材料的性能和測試

SEP2008ECE材料性能和測試BillyHan2008.9ECE材料性能和測試方法導電彈性體材料的物理機械性和材料的電學性能和導電穩(wěn)定性及環(huán)境適應性測試可參照ASTM,MIL-83528相關(guān)標準進行測試,對于一些特殊應用性測試可按照內(nèi)部標準進行,對于墊片的最終測試還要通過電磁兼容的整機測試.ECE材料測試要求測試電阻和體積電阻率：屏蔽效能：熱老化試驗扯斷后電阻測試

振動過程中和振動后的電阻

EMP環(huán)境測試

電化學腐蝕抗溶劑試驗

抗輻射,生物,化學侵蝕性能普通物理性能，這些物理性能屬于橡膠材料的常規(guī)性能測試比重

邵氏硬度

抗拉強度斷裂伸長率

撕裂強度

壓縮永久變形

最高使用溫度

最低使用溫度

壓縮/撓曲性能

屏蔽效能和材料的體積電阻率：EMI墊片的突出特性就是屏蔽效能，直接測量屏蔽效能的方法與直流電阻方法相比（如體電阻系數(shù)測量）是非常復雜的。屏蔽效能測試一般要求專業(yè)人員操作住在專業(yè)設(shè)備和各種相當昂貴的儀器，出于這個原因，體電阻系數(shù)作為一種直流電阻測量是間接測量電磁干擾屏蔽效能的通用方法。然而，對無線技術(shù)中常用的高頻，直流電阻系數(shù)與屏蔽效能的關(guān)系并不是直接的，屏蔽效能還依賴于填充導電顆粒的成分，形狀，填充量等，如鎳類導電粉的鐵磁性對屏蔽效能是有利的，尤其是對于低頻段。屏蔽效能還依賴于襯墊的形狀，而直流電阻卻不是。屏蔽效能和直流電阻率的關(guān)系：隨著體電阻系數(shù)的增加，屏蔽效能逐漸下降，且體電阻系數(shù)超過1歐姆-厘米時有陡峭的下降，EMI屏蔽用導電橡膠的體電阻率從0.01到0.1屏蔽效能將從130DB下降到85DB。在1000MHZ要比20MHZ下降更劇烈。導電是屏蔽的必要條件電導率和電阻率一般來說,電導是電阻的倒數(shù)電導的符號是Sigma“s”

單位是Siemens(s)電阻的符號是“R”單位是Ohm(W)R=1/s總電阻是界面接觸電阻和材料本體電阻的總合,我們需要降低總體電阻測試電阻和體積電阻率：電阻率:Resistivity,表征材料導電性能的物理量,單位是Ω.m(Ω.cm)體積電阻Rv和體積電阻率ρv：

在兩電極間嵌入一試樣，使它們很好地接觸。施于兩電極上的直流電壓與流過試樣體積內(nèi)的電流之比，稱為體積電阻Rv。由Rv及電極和試樣尺寸算出1cm3材料，兩對面間的電阻稱為體積電阻率。體積電阻率（Volumeresistivity）,表征物體內(nèi)導電性能的物理量,它是單位橫截面積、單位長度上材料的電阻值，單位Ω.m(Ω.cm)板狀試樣體積電阻率公式：

ρv＝RvS/d(Ω.cm)式中:S─測量電極面積（cm2）；

d─試樣厚度（cm）

Rv─體積電阻（Ω）（從電阻計上讀出）表面電阻Rs和表面電阻率ρs。

在試樣的一個面上，放置兩電極，施于兩電極間的直流電壓與沿兩電極間試樣表面層上的電流之比，稱為表面電阻Rs。由Rs及表面上電極（上電極和環(huán)電極）尺寸，算出1cm2材料表面所具有的電阻（Ω），稱為表面電阻率。表面電阻率:（surfaceresistivity,

表征物體表面導電性能的物理量,它是正方形材料兩對邊的電阻值,它與物體厚度及正方形大小無關(guān),單位Ω板狀試樣表面電阻率公式：

ρs＝2πRS/ln(D2/D1)式中：π─3.1416

Rs─表面電阻（Ω）（從電阻計上測出）

D1─測量電極直徑（cm）；

D2─環(huán)電極內(nèi)徑（cm）可能影響測量的因素

1、樣品測量時的溫濕度2、極化電流3、靜電荷的影響

LAClipsLASurfaceProbeAd,diameterPressureProbethickness電阻測試電極示例MIL-83528B中表面探針法測體電阻系數(shù)體電阻測試采用MIL-83528B中表面探針法測體電阻系數(shù)。設(shè)備：毫歐表，量程104-10-5，讀書精度為±0.02%橡膠厚度計鍍銀或金電極，接觸面積為0.25平方英寸，200-240克試樣：寬0.5in，長3in，厚0.055-0.12in測試方法：測量接觸點處橡膠的厚度被測材料必須足夠大，能與整個電極充分接觸在電極接觸面積上施加100PSI的壓力保持壓力接觸30秒計算方法：ρ=RA/LΡ:體積電阻率（OHM-CM）

