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 电阻率ρ（欧·米） 10-8 电导率σ（欧-1·米-1） 108 1

导体 半导体 绝缘体

10-8—10-5 10-5--107 107--1018 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。超高电阻测试仪的主要原理如图1和图2。

直流高压测试电源 放电测试装置 试样及电极箱 高阻抗直流放大器 显示器

电源

图1 仪器的方框图

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Rx+U-R0U0DCHIGH VOLTAGEPOWER>OHM 图2 原理图

图中： U——测试电压（伏）

R0——输入电阻（欧），其上电压为U0（伏）

Rx——被测试的绝缘电阻（欧） Rx=R0（U/U0）

计算表面电阻率ρs与体积电阻率ρv的公式如下:

sRs22, 81.6 d2d2lnlnd1d1

2（d1g）VRV2（d1g）4l421.237 cm2

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(5.4cm)；g为保护电极与测量电极间隙（0.2cm）；l 为被测试样厚度（cm）。

三、实验仪器与试样

PC40B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

1. 测试前的准备

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（1）首先熟悉仪器功能键布局

123方式选择电压选择4电阻量程选择910118761213145PC40B型数字绝缘电阻测试仪上海安标电子有限公司Rx高压输出输入11

109876 图3 仪器面板

1.三位半数字显示器 2.测试时间显示器 3.方式选择开关 4.电压选择开关 5.电阻量程选择开关 6.输入端钮 7.接地端钮 8.高压输出端钮(红色) 9.时间设定拨盘 10.定时设定开关 11.电源开关

（2）检查各开关的位置 a． b． c． d． e．

“电源开关”置于“关”的位置

“额定电压选择开关”置于需要的电压（一般为500V）。 “方式选择开关”置于“放电”位置。

“电阻量程选择开关”置于：当被测物阻值已知时，选择相应档；未知“定时设定开关”置于“关”的位置。

时则选择106档。 （3）测试接线图

在测量大于1010欧电阻时，应将被测物屏蔽，以避免外界干扰而影响正常测试。

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方式选择电压选择电阻量程选择91011876121314PC40B型数字绝缘电阻测试仪上海安标电子有限公司Rx高压输出输入被测试物

图4 测电阻

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。将箱内红色鳄鱼夹夹住测量电极，黑色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5。 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6。

至仪器输入端(1)(3)至仪器输入端(1)(3)至仪器高压输出端钮xxxxxxxxxxxxxxxxxxx(2)至仪器高压输出端钮(4)xxxxxxxxxxxxxxxxxxx(2)(4)

图5 测体积电阻Rv 图6 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）接通电源，打开电源开关，电源指示灯亮，预热30min。 2. 测试步骤

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（1）测试试样体积电阻

将电极箱上的选择开关转到RV a．

将方式选择开关置于充电档，对被测物经一定时间的充电后（视被测物

容量大小而定，一般为15s，当电容量或电阻值大时，可适当延长充电时间）。 b． c．

将定时设定开关置于开的位置，拨动时间设定盘至1min。

先将方式选择开关置于测试位置后，定时设定开关置于开的位置。待到

达设定时间，即可锁定读数。在进行下一次测试前，需将定时设定开关置于关的位置。

注：若发现显示为0.200以下，可将电阻量程选择开关减低一档，若降至电阻量程选择开关为106档，显示值仍为0.200以下，即被测电阻小于200KΩ，处于仪器的最小量限外，应立即将方式选择开关置于放电位置，并停止测试，以免损坏仪器。如显示为1.999，可将电阻量程选择开关逐档升高，直至读数处于0.200--1.999。将仪器上的读数（单位为欧）乘以电阻量程选择开关所指示的倍率，即为被测物的绝缘电阻值。

重复三次，最后取RV的平均值。 （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（2）。重复三次，最后取的平均值。

（3）测试完毕，即将方式选择开关拨到放电位置后，方可拆下被测物。如被测物的电容量较大时（约0.01μF以上者）需经1 min左右的放电，方能拆下被测物。

（4）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、实验数据记录与处理

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l/cm 1 2 3

通过数据可得：

PMMA 0.5

RS/Ω

RV/Ω

PTFE 0.5

RS/Ω

RV/Ω

RS/Ω

PVC 0.3

RV/Ω

5.48E+11 4.57E+13 3.44E+11 1.23E+14 1.08E+12 1.51E+14 4.73E+11 5.61E+13 4.14E+11 1.39E+14 1.09E+12 1.66E+14 4.45E+11 6.58E+13 5.16E+11 1.33E+14 1.32E+12 1.80E+14

平均值 4.E+11 5.59E+13 4.25E+11 1.32E+14 1.16E+12 1.66E+14

PMMA： ρS=3.988×1013 Ω ρV=2.373×1015 Ω•cm PTFE： ρS=3.4658×1013 Ω ρV=5.594×1015 Ω•cm PVC： ρS=9.5018×1013 Ω ρV=7.041×1015 Ω•cm

由实验数据可以看出，PMMA和PTFE各自的体积电阻率（单位Ω•m）均略大于表面电阻率，只有PVC的体积电阻率略小于表面电阻率。几在种不同试样之间，PVC的ρS和ρV均明显大于PMMA和PTFE的电阻率，PMMA与PTFE的表面电阻率相差不大，但PTFE的体积电阻率明显大于PMMA的体积电阻率。

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