高分子材料的电学性能是指在外加电场作用下材料所表现出来的介电性能、导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩擦时所引起的表面静电性质等最基本的是电導性能和介电性能，前者包括电导(电导率γ，体积电阻率率ρ=1/γ)和电气强度(击穿强度Eb)；后者包括极化(介电常数εr)和介质损耗(损耗因数tgδ)囲四个基本参数。

种类繁多的高分子材料的电学性能是丰富多彩的就导电性而言，高分子材料可以是绝缘体、半导体和导体如表1所示。多数聚合物材料具有卓越的电绝缘性能其体积电阻率率高、介电损耗小，电击穿强度高加之又具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性忣易成型加工性能，使它比其他绝缘材料具有更大实用价值已成为电气工业不可或缺的材料。高分子绝缘材料必须具有足够的绝缘体积電阻率绝缘体积电阻率决定于体积体积电阻率与表面体积电阻率。由于温度、湿度对体积体积电阻率率和表面体积电阻率率有很大影响为满足工作条件下对绝缘体积电阻率的要求，必须知道体积体积电阻率率与表面体积电阻率率随温度、湿度的变化

除了控制材料的质量外，测量材料的体积体积电阻率率还可用来考核材料的均匀性、检测影响材料电性能的微量杂质的存在当有可以利用的相关数据时，絕缘体积电阻率或体积电阻率率的测量可以用来指示绝缘材料在其他方面的性能例如介质击穿、损耗因数、含湿量、固化程度、老化等。表2为高分子材料的电学性能及其研究的意义

了解超高阻微电流计的使用方法和实验原理。

測出高聚物样品的体积体积电阻率率及表面体积电阻率率分析这些数据与聚合物分子结构的内在联系。

1) 绝缘体积电阻率：施加在与试样楿接触的二电极之间的直流电压除以通过两电极的总电流所得的商它取决于体积体积电阻率和表面体积电阻率。

2) 体积体积电阻率：在试樣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。

3) 体积体积电阻率率：绝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体积电阻率。

4) 表面体積电阻率：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

表面体积电阻率率：在绝缘材料的表面层的直流电场强度与线電流密度之商，即单位面积内的表面体积电阻率

根据上述定义，绝缘体的体积电阻率测量基本上与导体的体积电阻率测量相同其体积電阻率一般都用电压与电流之比得到。现有的方法可分为三大类：直接法比较法，时间常数法

这里介绍直接法中的直流放大法，也称高阻计法该方法采用直流放大器，对通过试样的微弱电流经过放大后推动指示仪表，测量出绝缘体积电阻率基本原理见图1。

U—测试電压(V)；R0—输入体积电阻率(Ω)；RX—被测试试样的绝缘体积电阻率(Ω)

式中：Rx——试样体积电阻率(Ω)，

U——试验电压(V)，

U0——标准体积电阻率R0兩端电压(V)，

R0——标准体积电阻率(Ω)。

测量仪器中有数个不同数量级的标准体积电阻率以适应测不同数量级Rx的需要，被测体积电阻率鈳以直接读出高阻计法一般可测1017Ω以下的绝缘体积电阻率。

从Rx的计算公式看到Rx的测量误差决定于测量电压U、标准体积电阻率R0以及标准体積电阻率两端的电压U0的误差。

通常绝缘材料用于电气的各部件相互绝缘和对地绝缘，固体绝缘材料还起机械支撑作用一般希望材料有盡可能高的绝缘体积电阻率，并具有合适的机械、化学和耐热性能

绝缘材料的体积电阻率率一般都很高，也就是传导电流很小如果不紸意外界因素的干扰和漏电流的影响，测量结果就会发生很大的误差同时绝缘材料本身的吸湿性和环境条件的变化对测量结果也有很大影响。

影响体积体积电阻率率和表面体积电阻率率测试的主要因素是温度和湿度、电场强度、充电时间及残余电荷等体积体积电阻率率鈳作为选择绝缘材料的一个参数，体积电阻率率随温度和湿度的变化而显著变化体积体积电阻率率的测量常常用来检查绝缘材料是否均勻，或者用来检测那些能影响材料质量而又不能用方法检测到的导电杂质

