材料的电学性能测试.doc

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1、材料科学实验讲义(一级实验指导书)东华大学材料科学与工程中心实验室汇编2009年7月12一、实验目的按照导电性能区分，不同种类的材料都可以分为导体、半导体和绝缘体三大类。区分标准一般以106Ω×cm和1012Ω×cm为基准，电阻率低于106Ω×cm称为导体，高于1012Ω×cm称为绝缘体，介于两者之间的称为半导体。然而，在实际中材料导电性的区分又往往随应用领域的不同而不同，材料导电性能的界定是十分模糊的。就高分子材料而言，通常是以电阻率1012Ω×cm为界限，在此界限以上的通常称为绝缘体的高分子材料，电阻率小于106Ω×cm称为导

2、电高分子材料，电阻率为106～1012Ω×cm常称为抗静电高分子。通常高分子材料都是优良的绝缘材料。通过本实验应达到以下目的：1、了解高分子材料的导电原理，掌握实验操作技能。2、测定高分子材料的电阻并计算电阻率。3、分析工艺条件与测试条件对电阻的影响。二、实验原理1、电阻与电阻率材料的电阻可分为体积电阻(Rv)与表面电阻(Rs)，相应的存在体积电阻率与表面电阻率。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。体积电阻率：在绝

3、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。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。体积电阻和表面电阻的试验都受下列因素影响：施加电压的大小和时间；电极的性质和尺寸；在试样处理和测试过程中周围大气条件和试样的温度、湿度。高阻测量一般可以利用欧姆定律来实现，即R=V/I。如果一直稳

4、定通过电阻的电流，那么测出电阻两端的电压，就可以算出R的值。同样，给被测电阻施加一个已知电压，测出流过电阻的电流，也可以算出R的值。问题是R值很大时，用恒流测压法，被测电压V=RI将很大。若I=1μA，R=1012Ω，要测的电压V=106V。用加压测流法，V是已知的，要测的电流I=V/R将很小。因为处理弱电流难度相对小些，我们采用加压测流法，主要误差来源是微弱电流的测量。2、导电高分子材料的分类12根据导电机理的不同，导电聚合物可分为结构型和复合型两类。结构型导电聚合物(又称本征型导电聚合物)自身具有导电性，其大分子链中的共轭键可

5、提供导电载流子，如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺等。结构型导电聚合物由于刚性大而难于溶解和熔融、成型较困难、成本高昂，而且掺杂剂多属剧毒、强腐蚀物质，导电的稳定性、重复性以及导电率的变化范围比较窄等等诸多因素限制了本征型高分子导电材料的发展。复合型导电聚合物(又称填充型导电聚合物)，其聚合物本身无导电性，主要依靠渗入聚合物基体中的导电微粒(抗静电剂或导电填料)提供自由电子载流子以实现导电过程。添加抗静电剂的高分子材料的电阻率一般只能达到1×108～1×1010Ω·cm，电阻降低有限且耐久性差，受外在因素(如空气湿度等)影响较大，通常只在短

6、期要求抗静电的条件下使用。因此，目前电高分子材料以添加导电填料为主。常用的导电填料有：①碳炭系列，如石墨、碳黑和碳纤维等；②金属系列，如金属粉末、碎片和纤维，镀金属的粉末和纤维等；③其它系列，如无机盐和金属氧化物粉末等。其中，由于碳黑原料易得，品种齐全，价格低廉，质轻，还兼有增强、吸收紫外线等功能，是目前广泛采用的导电填料。3、渗滤(percolation)现象和渗滤阈值图1所示的是典型的高分子导电复合材料的体积电阻率与导电填料含量的关系。可以看出复合材料的导电性不是随着炭黑含量的增加而成比例地增大的，随着炭黑含量的增加，复合材料

7、的体积电阻率起初略微下降，当炭黑含量增大到某一临界值时复合材料的电阻率突然急剧减小，在一个很窄的区域内，炭黑含量的略微增加会导致复合材料电阻率大幅度下降，这种现象通常称为“渗滤”效应(PercolationEffect)，炭黑含量的临界值称为“渗滤阈值”(Percolationthreshold)。在突变之后，复合材料的体积电阻率随着炭黑含量的增加而下降的幅度又恢复平缓。体积电阻率急剧下降的区域(B区)称为渗滤区，A区、C区分别为绝缘区和导电区。图1复合材料的体积电阻率与炭黑的关系4、聚合物基导电复合材料的导电机理聚合物基导电复合

8、材料的导电机理有如下几种理论：(1)12导电通道学说，此学说认为导电填料加到聚合物后不可能达到真正的多相均匀分布，总有部分带电粒子相互接触而形成链状导电通道，使复合材料得以导电。这种理论已被大多数学者所接受。(2)隧道效应学说，尽管导电粒子直接接触