R：表觀電阻

A：兩電極之間的最小橫截面積

L：兩電極之間的長度（1或1/2in）MIL-83528B中的測試電極歐姆表和電極屏蔽效能：屏蔽效能：同軸測試設(shè)備用于測試EMI襯墊材料的屏蔽特性已經(jīng)有很多年的歷史了，SAEARP1705和ASTMD4935是兩種通用的使用同軸設(shè)計的標準測試方法。同軸設(shè)計要求測試單元內(nèi)的環(huán)形樣品襯墊和導體之間有良好的電接觸。測得的屏蔽特性受測試單元導體和測試樣件的表面特性的影響。因此同軸測試設(shè)備測得的是大塊樣品和電接觸界面的組合特性。測試襯墊與大塊材料一樣有很好的屏蔽效能，但表面的導電性較差，在通州測試設(shè)備中淤積性能會較差，因此，很難評估一種材料的整塊屏蔽特性。而且，通州的測試方法是假定測試樣件與50歐姆參考阻抗相比非常小，所以，測試樣件的阻抗評估精度就有問題了。建立一種真正有效的測試方法是：使測試的平面材料的屏蔽效能與樣品和測試設(shè)備間的接觸電阻無關(guān)，也就是避免了材料表面特性的干擾，同時不需要電器接口的整塊平面材料。設(shè)計思想是在一個自由空間的環(huán)境中在一個測試樣片的一面發(fā)射微波信號，在另一面用接收天線測試信號的屏蔽。類似的方法被用在了MIL-STD-285測試中來評估屏蔽罩。實際實驗時，真正的自由空間測試要求在距測試樣件至少0.5米的地方安裝方向性天線，從而使2.45GHZ（波長12.25厘米）的入射電磁波為平面波，其極化方向與材料/空氣界面平行。為了避免衍射效應，評比材料的樣件的尺寸需要至少1平方米。MIL-DTL-83528C中，測試方法是：在屏蔽暗室一側(cè)開一個窗口，安裝24*24英寸的導電橡膠片，在暗室外面距暗室的窗口39.4in的地方安裝一個喇叭形定向發(fā)射天線，用于發(fā)射：0.02-0.2GHz（1000WATTS（+60DBM）

0.2-1.0GHZ（250WATTS（+54DBM）

1.0-10GHZ（20WATTS（+46DBM）的定向平面波。在暗室內(nèi)部距窗口39.4in的地方安裝一個喇叭形的定向接收天線，同時將接收到的信號傳送給微波接收機，并提供給網(wǎng)絡分析儀，直接做出屏蔽效能曲線。這樣看來，這套測試設(shè)備比較龐大復雜，而且需要至少26*26=676平方英寸的大橡膠片，設(shè)備和測試都有一定難度。MIL-DTL-83528C中的屏蔽效能測試方法準自由空間法測試另外一種測試方法是準自由空間測試，其目的是適應一種15CM的小樣件，該方法是基于一種閉合金屬波導的測試設(shè)備，波導一端的輻射口徑與樣件相仿。置于波導內(nèi)部的發(fā)射天線通過一個跟蹤發(fā)生器和功放產(chǎn)生一個2.45GHZ的信號。從口徑輻射出來的信號經(jīng)樣品后被波導接收天線收集到。接收到的信號送入頻譜儀。因為測試樣件通過波導與天線耦合，所以叫做準自由空間（QFS）測試裝備。

其他改進型測試方法和制具

發(fā)射天線接收天線測試樣品鍍金的銅質(zhì)測試制具測試設(shè)備放在非導電桌面上,并在開放空間進行信號發(fā)生器和網(wǎng)絡分析儀值得一提的是ECE比金屬質(zhì)指形彈簧具有更好的電磁屏蔽性能,如ECE85iECE和焊接的金屬質(zhì)指形彈簧電磁屏蔽性能比較屏蔽材料屏蔽效能的理論計算公式對于任何電磁干擾，屏蔽作用由三種機理構(gòu)成。入射波的一部分在屏蔽體的前表面反射，另一部分被吸收，還有一部分在后表面反射，如圖所示。屏蔽效能SE等于吸收因子A加上反射因子R，加上多次返射修正因子B，所有因子都以dB表示SE=A+R+B吸收損耗的計算公式如下：

