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分子材料體積電阻率與表面電阻率的測定及影響因素

更新時間：2025-07-01 點擊次數(shù)：1008

高分子材料憑借獨二特的分子結(jié)構(gòu)與性能，在現(xiàn)代工業(yè)及日常生活中應用廣泛。從電氣絕緣到電子器件制造，其電學性能至關(guān)重要。體積電阻率和表面電阻率作為衡量導電性能的關(guān)鍵參數(shù)，對評估材料絕緣性能、預測實際應用表現(xiàn)意義重大。準確測定并深入了解影響因素，有助于材料質(zhì)量控制、性能優(yōu)化及新型材料研發(fā)。

高分子材料的導電原理基礎(chǔ)

探討體積電阻率和表面電阻率前，需明晰高分子材料導電原理。多數(shù)高分子材料電絕緣性能優(yōu)異，載流子源于雜質(zhì)解離、加工引入的可分解分子等。非極性聚合物無導電離子，載流子多來自雜質(zhì)；高極性聚合物可能發(fā)生微量本征解離，提供導電離子。共軛高聚物因共軛效應，π 電子可定向運動導電，電阻大幅下降。例如聚乙烯絕緣性好，聚酰胺電阻率在 1012 ～ 101?Ω?m 范圍。

體積電阻率與表面電阻率的定義及意義

體積電阻率與表面電阻率的定義及意義

1. 體積電阻率

體積電阻率（ρ_v）是絕緣材料內(nèi)部直流電場強度與穩(wěn)態(tài)電流密度之商，即單位體積內(nèi)的體積電阻，單位為 Ω?m 。它表征材料本體絕緣性能，是本征特性，與試樣幾何尺寸無關(guān)。在電氣設備絕緣設計中，高體積電阻率的高分子材料可確保電流按預定路徑流動，防止漏電和短路。

2.表面電阻率

表面電阻率（ρ_s）是絕緣材料表面層直流電場強度與線電流密度之商，即單位面積內(nèi)的表面電阻，單位為 Ω 。其主要反映材料表面導電性能，與表面污染、吸附狀態(tài)等密切相關(guān)，并非材料固有特性。在電子制造領(lǐng)域，控制表面電阻率可防止靜電積累，保護敏感電子元件，如電子產(chǎn)品包裝常使用低表面電阻率材料消散靜電。

體積電阻率與表面電阻率的測定方法

1. 高阻計法（直流放大法）原理及應用

高阻計法是測定高分子材料體積電阻率和表面電阻率的常用方法。其基于直流放大器，放大通過試樣的微弱電流推動指示儀表測量絕緣電阻。施加直流電壓 U 于試樣兩端，電流 I 在標準電阻 R0 上產(chǎn)生電壓 U0 ，當 R0 遠小于試樣絕緣電阻 Rx 時，Rx=(U/U0)?R0 。測量體積電阻時，三電極系統(tǒng)中保護電極接地消除表面電流干擾；測量表面電阻時，保護電極施加電壓，高壓電極接地減少體積電流影響。該方法適用于多種固體電工絕緣材料，可測 101?Ω 以下絕緣電阻。

2. 測試設備及操作流程

選用 ZST-212 體積表面電阻率測試儀配合三電極裝置進行測量，以平板試樣測試為例，具體操作流程如下：

1、打開設備電源開關(guān)，預熱10分鐘。

2、打開屏蔽箱蓋，將被測試品放置在三電極中間位置，試品應全部覆蓋下電極。

3、按照下圖的接線方式接好線，左側(cè)黑色線接上電極，右側(cè)紅色線接環(huán)電極。

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4、調(diào)整環(huán)電極的位置，環(huán)電極和測量電極之間的間隙均勻。

