表面层的直流电场强度与线电流密度之商，即单位面积内的表面电阻。 测量原理

根据上述定义，绝缘体的电阻测量基本上与导体的电阻测量相同，其电阻一般都用电压与电流之比得到。现有的方法可分为三大类：直接法，比较法，时间常数法。

这里介绍直接法中的直流放大法，也称高阻计法。该方法采用直流放大器，对通过试样的微弱电流经过放大后，推动指示仪表，测量出绝缘电阻，基本原理见图1。

图1 ZC36型1017Ω超高电阻测试仪测试原理图。

U—测试电压(V)；R0—输入电阻(Ω)；RX—被测试试样的绝缘电阻(Ω) 当R0《Rx时，则 Rx=(U/U0)·R0 (1) 式中：Rx——试样电阻，(Ω)， U——试验电压，(V)，

U0——标准电阻R0两端电压，(V)， R0——标准电阻，(Ω)。

测量仪器中有数个不同数量级的标准电阻，以适应测不同数量级Rx的需要，被测电阻可以直接读出。高阻计法一般可测1017Ω以下的绝缘电阻。

从Rx的计算公式看到Rx的测量误差决定于测量电压U、标准电阻R0以及标准电阻两端的电压U0的误差。

测量技术

通常，绝缘材料用于电气系统的各部件相互绝缘和对地绝缘，固体绝缘材料还起机械支撑作用。一般希望材料有尽可能高的绝缘电阻，并具有合适的机械、化学和耐热性能。

绝缘材料的电阻率一般都很高，也就是传导电流很小。如果不注意外界因素的干扰和漏电流的影响，测量结果就会发生很大的误差。同时绝缘材料本身的吸湿性和环境条件的变化对测量结果也有很大影响。

影响体积电阻率和表面电阻率测试的主要因素是温度和湿度、电场强度、充电时间及残余电荷等。体积电阻率可作为选择绝缘材料的一个参数，电阻率随温度和湿度的变化而显著变化。体积电阻率的测量常常用来检查绝缘材料是否均匀，或者用来检测那些能影响材料质量而又不能用其他方法检测到的导电杂质。

由于体积电阻总是要被或多或少地包括到表面电阻的测试中去，因此只能近似地测量表面电阻，测得的表面电阻值主要反映被测试样表面污染的程度。所以，表面电阻率不是表征材料本身特性的参数，而是一个有关材料表面污染特性的参数。当表面电阻较高时，它常随时间以不规则的方式变化。测量表面电阻通常都规定1min的电化时间。

（1）温度和湿度：固体绝缘材料的绝缘电阻率随温度和湿度的升高而降低，特别是体积电阻率随温度改变而变化非常大。因此，电瓷材料不但要测定常温下的体积电阻率，而且还要测定高温下的体积电阻率，以评定其绝缘性能的好坏。由于水的电导大，随着湿度增大，表面电阻率和有开口孔隙的电瓷材料的体积电阻率急剧下降。因此，测定时应严格地按照规定的试样处理要求和测试的环境条件下进行。

（2）电场强度：当电场强度比较高时，离子的迁移率随电场强度增高而增大，而且在接近击穿时还会出现大量的电子迁移，这时体积电阻率大大地降低。因此在测定时，施加的电压应不超过规定的值。

（3）残余电荷：试样在加工和测试等过程中，可能产生静电，电阻越高越容易产生静电，影响测量的准确性。因此，在测量时，试样要彻底放电，即可将几个电极连在一起进行短路。

（4）杂散电势的消除：在绝缘电阻测量电路中，可能存在某些杂散电势，如热电势、电解电势、接触电势等，其中影响最大的为电解电势。用高阻计测量表面潮湿的试样的体积电阻时，测量极与保护极间可产生20mv的电势。试验前应检查有无杂散电势。可根据试样加压前后高阻计的二次指示是否相同来判断有无杂散电势。如相同，证明无杂散电势；否则应当寻找并排除产生杂散电势的根源，才能进行测量。

（5）防止漏电流的影响：对于高电阻材料，只有采取保护技术才能去除漏电流对测量的影响。保护技术就是在引起测量误差的漏电路径上安置保护导体，截住可能引起测量误差的杂散电流，使之不流经测量回路或仪表。保护导体连接在一起构成保护端，通常保护端接地。测量体积电阻时，三电极系统的保护极就是保护导体。此时要求保护电极和测量电极间的试样表面电阻高于与它并联元件的电阻10～100倍。线路接好后，应首先检查是否存在漏电。此时断开与试样连接的高压线，加上电压。如在测量灵敏度范围内，测量仪器指示的电阻值为无限大，则线路无漏电，可进行测量。

（6）条件处理和测试条件的规定:固体绝缘材料的电阻随温度、湿度的增加而下降。试样的预处理条件取决于被测材料，这些条件在材料规范中规定。推荐使用GB10580《固体绝缘材料在试验前和试验时采用的标准条件》中规定的预处理方法。可使用甘油—水溶液潮湿箱进行湿度预处理。测试条件应与预处理条件尽可能地一致，有些时候(如浸水处理)不能保持预处理条件和测试条件一致时，则应在从预处理环境中取出后在尽可能短时间内完成测试，一般不超过5分钟。

（7）电化时间的规定:当直流电压加到与试样接触的两电极间时，通过试样的电流会指数式地衰减到一个稳定值。电流随时间的减小可能是由于电介质极化和可动离子位移到电极所致。对于体积电阻率小于1010Ω·m的材料，其稳定状态通常在1分钟内达到。因此，要经过这个电化时间后测定电阻。对于电阻率较高的材料，电流减小的过程可能会持续几分钟、几小时、几天，因此需要用较长的电化时间。如果需要的话，可用体积电阻率与时间的关系来描述材料的特性。当表面电阻较高时，它常随时间以不规则的方式变化。测量表面电阻通常都规定1分钟的电化时间。

3 仪器与试样 仪器

本实验选 用ZC36型起高阻微电流计。该仪器工作原理属于进接法中的直流放大法，测量范围106～1017Ω，误差≤10%。

图2 ZC36高阻计外形图

图3 三电极电阻测量系统