A=1.13t√μrfσr式中：t--屏蔽厚度，cm;

μr-屏蔽材料的相對導磁率；

σr-屏蔽材料的相對導電率；

f--頻率，Hz。由于吸收主要由屏蔽厚度產(chǎn)生的，吸收因子對所有類型的電磁波都一樣，與近場還是遠場無關(guān)。以下是計算平面后反射損耗的公式，等于電場波和磁場波有類似的公式。R=168101g(μrf/σr)dB如果吸收因子6dB以上，多次反射因子B可以忽略，僅當屏蔽層很薄或頻率低于20KHz時，B才是重要的。在設(shè)計磁屏蔽時，特別是14KHz以下時，除了吸收損耗外，其它因素都可以忽略。同樣，在設(shè)計電場或平面波屏蔽時，只考慮反射因子。

圖2屏蔽對電磁干擾的衰減老化試驗老化Aging

:

性能隨時間延續(xù)而降低的特性加速老化:材料生產(chǎn)出來后,放進烘箱加熱,得到一個平穩(wěn)的曲線區(qū)域老化的影響因素及導電穩(wěn)定性影響老化速度的因素:Aging（老化）:取決于環(huán)境條件。高溫，光照，硫化物的存在會加快老化速度。在ECE使用之前的包裝和儲存條件（如低溫和避光）對保持材料的性能是非常重要的。

導電穩(wěn)定性：導電橡膠材料的導電是靠內(nèi)部導電粒子的彼此接觸，因此不同于金屬的穩(wěn)定導通，環(huán)境溫度、濕度的變化，化學侵蝕,機械振動、壓縮、拉伸、扭曲等都有可能引起電阻率的波動，另外，橡膠材料的松弛效應等也可能引起導電橡膠材料長時間使用過程中電阻率的變化，電場作用、電磁脈沖環(huán)境等也會對電阻率有一定的影響，金屬銀不容易表面氧化，但是在氧氣，水和微酸性環(huán)境下，也會發(fā)生銀遷移現(xiàn)象，也可能對導電性有影響。導電穩(wěn)定性測試的一種方法是熱老化試驗后，測試其電阻變化。此外，對于燃料油環(huán)境和海上工作設(shè)備，還需要鹽霧試驗。

MIL-83528C中的熱老化試驗MethodA準備一個厚度為0.060inch到0.12inch,直徑為0.564inch的圓形樣品,并在溫度為23+/-5oC(73+/-9oF)相對濕度為45%-75%的條件下放置至少3小時測試材料樣品初始電阻樣品上下表面襯上0.002in厚的聚酯薄膜,使用金屬法蘭夾住樣品壓力為50Lb/in2并控制樣品的變形量為7%將夾具和樣品放進烘箱在最高使用溫度下加熱1000小時取出夾具,卸下樣品,讓樣品在室溫下冷卻1小時在異丙醇里漂洗樣品,并至少干燥1小時重新測試試樣電阻MethodB準備一個厚度為0.060inch到0.12inch,長為5inch寬為3in的條形樣品,并在溫度為23+/-5oC(73+/-9oF)相對濕度為45%-75%的條件下放置至少3小時測試樣品初始電阻

