高分子材料体积电阻率和表面电阻率

发布时间：2023年03月

高阻计法测定高分子材料体积电阻率和表面电阻率

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

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

1    目的要求

了解ZST-121电阻仪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

2.1  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。

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。

2.2    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  ZST-121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。

2.3   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

3.1  仪器

本实验选 用ZST-121型电阻仪。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  ZST-121电阻仪外形图及三电极测量系统 

为准确测量体积电阻和表面电阻，一般采用三电极系统，圆板状三电极系统见图2。测量体积电阻Rv时，保护电极的作用是使表面电流不通过测量仪表，并使测量电极下的电场分布均匀。此时保护电极的正确接法见图3。测量表面电阻Rs时，保护电极的作用是使体积电流减少到不影响表面电阻的测量。

图3  体积电阻Rv和表面电阻Rs测量示意图

3.2    试样及其预处理

试样不同比例的聚丙烯与碳酸钙共混物样片(φ100圆板，厚2±0.2mm)5只

预处理

试样应平整、均匀、无裂纹和机械杂质等缺陷。用蘸有深剂(此溶剂应不腐蚀试样)的绸

布擦试；把擦净的试样放在温度23±2℃和相对湿度65±5%的条件下处理24小时。测量表面电阻时，一般不清洗及处理表面，也不要用手或其他任何东西触及。

4   实验

4.1  准备

使用前，面板上的各开关位置应如下：

ａ) 倍率开关置于灵敏度最低档位置。

ｂ) 测试电压开关置于“10V”处

c) “放电-测试”开关置于“放电”位置。

d) 电源总开关(POWER)置于“关”。

e) 输入短路揿键置于“短路”。

f) 极性开关置于“0”。

检查测试环境的湿度是否在允许的范围内。尤其当环境湿度高于80%以上时，对测量较高的绝缘电阻(大于10 ¹¹Ω及小于10-8 A)时微电流可能会导致较大的误差。

接通电源预热30分钟，将极性开关置于“+”，此时可能发现指示仪表的指针会离开“∞”及“0”处，这时可慢慢调节“∞”及“0”电位器，使指针置于“∞”及“0”处。

4.2   测试

将被测试样用测量电缆线和导线分别与讯号输入端和测试电压输出端连接。 将测试电压选择开关置于所需要的测试电压档。 将“放电-测试”开关置于“测试”档，输入短路开关仍置于“短路”。对试样经一定时间的充电以后(视试样的容量大小而定，一般为15秒。电容量大时，可适当延长充电时间)，即可将输入短路开关揿至“测量”进行读数，若发现指针很快打出满刻度，应立即揿输入短路开关，使其置于“短路”， 将“放电-测试”开关置于“放电”档，等查明原因并排除故障后再进行测试。 当输入短路开关置于测量后，如发现表头无读数，或指示很少，可将倍率开关逐步升高，数字显示依次为7、8、9、…直至读数清晰为止(尽量取仪表上1～10的那段刻度)。通过旋转倍率旋钮，使示数处于半偏以内的位置，便于读数。测量时先将RV/RS转换开关置于RV测量体积电阻，然后置于RS测量表面电阻。读数方法如下：表头指示为读数，数字显示为10的指数，单位W。用不同电压进行测量时，其电阻系数不一样，电阻系数标在电压值下方。将仪表上的读数（单位为兆欧）乘以倍率开关所指示的倍率及测试电压开关所指的系数（10V为0.01；100V为0.1；250V为0.25；500V为0.5；1000V为1）即为被测试样的绝缘电阻值。例如：读数为3.5´106W倍率开关所指系数为108，测量电压为100V，则被测电阻值为：3.5´106´108´0.1 =3.5´1013W。 在测试绝缘电阻时，如发现指针有不断上升的现象，这是由于电介质的吸收现象所致，若在很长时间内未能稳定，则一般情况下取接通测试开关后一分钟时的读数作为试样的绝缘电阻值。

一个试样测试完毕，即将输入短路揿键置于“短路”，测试电压控制开关置于“关”后，将方式选择开关拨向放电位置，几分钟后方可取出试样。对电容量较大的试样者需经1分钟左右的放电，方能取出试样，以免受测试系统电容中残余电荷的电击。。若要重复测试时，应将试样上的残留电荷全部放掉方能进行。然后进入下一个试样的测试：为了操作简便无误，测量绝缘材料体积电阻(Rv)和表面电阻(Rs)时采用了转换开关。当旋钮指在Rv处时，高压电极加上测试电压。保护电极接地，当旋钮指在Rs处时，保护电极加上测试电压，高压电极接地。 仪器使用完毕，应先切断电源，将面板上各开关恢复到测试前的位置，拆除所有接线，将仪器安放保管好。

4.3   注意事项

（1）试样与电极应加以屏蔽(将屏蔽箱合上盖子)，否则，由于外来电磁干扰而产生误差，甚至因指针的不稳定而无法读数。

（2）测试时，人体不可接触红色接线柱，不可取试样，因为此时“放电-测试”开关处在“测试位置”，该接线柱与电极上都有测试电压，危险!!

（3）在进行体积电阻和表面电阻测量时，应先测体积电阻再测表面电阻，反之由于材料被极化而影响体积电阻。当材料连续多次测量后容易产生极化，会使测量工作无法进行下去，出现指针反偏等异常现象，这时须停止对这种材料测试，置于净处8h-10h后再测量或者放在无水酒精内清洗，烘干，等冷却后再进行测量

（4）经过处理的试样及测量端的绝缘部分绝不能被脏物污染，以保证实验数据的可靠性。

（5）若发现指针很快打出满刻度，应立即将输入短路开关置于“短路”，测试电压控制开关置于“关”，等查明原因并排除故障后再进行测量。

（6）当输入短路开关置于测量后，如果发现表头无读数，或指示很少，可将倍率逐步升高。

（7）若要重复测量时，应将试样上的残余电荷全部放掉方能进行。

数据处理

体积电阻率ρv

ρv=Rv(A/h)，

A=(π/4)·d22=(π/4)(d1+2g)2         (3)

式中，ρv ——体积电阻率(Ω·m)，

Rv ——测得的试样体积电阻(Ω)，

A ——测量电极的有效面积(m2)，

d1 ——测量电极直径(m)，

ｈ ——绝缘材料试样的厚度(m)，

g ——测量电极与保护电极间隙宽度(m)，

表面电阻率ρv

ρs=Rs(2π)/㏑(d2/d1)          (4)

式中，ρv ——表面电阻率(Ω)，

Rs ——试样的表面电阻(Ω)，

d2 ——保护电极的内径(m)，

d1 ——测量电极直径(m)。

需要的数据

d1 = 5 cm

d2 = 5.4 cm

h = 0.2 cm

g = 0.2 cm

问题 为什么测试电性能时对试样要进行处理？对环境条件有何要求？ 对同一块试样，采用不同的电压测量。测试电压升高时，测得的电阻值将如何变化？ 通过实验说明为什么在工程技术领域中，用体积电阻率来表示介电材料的绝缘性质，而不用绝缘电阻或表面电阻率来表示？ 

说明实验结果与高聚物分子结构的内在联系。

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