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(xiàn)出來(lái)的介電性能、導(dǎo)電性能、電擊穿性質(zhì)以及與其他材料接觸、摩擦?xí)r所引起的表面靜電性質(zhì)等?；镜氖请妼?dǎo)性能和介電性能，前者包括電導(dǎo)(電導(dǎo)率γ，電阻率ρ=1/γ)和電氣強(qiáng)度(擊穿強(qiáng)度Eb)；后者包括化(介電常數(shù)εr)和介質(zhì)損耗(損耗因數(shù)tgδ)。共四個(gè)基本參數(shù)。

種類繁多的高分子材料的電學(xué)性能是豐富多彩的。就導(dǎo)電性而言，高分子材料可以是緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體，如表1所示。多數(shù)聚合物材料具有卓越的電緣性能，其電阻率高、介電損耗小，電擊穿強(qiáng)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。高分子緣材料須具有的緣電阻。緣電阻決定于體積電阻與表面電阻。由于溫度、濕度對(duì)體積電阻率和表面電阻率有很大影響，為滿足工作條件下對(duì)緣電阻的要求，須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

除了控制材料的質(zhì)量外，測(cè)量材料的體積電阻率還可用來(lái)考核材料的均勻性、檢測(cè)影響材料電性能的微量雜質(zhì)的存在。當(dāng)有可以利用的相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，緣電阻或電阻率的測(cè)量可以用來(lái)指示緣材料在其他方面的性能，例如介質(zhì)擊穿、損耗因數(shù)、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(cè)量的意義

1    目的要求

固體（液體）體積及表面電阻率測(cè)試儀的使用方法和實(shí)驗(yàn)原理。

測(cè)出高聚物樣品的體積電阻率及表面電阻率，分析這些數(shù)據(jù)與聚合物分子結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系。

2    原理

2.1  名詞語(yǔ)

1) 緣電阻：施加在與試樣相接觸的二電之間的直流電壓除以通過(guò)兩電的總電流所得的商。它取決于體積電阻和表面電阻。

2) 體積電阻：在試樣的相對(duì)兩表面上放置的兩電間所加直流電壓與流過(guò)兩個(gè)電之間的穩(wěn)態(tài)電流之商；該電流不包括沿材料表面的電流。在兩電間可能形成的化忽略不計(jì)。

3) 體積電阻率：緣材料里面的直流電場(chǎng)強(qiáng)度與穩(wěn)態(tài)電流密度之商，即單位體積內(nèi)的體積電阻。

4) 表面電阻：在試樣的某一表面上兩電間所加電壓與經(jīng)過(guò)時(shí)間后流過(guò)兩電間的電流之商；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。在兩電間可能形成的化忽略不計(jì)。

表面電阻率：在緣材料的表面層的直流電場(chǎng)強(qiáng)度與線電流密度之商，即單位面積內(nèi)的表面電阻。

2.2    測(cè)量原理

根據(jù)上述定義，緣體的電阻測(cè)量基本上與導(dǎo)體的電阻測(cè)量相同，其電阻一般電壓與電流之比得到?，F(xiàn)有的方法可分為三大類：直接法，比較法，時(shí)間常數(shù)法。

這里介紹直接法中的直流放，該方法采用直流放大器，對(duì)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(cè)量出緣電阻，基本原理見圖1。

圖1  測(cè)試原理圖。

U—測(cè)試電壓(V)；R0—輸入電阻(Ω)；RX—被測(cè)試試樣的緣電阻(Ω)

當(dāng)R0《Rx時(shí)，則 Rx=(U/U0)·R0         (1)

式中：Rx——試樣電阻，(Ω)，

U——試驗(yàn)電壓，(V)，

U0——標(biāo)準(zhǔn)電阻R0兩端電壓，(V)，

R0——標(biāo)準(zhǔn)電阻，(Ω)。

測(cè)量?jī)x器中有數(shù)個(gè)不同數(shù)量級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)電阻，以適應(yīng)測(cè)不同數(shù)量級(jí)Rx的需要，被測(cè)電阻可以直接讀出。一般可測(cè)1017Ω以下的緣電阻。

從Rx的計(jì)算公式看到Rx的測(cè)量誤差決定于測(cè)量電壓U、標(biāo)準(zhǔn)電阻R0以及標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓U0的誤差。

2.3   測(cè)量技

通常，緣材料用于電氣系統(tǒng)的各部件相互緣和對(duì)地緣，固體緣材料還起機(jī)械支撐作用。一般希望材料有盡可能高的緣電阻，并具有合適的機(jī)械、化學(xué)和耐熱性能。

緣材料的電阻率一般都很高，也就是傳導(dǎo)電流很小。如果不注意外界因素的干擾和漏電流的影響，測(cè)量結(jié)果就會(huì)發(fā)生很大的誤差。同時(shí)緣材料本身的吸濕性和環(huán)境條件的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果也有很大影響。

影響體積電阻率和表面電阻率測(cè)試的主要因素是溫度和濕度、電場(chǎng)強(qiáng)度、充電時(shí)間及殘余電荷等。體積電阻率可作為選擇緣材料的一個(gè)參數(shù)，電阻率隨溫度和濕度的變化而顯著變化。體積電阻率的測(cè)量常常用來(lái)檢查緣材料是否均勻，或者用來(lái)檢測(cè)那些能影響材料質(zhì)量而又不能用其他方法檢測(cè)到的導(dǎo)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(cè)試中去，因此只能近似地測(cè)量表面電阻，測(cè)得的表面電阻值主要反映被測(cè)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(shù)，而是一個(gè)有關(guān)材料表面污染特性的參數(shù)。當(dāng)表面電阻較高時(shí)，它常間以不規(guī)則的方式變化。測(cè)量表面電阻通常都規(guī)定1min的電化時(shí)間。

