材料的電學(xué)性能測(cè)試教材

1、材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)講義東華大學(xué)材料科學(xué)與工程中心實(shí)驗(yàn)室 匯編2009 年 7 月、實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌凑諏?dǎo)電性能區(qū)分，不同種類的材料都可以分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三大類。 區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)一般以 106cm 和 1012cm 為基準(zhǔn)，電阻率低于 106 cm 稱為導(dǎo)體，高于 121012cm 稱為絕緣體，介于兩者之間的稱為半導(dǎo)體。然而，在實(shí)際中材料導(dǎo)電性的區(qū) 分又往往隨應(yīng)用領(lǐng)域的不同而不同，材料導(dǎo)電性能的界定是十分模糊的。就高分子材 料而言，通常是以電阻率 1012 cm 為界限，在此界限以上的通常稱為絕緣體的高分子 材料，電阻率小于 106 cm 稱為導(dǎo)電高分子材料，電阻率為 106 1012 cm 常稱為抗 靜電

2、高分子。通常高分子材料都是優(yōu)良的絕緣材料。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)應(yīng)達(dá)到以下目的：1、了解高分子材料的導(dǎo)電原理，掌握實(shí)驗(yàn)操作技能。2、測(cè)定高分子材料的電阻并計(jì)算電阻率。3、分析工藝條件與測(cè)試條件對(duì)電阻的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理1、電阻與電阻率 材料的電阻可分為體積電阻 (R v)與表面電阻 (Rs)，相應(yīng)的存在體積電阻率與表面電 阻率。體積電阻：在試樣的相對(duì)兩表面上放置的兩電極間所加直流電壓與流過(guò)兩個(gè)電極 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。在兩電極間可能形成的極化 忽略不計(jì)。體積電阻率：在絕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。表面電阻：在試樣的某一表面上兩電極間所

3、加電壓與經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后流過(guò)兩電極 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。在兩電極間可能形成的極化忽略不計(jì)。表面電阻率：在絕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。體積電阻和表面電阻的試驗(yàn)都受下列因素影響：施加電壓的大小和時(shí)間；電極的 性質(zhì)和尺寸；在試樣處理和測(cè)試過(guò)程中周圍大氣條件和試樣的溫度、濕度。高阻測(cè)量 一般可以利用歐姆定律來(lái)實(shí)現(xiàn)，即 R=V/I 。如果一直穩(wěn)定通過(guò)電阻的電流，那么測(cè)出 電阻兩端的電壓，就可以算出 R 的值。同樣，給被測(cè)電阻施加一個(gè)已知電壓，測(cè)出流 過(guò)電阻的電流，也可以算出 R 的值。問(wèn)題是 R

4、值很大時(shí)，用恒流測(cè)壓法，被測(cè)電壓 V=RI 將很大。 若 I=1 A，R=1012，要測(cè)的電壓 V=10 6V 。用加壓測(cè)流法， V 是已知的， 要測(cè)的電流 I=V/R 將很小。因?yàn)樘幚砣蹼娏麟y度相對(duì)小些，我們采用加壓測(cè)流法，主 要誤差來(lái)源是微弱電流的測(cè)量。2、導(dǎo)電高分子材料的分類根據(jù)導(dǎo)電機(jī)理的不同，導(dǎo)電聚合物可分為結(jié)構(gòu)型和復(fù)合型兩類。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電聚合 物 （ 又稱本征型導(dǎo)電聚合物 ）自身具有導(dǎo)電性，其大分子鏈中的共軛鍵可提供導(dǎo)電載流 子，如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺等。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電聚合物由于剛性大而難于溶解和熔融、 成型較困難、成本高昂，而且摻雜劑多屬劇毒、強(qiáng)腐蝕物質(zhì)，導(dǎo)電的穩(wěn)定性、重復(fù)性 以及導(dǎo)電

5、率的變化范圍比較窄等等諸多因素限制了本征型高分子導(dǎo)電材料的發(fā)展。復(fù)合型導(dǎo)電聚合物 （又稱填充型導(dǎo)電聚合物 ），其聚合物本身無(wú)導(dǎo)電性， 主要依靠滲 入聚合物基體中的導(dǎo)電微粒 （ 抗靜電劑或?qū)щ娞盍?）提供自由電子載流子以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電過(guò) 程。添加抗靜電劑的高分子材料的電阻率一般只能達(dá)到110811010 c，m電阻降低有限且耐久性差， 受外在因素 （如空氣濕度等 ）影響較大， 通常只在短期要求抗靜電的 條件下使用。因此，目前電高分子材料以添加導(dǎo)電填料為主。常用的導(dǎo)電填料有：碳炭系列，如石墨、碳黑和碳纖維等；金屬系列，如金 屬粉末、碎片和纖維，鍍金屬的粉末和纖維等；其它系列，如無(wú)機(jī)鹽和金屬氧化物 粉末等