用金屬絲將樣品掛在烘箱中,在最高使用溫度的1.25倍的溫度條件下加熱48小時取出樣品冷卻到室溫用異丙醇清洗樣品并干燥1小時重新測試材料電阻變化百分比的計算: R1-RFx100 R1扯斷后電阻測試導電橡膠在外力作用下或作用后會引起導電填充粒子的位移或剝離松弛，這就會造成一定程度的電阻不穩(wěn)定，MIL-83528C規(guī)定按照ASTM-D412拉伸測試后的啞鈴型試片（已經(jīng)拉斷），等扯斷后30分鐘時，取中間窄的部分（0.06-0.12in厚）作為樣品，測試并記錄材料的體積電阻率。振動過程中和振動后的電阻導電橡膠材料在正東過程中的導電穩(wěn)定性可以通過一個特制的電阻測試裝置和如下步驟進行：1，準備一個矩形環(huán)狀樣品，長2.75in寬3.75in環(huán)的每一邊的寬度均為0.15in，厚度為0.062in，將樣品安裝在一個鋁制法蘭和一個鋁制蓋板之間，并蓋板施加一個力使被測橡膠墊偏壓縮變形5-10%，在測試過程中這些變形必須保持，2，將測試裝置固定在一個振動器上，讓被測試片的平面與振動器的動力軸方向平行，動力軸可以豎直安裝3，用毫歐表測量治具的電阻和制具與橡膠墊片的電阻，二者之差就是待測試片的電阻4，改變不同諧振頻率進行測試并記錄電阻值，停止振動，靜置30秒，測量和記錄靜止狀態(tài)的電阻值，作為震動后的電阻結(jié)果。取每一個測試條件下的最大電阻值。作為測試結(jié)果。振動過程中和振動后的電阻EMP環(huán)境測試通過如下的設(shè)備樣品和方法可以進行抗電磁脈沖性能設(shè)備：交變電磁脈沖電流模擬器，調(diào)制的脈沖電子束加速器或電容放電脈沖發(fā)生器，或其他等效裝置，能驅(qū)動0.9千安培的阻尼正弦電流脈沖，電流頻率在1-1.5千赫，阻尼衰減時間為分別500-1300納秒。電流監(jiān)視器帶有照相裝置和具有高速數(shù)據(jù)捕捉功能的示波器，用來記錄通過墊片的電流脈沖四探針電阻測試器，用來測試測試前和測試后的材料的體積電阻率。樣品和樣品制備橫截面形狀為矩形的圓形墊圈，墊圈直徑為3.0英寸，橫截面寬度為0.070英寸，厚度為0.062英寸，樣品可以用橡膠片經(jīng)模切制成。將待測墊片夾在兩片干凈的鍍錫鋁板之間，用絕緣緊固件給夾具施加一定的力，使壓縮量為10%在測量過程中，夾具不允許松弛。測試方法：將墊片安放在脈沖發(fā)生器上，模擬脈沖電流為9千安培，1-1.5MHZ，衰減時間為500-1300納秒，通過的電流脈沖被快速示波器記錄下來脈沖實驗完成后，不拆卸墊片，測試電阻如果測試電阻沒有超過EMP實驗規(guī)定的標準，就認為該墊片能承受0.9KA/IN的電磁脈沖環(huán)境。電化學腐蝕腐蝕是一種自然現(xiàn)象,它使材料從不穩(wěn)定狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化,因為不同種類金屬的存在發(fā)生電化學反應,所以也叫電偶腐蝕或電化學腐蝕發(fā)生電化學腐蝕的條件:形成電偶得兩種金屬必須是不同種類的金屬,兩種金屬需要接觸,需要有電解液的存在卓越的抗電化學腐蝕性能的材料滿足航天等特殊環(huán)境的應用,所有飛行器都需要在極端環(huán)境下工作,比如客戶需要一種材料在腐蝕試驗結(jié)束后,鋁的失重率<

3.5mg,電阻率保持在15mohm-cm以下

金屬電偶失重率EcE電化學腐蝕性能EcE50腐蝕試驗Galvaniccorrosiontestinginaccordancewith(IAW)MissileSpecificationMIS?47057EcE50CorrosionTestingEcECorrosionPerformance比重

23攝氏度時，材料在空氣中的質(zhì)量/材料在蒸餾水中的質(zhì)量.表征導電橡膠材料的密度或比重，反映了導電橡膠中金屬填料的種類和添加量，以及氣孔率和交聯(lián)程度，硫化狀況等。測試方法按照ASTM-D792-00,隨導電填料的種類不同,ECE的密度從1.8到4.0之間變化.邵氏硬度

表征硫化橡膠的硬度，硬度主要由混煉膠中補強填料白炭黑的種類和添加量決定，也取決于導電填料的多少，白炭黑添加量增大,硬度變大,同時形變量和斷裂伸長率會變小.此外還和交聯(lián)情況有關(guān)，交聯(lián)密度增加,使邵氏硬度增大,但是,斷裂伸長率會變小.二段硫化后硬度要比二段硫化前增加十幾個單位。樣品厚度至少要0.25英寸,樣品需要在23+/-5oC(73+/-9oF)和相對濕度為

45%-75%

的條件下靜置3小時以上.Durometer硬度計10softerSponge30softSilicone50mediumNeoprene（氯丁橡膠）80harderTyre100hardNotcompressible軟的彈性體材料需要很小的鎖緊力就可以密封.硬的彈性體材料可以承受更大的鎖緊壓力.抗拉強度

Tensilestrength抗拉強度:以一定的速度拉伸橡膠試片，拉斷時的應力單位Tension/area,用PSI(poundpersquareinch)或MPa表示.1PSI=6,850kPa=0.00685MPaSampleGrippersAlignmentPincers斷裂伸長率

Elongationtobreak（斷裂伸長率）:以一定的速度拉伸試片，拉斷時試片的伸長量占試片原長的百分比.撕裂強度

Tearstrength(抗撕裂強度)導電橡膠的撕裂是在機械力破壞過程中產(chǎn)生和進