（1）溫度和濕度：固體緣材料的緣電阻率隨溫度和濕度的升高而降低，是體積電阻率隨溫度改變而變化大。因此，電瓷材料不但要測(cè)定常溫下的體積電阻率，而且還要測(cè)定高溫下的體積電阻率，以評(píng)定其緣性能的好壞。由于水的電導(dǎo)大，隨著濕度，表面電阻率和有開口孔隙的電瓷材料的體積電阻率急劇下降。因此，測(cè)定時(shí)應(yīng)嚴(yán)格地按照規(guī)定的試樣處理要求和測(cè)試的環(huán)境條件下進(jìn)行。

（2）電場(chǎng)強(qiáng)度：當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度比較高時(shí)，離子的遷移率隨電場(chǎng)強(qiáng)度增高而，而且在接近擊穿時(shí)還會(huì)出現(xiàn)大量的電子遷移，這時(shí)體積電阻率大大地降低。因此在測(cè)定時(shí)，施加的電壓應(yīng)不過(guò)規(guī)定的值。

（3）殘余電荷：試樣在加工和測(cè)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(cè)量的準(zhǔn)確性。因此，在測(cè)量時(shí)，試樣要徹底放電，即可將幾個(gè)電連在一起進(jìn)行短路。

（4）雜散電勢(shì)的消除：在緣電阻測(cè)量電路中，可能存在某些雜散電勢(shì)，如熱電勢(shì)、電解電勢(shì)、接觸電勢(shì)等，其中影響的為電解電勢(shì)。用高阻計(jì)測(cè)量表面潮濕的試樣的體積電阻時(shí)，測(cè)量與保護(hù)間可產(chǎn)生20mv的電勢(shì)。試驗(yàn)前應(yīng)檢查有無(wú)雜散電勢(shì)?？筛鶕?jù)試樣加壓前后高阻計(jì)的二次指示是否相同來(lái)判斷有無(wú)雜散電勢(shì)。如相同，證明無(wú)雜散電勢(shì)；否則應(yīng)當(dāng)尋找并排除產(chǎn)生雜散電勢(shì)的，才能進(jìn)行測(cè)量。

（5）漏電流的影響：對(duì)于高電阻材料，只有采取保護(hù)技才能去除漏電流對(duì)測(cè)量的影響。保護(hù)技就是在引起測(cè)量誤差的漏電路徑上安置保護(hù)導(dǎo)體，截住可能引起測(cè)量誤差的雜散電流，使之不流經(jīng)測(cè)量回路或儀表。保護(hù)導(dǎo)體連接在一起構(gòu)成保護(hù)端，通常保護(hù)端接地。測(cè)量體積電阻時(shí)，三電系統(tǒng)的保護(hù)就是保護(hù)導(dǎo)體。此時(shí)要求保護(hù)電和測(cè)量電間的試樣表面電阻高于與它并聯(lián)元件的電阻10～100倍。線路接好后，應(yīng)先檢查是否存在漏電。此時(shí)斷開與試樣連接的高壓線，加上電壓。如在測(cè)量靈敏度范圍內(nèi)，測(cè)量?jī)x器指示的電阻值為無(wú)限大，則線路無(wú)漏電，可進(jìn)行測(cè)量。

（6）條件處理和測(cè)試條件的規(guī)定:固體緣材料的電阻隨溫度、濕度的增加而下降。試樣的預(yù)處理?xiàng)l件取決于被測(cè)材料，這些條件在材料規(guī)范中規(guī)定。推薦使用GB10580《固體緣材料在試驗(yàn)前和試驗(yàn)時(shí)采用的標(biāo)準(zhǔn)條件》中規(guī)定的預(yù)處理方法?？墒褂酶视汀芤撼睗裣溥M(jìn)行濕度預(yù)處理。測(cè)試條件應(yīng)與預(yù)處理?xiàng)l件盡可能地一致，有些時(shí)候(如浸水處理)不能保持預(yù)處理?xiàng)l件和測(cè)試條件一致時(shí)，則應(yīng)在從預(yù)處理環(huán)境中取出后在盡可能短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)試，一般不過(guò)5分鐘。

（7）電化時(shí)間的規(guī)定:當(dāng)直流電壓加到與試樣接觸的兩電間時(shí)，通過(guò)試樣的電流會(huì)指數(shù)式地衰減到一個(gè)穩(wěn)定值。電流間的減小可能是由于電介質(zhì)化和可動(dòng)離子位移到電所致。對(duì)于體積電阻率小于1010Ω·m的材料，其穩(wěn)定狀態(tài)通常在1分鐘內(nèi)。因此，要經(jīng)過(guò)這個(gè)電化時(shí)間后測(cè)定電阻。對(duì)于電阻率較高的材料，電流減小的過(guò)程可能會(huì)持續(xù)幾分鐘、幾小時(shí)、幾天，因此需要用較長(zhǎng)的電化時(shí)間。如果需要的話，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(dāng)表面電阻較高時(shí)，它常間以不規(guī)則的方式變化。測(cè)量表面電阻通常都規(guī)定1分鐘的電化時(shí)間。