6、。其中，由于碳黑原料易得，品種齊全，價(jià)格低廉，質(zhì)輕，還兼有增強(qiáng)、吸收 紫外線等功能，是目前廣泛采用的導(dǎo)電填料。3、滲濾 （percolation） 現(xiàn)象和滲濾閾值圖 1 所示的是典型的高分子導(dǎo)電復(fù)合材料的體積電阻率與導(dǎo)電填料含量的關(guān)系。 可以看出復(fù)合材料的導(dǎo)電性不是隨著炭黑含量的增加而成比例地增大的，隨著炭黑含 量的增加，復(fù)合材料的體積電阻率起初略微下降，當(dāng)炭黑含量增大到某一臨界值時(shí)復(fù) 合材料的電阻率突然急劇減小，在一個(gè)很窄的區(qū)域內(nèi)，炭黑含量的略微增加會(huì)導(dǎo)致復(fù) 合材料電阻率大幅度下降，這種現(xiàn)象通常稱為“滲濾 ”效應(yīng) （Percolation Effect） ，炭黑含量的臨界值稱為 “滲濾閾值

7、”（Percloation threshold） 。在突變之后，復(fù)合材料的體積電阻 率隨著炭黑含量的增加而下降的幅度又恢復(fù)平緩。體積電阻率急劇下降的區(qū)域（B 區(qū) ）稱為滲濾區(qū)， A 區(qū)、 C 區(qū)分別為絕緣區(qū)和導(dǎo)電區(qū)。mc /go炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%圖 1 復(fù)合材料的體積電阻率與炭黑的關(guān)系4、聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理 聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理有如下幾種理論：（1）導(dǎo)電通道學(xué)說(shuō)， 此學(xué)說(shuō)認(rèn)為導(dǎo)電填料加到聚合物后不可能達(dá)到真正的多相均勻 分布，總有部分帶電粒子相互接觸而形成鏈狀導(dǎo)電通道，使復(fù)合材料得以導(dǎo)電。這種 理論已被大多數(shù)學(xué)者所接受。(2) 隧道效應(yīng)學(xué)說(shuō)， 盡管導(dǎo)電粒子直接接觸是導(dǎo)電的

8、主要方式， 但 Polley 和 Boonstra 利用電子顯微鏡觀察后，發(fā)現(xiàn)碳黑填充橡膠的復(fù)合體系，存在碳黑尚未成鏈且在橡膠 延伸狀態(tài)下亦有導(dǎo)電現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)電阻率與導(dǎo)電粒子間隙的關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)粒子間隙 很大時(shí)也有導(dǎo)電現(xiàn)象，這被認(rèn)為是分子熱運(yùn)動(dòng)和電子遷移的綜合結(jié)果。(3) 電場(chǎng)發(fā)射學(xué)說(shuō)， Beek 等人研究了界面電壓 -電流非歐姆特性問(wèn)題。他們認(rèn)為由 于界面效應(yīng)的存在，當(dāng)電壓增加到一定值后，導(dǎo)電粒子間產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)引起了發(fā)射電 場(chǎng)，促使電子越過(guò)能壘而產(chǎn)生電流，導(dǎo)致電流增加而偏離線性關(guān)系。聚合物基導(dǎo)電復(fù)合物材料的實(shí)際導(dǎo)電機(jī)理是相當(dāng)復(fù)雜的，但現(xiàn)階段主要認(rèn)為是導(dǎo) 電填料的直接接觸和間隙之間的隧道效應(yīng)的

