实验二-高分子材料的表面电阻与体积电阻的测定

一、实验目的

加深理解表面电阻率ρs与体积电阻率ρv的物理意义，掌握超高电阻测试仪的使用

二、实验原理

大多数高分子材料的固有电绝缘性质已长期被利用来约束和保护电流，使它沿着选定的途径在导体中流动，或用来支持很高的电场，以免发生电击穿。高分子材料的电阻率范围超过20个数量级，耐压高达100万伏以上。加上其他优良的化学、物理和加工性能，为满足所需要的综合性能指标提供了广泛的选择余地。可以说，今天的电子电工技术离不开高分子材料。

高分子的电学性质是指高分子在外加电压或电场作用下的行为及其所表现出来的各种物理现象，包括在交变电场中的界电性质，在弱电场中的导电性质，在强电场中的击穿现象以及发生在高分子表面的静电现象。

随着科学技术的发展，特别是在尖端科学领域里，对高分子材料的电学性能指标，提出了越来越高的要求。高分子半导体、光导体、超导体和永磁体的探索，已取得了不同程度的进展。高分子材料的电性能往往相当灵敏地反映出材料内部结构的变化和分子运动状况，电性能测试是研究高分子的结构和分子运动的一种有力手段。

材料的导电性是用电阻率ρ（单位：欧·米）或电导率σ（单位：欧-1·米-1）来表示的。两者互为倒数，并且都与试样的尺寸无关，而只决定于材料的性质。工程上习惯将材料根据导电性质粗略地分为超导体、导体、半导体和绝缘体四类。

表1 材料导电性质及电阻率范围

材料 超导体 导体 半导体 绝缘体 电阻率ρ（欧·米） 10-8 10-8—10-5 10-5--107 107--1018 电导率σ（欧-1·米-1） 108 105--108 10-7--105 10-18—10-7 在一般高分子中，特别是那些主要由杂质解离提供载流子的高分子中，载流子的浓度很低，对其他性质的影响可以忽略，但对高绝缘材料电导率的影响是不可忽视的。在高分子的导电性表征中，需要分别表示高分子表面与体内的不同导电性，常常采用表面电阻率ρs与体积电阻ρv率来表示。在提到电阻率而又没有特别指明的地方通常就是指体积电阻率。

将平板试样放在两电极之间，施于两电极上的直流电压和流过电极间试样表面上的电流之比，为表面电阻；施于两电极上的直流电压和流过电极间试样的体积内的电流之比为体积电阻。

计算表面电阻率ρs与体积电阻率ρv的公式如下:

perimeter=π×（D2+D1)/(D2-D1)

Gap=（D2-D1)/2

ρs=perimeter/Gap×Rs=276.46×Rs

ρv=Area/t×Rv=98.15×Rv

Area=π×（D1+B(D2-D1)/2)2/4

式中：RS为表面电阻；RV为体积电阻；D1 为测量电极直径(5cm) ；D2为保护电极内径(6cm)；Gap为保护电极与测量电极间隙（0.5cm）；t为被测试样厚度（0.200cm）；B为有效面积系数（默认为0）。

三、实验仪器与试样

CHT3530型数字绝缘电阻测试仪（高阻计）

10×10cm试样：PMMA，PTFE，PVC

四、实验步骤

4.1测试前的准备

4.1.1首先熟悉仪器功能键布局，如图1

图1

1、 显示窗；2、旋钮；3、多功能按键；4、电源开关；5、“软键”功能；6、输入端； 7、电压输出指示灯

连接仪器和电极箱的对应端钮，按下图将被测材料置于电极箱内，利用仪器所带的塑料片使测量电极和保护电极的间隙均匀。将箱内高电位鳄鱼夹夹住测量电

极，低电位鳄鱼夹夹住保护电极（电极之间千万不能互相接触，否则将损坏仪器），关好电极箱盖。

测量体积电阻时，电极箱上的选择开关置于RV，此时箱内三电极的状态如图2。

测量表面电阻时，电极箱上的选择开关置于RS，此时箱内三电极的状态如图3。

图2 测体积电阻Rv 图3 测表面电阻Rs

图中：(1)测量电极 （2）高压电极 （3）保护电极 （4）被测试样

4．1．3 接通电源，打开电源开关，电源指示灯亮。

4．2 测试步骤

4．2．1 测试试样体积电阻

a． 按控制面板上电压设定按钮，选中代该电压，输入200V，点击确定。然后再点击充电/放电按钮，待显示屏上出现黄色闪电图标，再点击放电测试按钮，显示屏上的数字开始跳动，大约5s后，记下实验的数据。记下数据后，点击停止测试按钮，然后再点击充电/放电按钮。大约30s后进行下一次测试，改变电压设置，操作步骤同上，重复三次，最后取RV的平均值。

4．2．2 测试试样表面电阻

将电极箱上的选择开关转到RS，其他测试步骤同4.2.1。重复三次，最后取的平均值。

4．2．3 仪器使用完毕后，应先切断电源，并将面板上各开关恢复到测试前的位置，再拆除所有接线。

五、注意事项

5．1 在测试电阻率较大的材料时，由于材料易极化，应采用较高测试电压。在进行体积电阻和表面电阻测量时，应先测体积电阻，反之，由于材料被极化和影响体积电阻。当材料连续多次测量后容易产生极化，会使测量无法进行下去，这时需停止对这种材料的测试，置于净处8-10h后再测量或者放在无水酒精内消洗，烘干，等冷却后再进行测量。

5．2 在对同一块试样而采用不同的测试电压时，一般情况下所选择的测试电压越高所测得的电阻值偏低。

5．3 测试时，人体不能接触仪器的高压输出端及其连接物，防止高压触电危险，同时也不能碰地，否则引起高压短路。

5．4 换检测样品时需先放电、断开高压输出电源。

六、结果处理

计算各试样的ρV，ρS。，并比较讨论之。

ρV的测量 高分子材料的电阻Rv（ GΩ ） 平均电阻Rv（GΩ） 电阻率ρV（GΩ·CM） 次数 1 数据 176.71 高分子材料的电阻Rs（ GΩ ） 平均电阻Rs（GΩ） 电阻率ρS（GΩ·CM） 次数 1 数据 21.455 2 28.356 3 12.879 20.896 5776.908 2 177.81 3 173.81 176.11 17289.558 ρS的测量

由数据可知，高分子的表面电阻比体积电阻要小得多。体积电阻表示1立方厘米电介质对泄漏电流的电阻，与试样接触或嵌入试样两边的两个平行电极间的体积电阻，是加在电极上的直流电压与流过试样体积的电流之比。表面电阻表示每平方厘米电介质表面对正方形的相对二边间表面泄漏电流所产生的电阻，大小决定于电介质的结构、组成，还与电压、温度、材料的表面状况、处理条件和环境湿度有关。