5、關(guān)閉屏蔽箱蓋，設置施加電壓、電化時間（默認60s）和厚度。

6、同一個試品需要測量表面電阻和體積電阻時，一定要先測表面電阻后測體積電阻。將測試模式檔位開關(guān)至需要的檔位。

7、按啟動按鈕，觀察電阻值和檔位的變化，當檔位穩(wěn)定開始電化計時，電化時間到后記錄電阻值。

8、測試結(jié)束，觀察高壓指示燈滅，打開試驗箱蓋，換取試品，重復步驟2～7。

9、試驗結(jié)束，關(guān)閉電源，用綢布蓋住設備，保持清潔。

3. 體積電阻率的計算（以間隙2mm為例）

例如：測量體積電阻R_V時R_V=3.2×1012Ω

體積電阻率怎么計算呢？

d₁ : 被保護電極直徑為50mm。

g：測量電極間間隙 g =2mm

h : 絕緣材料試品的厚度（mm）

R_v：體積電阻值

A: 被保護電極有效面積（mm²）

根據(jù)本電極的底面積為

比如測量試品的厚度h是2mm，

那么體積電阻率ρ_V=2123.72/2* R_V

=1061.86 R_V

=1061.86mm×3.2×10¹²Ω

≈3.4×10¹²Ω?m

也就是說只要讀出來體積電阻R_V（單位Ω），測量出試品的厚度h（單位mm），

那么

點擊屏幕的Ω?m 可以切換至Ω?cm 。

4. 表面電阻率的計算

例如：測量表面電阻R_s時的表面電阻是R_s=4.0×10¹³Ω

表面電阻率怎么計算呢？

依下述公式計算出值：

ρ_S：表面電阻率

R_s：表面電阻值

P : 被保護電極的有效周長（mm）

g : 兩電極之間的距離單位（mm）

ρ_S≈82 R_s=82×4.0×10¹³Ω=3.28×10¹⁵

也就是說只要讀出來表面電阻R_s（單位Ω），然后乘以82就是表面電阻率。表面電阻率和試品的厚度無關(guān)，只和電極的尺寸有關(guān)。

影響體積電阻率與表面電阻率的因素分析

影體積

1. 溫度的影響

溫度對高分子材料體積電阻率和表面電阻率影響顯著。非極性聚合物導電載離子源于雜質(zhì)等，一定溫度下熱離解和偶合平衡穩(wěn)定，溫度升高平衡打破，離子運動加速，電導主導，電阻率下降。離子導電高聚物中，結(jié)晶、取向使分子密堆積，自由體積減小，離子遷移率降低，電導率下降，如聚三氟氯乙烯結(jié)晶度從 10％增加到 50％時，電導率下降 100 - 1000 倍。電子導電聚合物中，分子密堆砌利于電子傳導，電導率隨結(jié)晶度增加而增大。交聯(lián)使鏈段活動性變差，自由體積變小，離子電導下降，但電子電導因分子間橋鍵而增大。

2.濕度的影響

濕度對高分子材料電學性能影響不容忽視。水的電導大，濕度增加時，材料表面吸附水分形成水膜，表面電阻率降低；有開口孔隙的材料，水分進入孔隙內(nèi)部增加導電通路，體積電阻率下降。在潮濕環(huán)境下使用的電氣絕緣材料，其體積電阻率和表面電阻率降低可能影響設備正常運行，甚至引發(fā)安全隱患。

3.電場強度的作用

低電場強度下，高分子材料電阻率相對穩(wěn)定。高電場強度時，離子遷移率增大，接近擊穿時出現(xiàn)大量電子遷移，體積電阻率大幅降低。實際使用中，若電場強度超材料承受范圍，會導致絕緣性能下降甚至電擊穿。測定時施加電壓應符合規(guī)定，以保證測量結(jié)果反映材料正常工作時的電學性能。

4.材料自身特性（分子結(jié)構(gòu)與聚集態(tài)結(jié)構(gòu)）

高分子材料的分子結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是決定電學性能的內(nèi)在因素。非極性聚合物如聚乙烯、聚丙烯，無導電離子，絕緣性能好，電阻率通常在 101? - 101?Ω?m 范圍；高極性聚合物如聚酰胺，可能發(fā)生微量本征解離，電阻率相對較低，在 1012 ～ 101?Ω?m 。共軛高聚物如聚乙炔，因共軛效應表現(xiàn)出半導體甚至導體特性。在聚集態(tài)結(jié)構(gòu)方面，結(jié)晶、取向使離子導電高聚物電導率下降，電子導電聚合物電導率增大；交聯(lián)對離子電導和電子電導影響不同。

5.其他因素

（1）殘余電荷

試樣加工和測試中易產(chǎn)生靜電，尤其是高電阻材料。殘余電荷影響測量準確性，測量前需將試樣電極短路徹一底放電。

（2）雜散電勢

絕緣電阻測量電路中存在熱電勢、電解電勢、接觸電勢等雜散電勢，其中電解電勢影響最大。如測量表面潮濕試樣體積電阻時，測量極與保護極間可能產(chǎn)生 20mv 電勢。試驗前可通過比較試樣加壓前后高阻計二次指示判斷有無雜散電勢，若指示不同，需排除干擾源。

（3）漏電流

高電阻材料測量中，漏電流影響顯著。采用保護技術(shù)，在漏電路徑安置保護導體，截住雜散電流。測量體積電阻時，三電極系統(tǒng)的保護極即保護導體，要求保護電極和測量電極間的試樣表面電阻高于并聯(lián)元件電阻 10 - 100 倍。線路連接后，先檢查漏電情況，測量靈敏度范圍內(nèi)儀器指示電阻值為無限大時，方可進行測量。

面高分子材料的體積電阻率和表面電阻率是衡量電學性能的重要指標，準確測定并了解影響因素對材料應用和研發(fā)意義重大。ZST-212 體積表面電阻率測試儀等設備結(jié)合高阻計法可實現(xiàn)準確測量，但溫度、濕度、電場強度、材料特性及殘余電荷等多種因素會影響測量結(jié)果。實際應用中需綜合考慮這些因素，采取相應措施確保材料電學性能滿足需求。材料研發(fā)人員深入研究影響因素，有助于通過分子設計和工藝優(yōu)化開發(fā)更優(yōu)異的高分子材料，推動其在多領(lǐng)域的應用與發(fā)展。