9、綜合作用。5、聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料的 PTC 效應(yīng)PTC(Positive Temperature Coefficient) 效應(yīng)是指材料的電阻值隨溫度的升高而上升 的一種熱敏材料，即材料的電阻或者電阻率在某一定的溫度范圍內(nèi)時(shí)基本保持不變或 僅有微小量的變化，而當(dāng)溫度達(dá)到材料的某個(gè)特定的轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度附近時(shí)，材料的電阻 率會(huì)在幾度或十幾度狹窄的溫度范圍內(nèi)發(fā)生(半 )導(dǎo)體到絕緣體的相互轉(zhuǎn)變， 電阻率迅速增大 103 109數(shù)量級(jí)。一般目前使用的 PTC 材料主要分為陶瓷基 PTC 材料和高分子基 PTC 材料兩種類型。后者是以聚合物材料為基體，加入碳黑、金屬粉、金屬氧化物為 導(dǎo)電填料，所形成的多相復(fù)

10、合體系。其典型的阻溫特征曲線，如圖2 所示。IIIIIIpb0T0TbTp T maxT/oC圖 2 典型的阻溫特征曲線復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的 PTC效應(yīng)的導(dǎo)電機(jī)理較為復(fù)雜， 目前對(duì) PTC現(xiàn)象的解釋大 部分體現(xiàn)在體積膨脹和晶相轉(zhuǎn)變兩大觀點(diǎn)。目前比較有代表性的理論有下面幾種：Kohler認(rèn)為， PTC現(xiàn)象的產(chǎn)生取決于聚合物基體的熱膨脹系數(shù)。由于高分子材料的熱膨脹系數(shù)大于導(dǎo)電粉體材料的熱膨脹系數(shù)，因此在復(fù)合材料的升溫過(guò)程中，聚合物 基體的膨脹使 CB 顆粒間的距離變大，電阻率增加。當(dāng)溫度接近聚合物晶體融點(diǎn)時(shí)，體 積的突然膨脹致使導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)破壞，材料呈現(xiàn)高的電阻。但這一理論不能解釋當(dāng)復(fù)合物發(fā)生應(yīng)變時(shí)

11、， PTC強(qiáng)度減少的現(xiàn)象，也不能解釋為何許多導(dǎo)電粒子填充的非晶高聚物 無(wú)PTC效應(yīng)。Ohe提出 PTC現(xiàn)象主要取決于導(dǎo)電顆粒間的隧道效應(yīng)。在低溫時(shí)，CB粒子間距小且分布均勻，可以產(chǎn)生顯著的隧道效應(yīng)。高溫時(shí)，基體的熱膨脹使粒子分散得不均勻， 有相當(dāng)一部分粒子間的距離增大到無(wú)法產(chǎn)生隧道效應(yīng)，大量的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)消失，材料的 電阻率增大。Meyer 實(shí)驗(yàn)結(jié)果則說(shuō)明，膨脹系數(shù)與 PTC強(qiáng)度之間并無(wú)固定的關(guān)系，熱膨脹系數(shù)較 小的高聚物也可能有較強(qiáng)的 PTC效應(yīng)。他認(rèn)為結(jié)晶高分子膜 (30nm) 的導(dǎo)電性比非晶高 分子膜高得多。溫度較低時(shí)，晶體的晶區(qū)尚未熔化，碳黑粒子之間可以通過(guò)晶區(qū)而產(chǎn) 生隧道效應(yīng)，電阻較小，

12、晶區(qū)熔化時(shí)，由于晶區(qū)到非晶區(qū)的轉(zhuǎn)變，材料的導(dǎo)電能力減 弱，電阻增加，高溫后電阻降低是由于原來(lái)處于受壓態(tài)的碳黑粒子開(kāi)始附聚成導(dǎo)電網(wǎng) 絡(luò)。6、高阻聚合物電阻的測(cè)量原理(1) 四探針?lè)y(cè)電阻率當(dāng) 1、2、3、4 四根金屬探針排成一直線時(shí)，并以一定壓力壓在半導(dǎo)體材料上，在1、4兩處探針間通過(guò)穩(wěn)定電流 I，則 2、 3探針間產(chǎn)生電位差 V。中： S1、S2、 S3分別 為探針 1 與 2， 2 與 3，3 與 4 之間距，用 cm 為單位。每個(gè)探頭都有自己的系數(shù)。C 6.28 0.05 ，單位 cm 。 若電流取 I = C 時(shí)， 則 V ，可由數(shù)字電壓表直接讀出。材料電阻率VC探針系數(shù)20 1 1 1

