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，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 | 材料 | 電阻率（Ω·m） | 材料 | 電阻率（Ω·m） | | 超導體導體 | ≤10-810-8～10-5 | 半導體 絕緣體 | 10-5～107
107～1018 |
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 | 電學(xué)性能 | 電導性能 | ①電導（電導率γ，電阻率ρ =1/γ） | | ②電氣強度（擊穿強度Eb） | | 介電性能 | ③極化（介電常數εr） | | ④介電損耗（損耗因數tanδ） | | 測量的意義 | 實(shí)際意義 | ①電容器要求材料介電損耗小，介電常數大，電氣強度高。 | | ②儀表的絕緣要求材料電阻率和電氣強度高，介電損耗低。 | | ③高頻電子材料要求高頻、超高頻絕緣。 | | ④塑料高頻干燥、薄膜高頻焊接、大型制件的高頻熱處理要求材料介電損耗大。 | | ⑤紡織和化工為消除靜電帶來(lái)的災害要求材料具適當導電性。 | | 理論意義 | 研究聚合物結構和分子運動(dòng)。 |
1 目的要求 了解SB36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 SB36型1017Ω超高電阻測試儀測試原理圖。 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。SB36型一般可測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 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，只有采取保護才能去除漏電流對測量的影響。保護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。 3 儀器與試樣 3.1 儀器 SB36固體（液體）體積電阻率及表面電阻率測試儀。該儀器工作原理屬于進(jìn)接法中的直流放大法，測量范圍106～1017Ω，誤差≤10%。 為準確測量體積電阻和表面電阻，一般采用三電極系統，圓板狀三電極系統見(jiàn)圖3。測量體積電阻Rv時(shí)，保護電極的作用是使表面電流不通過(guò)測量?jì)x表，并使測量電極下的電場(chǎng)分布均勻。此時(shí)保護電極的正確接法見(jiàn)圖4。測量表面電阻Rs時(shí)，保護電極的作用是使體積電流減少到不影響表面電阻的測量。 
圖4 體積電阻Rv和表面電阻Rs測量示意圖 3.2 試樣及其預處理 試樣 不同比例的聚丙烯與碳酸鈣共混物樣片（φ100圓板，厚2±0.2mm）5只 預處理 試樣應平整、均勻、無(wú)裂紋和機械雜質(zhì)等缺陷。用蘸有深劑（此溶劑應*試樣）的綢 布擦試；把擦凈的試樣放在溫度23±2℃和相對濕度65±5%的條件下處理24小時(shí)。測量表面電阻時(shí)，一般不清洗及處理表面，也不要用手或其他任何東西觸及。 4 實(shí) 驗 4.1 準備 使用前，面板上的各開(kāi)關(guān)位置應如下： ａ） 倍率開(kāi)關(guān)置于靈敏度zui低檔位置。 ｂ） 測試電壓開(kāi)關(guān)置于“10V”處 c） “放電-測試”開(kāi)關(guān)置于“放電”位置。 d） 電源總開(kāi)關(guān)（POWER）置于“關(guān)”。 e） 輸入短路撳鍵置于“短路”。 f） 極性開(kāi)關(guān)置于“0”。 檢查測試環(huán)境的濕度是否在允許的范圍內。尤其當環(huán)境濕度高于80%以上時(shí)，對測量較高的絕緣電阻（大于10 11Ω及小于10-8 A）時(shí)微電流可能會(huì )導致較大的誤差。 接通電源預熱30分鐘，將極性開(kāi)關(guān)置于“+”，此時(shí)可能發(fā)現指示儀表的指針會(huì )離開(kāi)“∞”及“0”處，這時(shí)可慢慢調節“∞”及“0”電位器，使指針置于“∞”及“0”處。 4.2 測試 將被測試樣用測量電纜線(xiàn)和導線(xiàn)分別與訊號輸入端和測試電壓輸出端連接。 將測試電壓選擇開(kāi)關(guān)置于所需要的測試電壓檔。 將“放電-測試”開(kāi)關(guān)置于“測試”檔，輸入短路開(kāi)關(guān)仍置于“短路”。對試樣經(jīng)一定時(shí)間的充電以后（視試樣的容量大小而定，一般為15秒。