材料的電學(xué)性能測試

1、材料科學(xué)實驗講義(一級實驗指導(dǎo)書)東華大學(xué)材料科學(xué)與工程中心實驗室 匯編2009年7月一、實驗?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106×cm和1012×cm為基準(zhǔn)，電阻率低于106×cm稱為導(dǎo)體，高于1012×cm稱為絕緣體，介于兩者之間的稱為半導(dǎo)體。然而，在實際中材料導(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

2、率為106 1012×cm常稱為抗靜電高分子。通常高分子材料都是優(yōu)良的絕緣材料。通過本實驗應(yīng)達(dá)到以下目的：1、了解高分子材料的導(dǎo)電原理，掌握實驗操作技能。2、測定高分子材料的電阻并計算電阻率。3、分析工藝條件與測試條件對電阻的影響。二、實驗原理1、電阻與電阻率材料的電阻可分為體積電阻(Rv)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：在試樣的相對兩表面上放置的兩電極間所加直流電壓與流過兩個電極之間的穩(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。體積電阻率：在絕緣材料里面的直流電場強(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

3、阻：在試樣的某一表面上兩電極間所加電壓與經(jīng)過一定時間后流過兩電極間的電流之商；該電流主要為流過試樣表層的電流，也包括一部分流過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。表面電阻率：在絕緣材料的表面層的直流電場強(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都受下列因素影響：施加電壓的大小和時間；電極的性質(zhì)和尺寸；在試樣處理和測試過程中周圍大氣條件和試樣的溫度、濕度。高阻測量一般可以利用歐姆定律來實現(xiàn)，即R=V/I。如果一直穩(wěn)定通過電阻的電流，那么測出電阻兩端的電壓，就可以算出R的值。同樣，給被測電阻施加一個已知電壓，測出流過電阻的電流，也可以算出R的值。問題是

4、R值很大時，用恒流測壓法，被測電壓V=RI將很大。若I=1A，R=1012，要測的電壓V=106V。用加壓測流法，V是已知的，要測的電流I=V/R將很小。因為處理弱電流難度相對小些，我們采用加壓測流法，主要誤差來源是微弱電流的測量。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)電率的變化范圍比較窄等等諸多因素限制了本征

5、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現(xiàn)導(dǎo)電過程。添加抗靜電劑的高分子材料的電阻率一般只能達(dá)到1×1081×1010 ·cm，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，如無機(jī)鹽和金屬氧化物粉末等。其中，由于碳黑原料易得，品種齊全

6、，價格低廉，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?？梢钥闯鰪?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復(fù)合材料的電阻率突然急劇減小，在一個很窄的區(qū)域內(nèi)，炭黑含量的略微增加會導(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”(Percolation threshold)。在突變之后，

7、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)。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，此學(xué)說認(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，盡管導(dǎo)電粒子直接接觸是導(dǎo)電的主要方式，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

8、伸狀態(tài)下亦有導(dǎo)電現(xiàn)象。通過對電阻率與導(dǎo)電粒子間隙的關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)粒子間隙很大時也有導(dǎo)電現(xiàn)象，這被認(rèn)為是分子熱運(yùn)動和電子遷移的綜合結(jié)果。(3) 電場發(fā)射學(xué)說，Beek等人研究了界面電壓-電流非歐姆特性問題。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)電場引起了發(fā)射電場，促使電子越過能壘而產(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

9、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)到材料的某個特定的轉(zhuǎn)變點溫度附近時，材料的電阻率會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103109數(shù)量級。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)合體系。其典型的阻溫特征曲線，如圖2所示。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

10、。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時，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，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，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，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

11、的距離增大到無法產(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實驗結(jié)果則說明，膨脹系數(shù)與PTC強(qiáng)度之間并無固定的關(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，晶體的晶區(qū)尚未熔化，碳黑粒子之間可以通過晶區(qū)而產(chǎn)生隧道效應(yīng)，電阻較小，晶區(qū)熔化時，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處于受壓態(tài)的碳黑粒子開始附聚成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。6、高阻聚合物電阻的測量原理(1) 四探針法測電阻率當(dāng)1、2、3、4四根金屬探針排成一直線時，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

12、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，則V，可由數(shù)字電壓表直接讀出。材料電阻率探針系數(shù)(2) 二探針法測電阻電導(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：可以推出電導(dǎo)率公式：本實驗是對長方體聚合物試樣進(jìn)行測試，所以式中d試樣厚度(cm)，w試樣寬度(cm)，l試樣長度(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

13、率儀測其電壓、電流，測出電阻率并計算出電導(dǎo)率。每個樣品測試5次，取其平均值。圖4 電阻測試示意圖三、實驗儀器簡介本實驗采用美國Keithley(吉時利)公司研發(fā)的C236源測量儀(SMU)與6517A靜電計/高阻表。1、工作原理如圖5，A圖為一定電壓測量電流，B圖為施加一定電流測量電壓，通過歐姆定律R=U/I便可算出電阻。A. Source V Measure IB. Source I Measure V圖5 工作原理電路圖2、Model 236的測量范圍圖6 Source-Measure Capabilities3、Model 236的測量精度A. 源電壓的精度B. 測量電壓的精度C源電流的

14、精度D測量電流的精度四、實驗操作1、C236前面板重要按鍵簡介1. POWER 電源2. LOCAL 程控切換3. OPERATE 操作4. WARNING 安全警報5. SOURCE MEASURE 測量源V/I切換6. FUNTION7. COMPLIANCE 設(shè)置本儀器(SMU)的最大測量值，對電路起保護(hù)作用8. 9. SUPPRESS10. FILTER11. AUTORANGE 自動調(diào)節(jié)量程12. CREAT13. MODIFY14. APPEND15. RECALL16. SETUP 參數(shù)設(shè)置17. TRIGGER 觸發(fā)測量18. Rotary Knob19. SELECT20.

15、Keypad21. MENU2、電阻的簡單測量(1) 開機(jī)預(yù)熱20分鐘(2) 將兩紅色電極連接待測電阻兩端(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) 計算電阻值3、C236的高階應(yīng)用(1) 開機(jī)預(yù)熱20分鐘(2) 啟動電腦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 VOLTAGE(終止電壓)，STEP VOLTAGE(步進(jìn)電壓)，COMPLIANCE(量程)，DELAY(延時)(6) 設(shè)置輸出文件路徑(7) RUN 4、使用6517a測試電阻(1) 調(diào)零：MENUSAVESETUPRESETENTERBENCHENTERENTER(2) 按R鍵，選擇測試電阻(3) 選擇自動設(shè)定電壓CONFIGRVSOURCEENTERAUTOENTEREXIT(4) 按AUTO鍵，設(shè)定自動設(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，開始測試(8) 讀取電阻值(9) 按OPER，結(jié)束測試。圖7 6517A的連接