13、S1 S2 S1 S2 S2 S3(2) 二探針?lè)y(cè)電阻電導(dǎo)率 是電阻率 的倒數(shù)： =1/ ，反映了物體導(dǎo)電能力的大小。電導(dǎo)率越大表 明物體的導(dǎo)電性能越好，常用單位為S/cm。由電阻公式： R LS可以推出電導(dǎo)率公式： LRS本實(shí)驗(yàn)是對(duì)長(zhǎng)方體聚合物試樣進(jìn)行測(cè)試，所以Rdwl式中 d試樣厚度 (cm)，w 試樣寬度 (cm)，l試樣長(zhǎng)度 (cm)，R試樣電阻 ()。 如圖 4，將試樣夾持在導(dǎo)電性能良好的夾頭間，接上電阻率儀測(cè)其電壓、 電流， 測(cè)出電阻率并計(jì)算出電導(dǎo)率。每個(gè)樣品測(cè)試 5 次，取其平均值。接電阻儀 接電阻儀試樣金屬夾頭圖 4 電阻測(cè)試示意圖三、實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)介本實(shí)驗(yàn)采用美國(guó) 計(jì)/高阻表。

14、1、工作原理如圖 5，A 圖為一定電壓測(cè)量電流， R=U/I 便可算出電阻。B 圖為施加一定電流測(cè)量電壓， 通過(guò)歐姆定律B. Source I Measure VA. Source V Measure IKeithley( 吉時(shí)利 )公司研發(fā)的 C236 源測(cè)量?jī)x (SMU) 與 6517A 靜電圖 5 工作原理電路圖2、Model 236 的測(cè)量范圍100mA-V-100VSinkSourceSourceSinkV+100V-100mA-I圖 6 Source-Measure Capabilities3、Model 236 的測(cè)量精度A.源電壓的精度B.測(cè)量電壓的精度C源電流的精度D測(cè)量電流

15、的精度四、實(shí)驗(yàn)操作1、C236 前面板重要按鍵簡(jiǎn)介1. POWER 電源3. OPERATE 操作2. LOCAL 程控切換4. WARNING 安全警報(bào)5. SOURCE MEASURE 測(cè)量源 V/I 切換 6. FUNTION7. COMPLIANCE 設(shè)置本儀器 (SMU) 的最大測(cè)量值，對(duì)電路起保護(hù)作用8. TIME9. SUPPRESS10. FILTER11. AUTORANGE 自動(dòng)調(diào)節(jié)量程12. CREAT13. MODIFY14. APPEND15. RECALL16. SETUP 參數(shù)設(shè)置17. TRIGGER 觸發(fā)測(cè)量18. Rotary Knob19. SELECT2

16、0. Keypad21. MENU2、電阻的簡(jiǎn)單測(cè)量(1) 開(kāi)機(jī)預(yù)熱 20 分鐘(2) 將兩紅色電極連接待測(cè)電阻兩端(3) 設(shè)置輸入電壓(4) 設(shè)定 COMPLIANCE 參數(shù)或選擇 AUTORANGE(5) OPERATE ( 安全提示：此時(shí)已接通電源，謹(jǐn)防觸電)(6) TRIGGER(7) 讀出電流值，儀器顯示 Stand By 后，方可讀數(shù)、分解電路(8) 計(jì)算電阻值3、C236 的高階應(yīng)用(1) 開(kāi)機(jī)預(yù)熱 20 分鐘(2) 啟動(dòng)電腦 TESTPOINT 程序(3) 調(diào)用 TEST.TST 文件(4) 進(jìn)入 RUN 模式(5) 設(shè)置 START VOLTAGE( 初始電壓 )， STOP

17、 VOLTAGE( 終止電壓 )，STEP VOLTAGE( 步進(jìn)電壓 )，COMPLIANCE( 量程)， DELAY( 延時(shí) )(6) 設(shè)置輸出文件路徑(7) RUN4、使用 6517a 測(cè)試電阻(1) 調(diào)零：MENU SA VESETUP RESET ENTER BENCH ENTER ENTER(2) 按 R 鍵，選擇測(cè)試電阻(3) 選擇自動(dòng)設(shè)定電壓CONFIG RVSOURCE ENTER AUTO ENTER EXIT(4) 按 AUTO 鍵，設(shè)定自動(dòng)設(shè)定電壓(5) 以如下方式之一連接試樣(6) 按 Z-CHK 鍵，調(diào)零(7) 按 OPER 鍵，開(kāi)始測(cè)試(8) 讀取電阻值(9) 按 OPER，結(jié)束測(cè)試。圖 7 6517A 的連接