電容量大時(shí)，可適當延長(cháng)充電時(shí)間），即可將輸入短路開(kāi)關(guān)撳至“測量”進(jìn)行讀數，若發(fā)現指針很快打出滿(mǎn)刻度，應立即撳輸入短路開(kāi)關(guān)，使其置于“短路”， 將“放電-測試”開(kāi)關(guān)置于“放電”檔，等查明原因并排除故障后再進(jìn)行測試。 當輸入短路開(kāi)關(guān)置于測量后，如發(fā)現表頭無(wú)讀數，或指示很少，可將倍率開(kāi)關(guān)逐步升高，數字顯示依次為7、8、9、…直至讀數清晰為止（盡量取儀表上1～10的那段刻度）。通過(guò)旋轉倍率旋鈕，使示數處于半偏以?xún)鹊奈恢?，便于讀數。測量時(shí)先將RV/RS轉換開(kāi)關(guān)置于RV測量體積電阻，然后置于RS測量表面電阻。讀數方法如下：表頭指示為讀數，數字顯示為10的指數，單位W。用不同電壓進(jìn)行測量時(shí)，其電阻系數不一樣，電阻系數標在電壓值下方。將儀表上的讀數（單位為兆歐）乘以倍率開(kāi)關(guān)所指示的倍率及測試電壓開(kāi)關(guān)所指的系數（10V為0.01；100V為0.1；250V為0.25；500V為0.5；1000V為1）即為被測試樣的絕緣電阻值。例如：讀數為3.5´106W倍率開(kāi)關(guān)所指系數為108，測量電壓為100V，則被測電阻值為：3.5´106´108´0.1 =3.5´1013W。 在測試絕緣電阻時(shí)，如發(fā)現指針有不斷上升的現象，這是由于電介質(zhì)的吸收現象所致，若在很長(cháng)時(shí)間內未能穩定，則一般情況下取接通測試開(kāi)關(guān)后一分鐘時(shí)的讀數作為試樣的絕緣電阻值。 一個(gè)試樣測試完畢，即將輸入短路撳鍵置于“短路”，測試電壓控制開(kāi)關(guān)置于“關(guān)”后，將方式選擇開(kāi)關(guān)撥向放電位置，幾分鐘后方可取出試樣。對電容量較大的試樣者需經(jīng)1分鐘左右的放電，方能取出試樣，以免受測試系統電容中殘余電荷的電擊。。若要重復測試時(shí)，應將試樣上的殘留電荷全部放掉方能進(jìn)行。 然后進(jìn)入下一個(gè)試樣的測試：為了操作簡(jiǎn)便無(wú)誤，測量絕緣材料體積電阻（Rv）和表面電阻（Rs）時(shí)采用了轉換開(kāi)關(guān)。當旋鈕指在Rv處時(shí)，高壓電極加上測試電壓。保護電極接地，當旋鈕指在Rs處時(shí)，保護電極加上測試電壓，高壓電極接地。 儀器使用完畢，應先切斷電源，將面板上各開(kāi)關(guān)恢復到測試前的位置，拆除所有接線(xiàn)，將儀器安放保管好。 4.3 注意事項 （1）試樣與電極應加以屏蔽（將屏蔽箱合上蓋子），否則，由于外來(lái)電磁干擾而產(chǎn)生誤差，甚至因指針的不穩定而無(wú)法讀數。 （2）測試時(shí)，人體不可接觸紅色接線(xiàn)柱，不可取試樣，因為此時(shí)“放電-測試”開(kāi)關(guān)處在“測試位置”，該接線(xiàn)柱與電極上都有測試電壓，危險!! （3）在進(jìn)行體積電阻和表面電阻測量時(shí)，應先測體積電阻再測表面電阻，反之由于材料被極化而影響體積電阻。當材料連續多次測量后容易產(chǎn)生極化，會(huì )使測量工作無(wú)法進(jìn)行下去，出現指針?lè )雌犬惓，F象，這時(shí)須停止對這種材料測試，置于凈處8h-10h后再測量或者放在*內清洗，烘干，等冷卻后再進(jìn)行測量 （4）經(jīng)過(guò)處理的試樣及測量端的絕緣部分絕不能被臟物污染，以保證實(shí)驗數據的可靠性。 （5）若發(fā)現指針很快打出滿(mǎn)刻度，應立即將輸入短路開(kāi)關(guān)置于“短路”，測試電壓控制開(kāi)關(guān)置于“關(guān)”，等查明原因并排除故障后再進(jìn)行測量。 （6）當輸入短路開(kāi)關(guān)置于測量后，如果發(fā)現表頭無(wú)讀數，或指示很少，可將倍率逐步升高。 （7）若要重復測量時(shí)，應將試樣上的殘余電荷全部放掉方能進(jìn)行。 數據處理 體積電阻率ρv ρv=Rv（A/h）， A=（π/4）·d22=（π/4）（d1+2g）2 （3） 式中，ρv ——體積電阻率（Ω·m）， Rv ——測得的試樣體積電阻（Ω）， A ——測量電極的有效面積（m2）， d1 ——測量電極直徑（m）， ｈ ——絕緣材料試樣的厚度（m）， g ——測量電極與保護電極間隙寬度（m）， 表面電阻率ρv ρs=Rs（2π）/㏑（d2/d1） （4） 式中，ρv ——表面電阻率（Ω）， Rs ——試樣的表面電阻（Ω）， d2 ——保護電極的內徑（m）， d1 ——測量電極直徑（m）。 需要的數據 d1 = 5 cm d2 = 5.4 cm h = 0.2 cm g = 0.2 cm | 
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