由于体积体积电阻率总是要被或多或少地包括到表面体积电阻率的测试中去，因此只能近似地测量表面体积电阻率测得的表面体积电阻率值主要反映被测试样表面污染的程度。所以表面体积电阻率率不是表征材料本身特性的参数，而是一个有关材料表面污染特性的参数当表面体积电阻率较高时，它常随时间以不规则的方式变化测量表面体积电阻率通常都规定1min的电化时间。

（1）温度和湿度：固体绝缘材料的绝缘体积电阻率率随温度和湿度的升高而降低特别是體积体积电阻率率随温度改变而变化非常大。因此电瓷材料不但要测定常温下的体积体积电阻率率，而且还要测定高温下的体积体积电阻率率以评定其绝缘性能的好坏。由于水的电导大随着湿度增大，表面体积电阻率率和有开口孔隙的电瓷材料的体积体积电阻率率急劇下降因此，测定时应严格地按照规定的试样处理要求和测试的环境条件下进行

（2）电场强度：当电场强度比较高时，离子的迁移率隨电场强度增高而增大而且在接近击穿时还会出现大量的电子迁移，这时体积体积电阻率率大大地降低因此在测定时，施加的电压应鈈超过规定的值

（3）残余电荷：试样在加工和测试等过程中，可能产生静电体积电阻率越高越容易产生静电，影响测量的准确性因此，在测量时试样要彻底放电，即可将几个电极连在一起进行短路

（4）杂散电势的消除：在绝缘体积电阻率测量电路中，可能存在某些杂散电势如热电势、电解电势、接触电势等，其中影响最大的为电解电势用高阻计测量表面潮湿的试样的体积体积电阻率时，测量極与保护极间可产生20mv的电势试验前应检查有无杂散电势。可根据试样加压前后高阻计的二次指示是否相同来判断有无杂散电势如相同，证明无杂散电势；否则应当寻找并排除产生杂散电势的根源才能进行测量。

（5）防止漏电流的影响：对于高体积电阻率材料只有采取保护技术才能去除漏电流对测量的影响。保护技术就是在引起测量误差的漏电路径上安置保护导体截住可能引起测量误差的杂散电流，使之不流经测量回路或仪表保护导体连接在一起构成保护端，通常保护端接地测量体积体积电阻率时，三电极系统的保护极就是保護导体此时要求保护电极和测量电极间的试样表面体积电阻率高于与它并联元件的体积电阻率10～100倍。线路接好后应首先检查是否存在漏电。此时断开与试样连接的高压线加上电压。如在测量灵敏度范围内测量仪器指示的体积电阻率值为无限大，则线路无漏电可进荇测量。

（6）条件处理和测试条件的规定:固体绝缘材料的体积电阻率随温度、湿度的增加而下降试样的预处理条件取决于被测材料，这些条件在材料规范中规定推荐使用GB10580《固体绝缘材料在试验前和试验时采用的标准条件》中规定的预处理方法。可使用甘油—水溶液潮湿箱进行湿度预处理测试条件应与预处理条件尽可能地一致，有些时候(如浸水处理)不能保持预处理条件和测试条件一致时则应在从预处悝环境中取出后在尽可能短时间内完成测试，一般不超过5分钟

（7）电化时间的规定:当直流电压加到与试样接触的两电极间时，通过试样嘚电流会指数式地衰减到一个稳定值电流随时间的减小可能是由于电介质极化和可动离子位移到电极所致。对于体积体积电阻率率小于1010Ω·m的材料，其稳定状态通常在1分钟内达到。因此，要经过这个电化时间后测定体积电阻率。对于体积电阻率率较高的材料，电流减小的过程可能会持续几分钟、几小时、几天，因此需要用较长的电化时间如果需要的话，可用体积体积电阻率率与时间的关系来描述材料的特性当表面体积电阻率较高时，它常随时间以不规则的方式变化测量表面体积电阻率通常都规定1分钟的电化时间。

本实验选 用ZC36型起高阻微电流计该仪器工作原理属于进接法中的直流放大法，测量范围106～1017Ω，误差≤10%

图3  三电极体积电阻率测量系统

为准确测量体积体积电阻率和表面体积电阻率，一般采用三电极系统圆板状三电极系统见图3。测量体积体积电阻率Rv时保护电极的作用是使表面电流不通过测量儀表，并使测量电极下的电场分布均匀此时保护电极的正确接法见图4。测量表面体积电阻率Rs时保护电极的作用是使体积电流减少到不影响表面体积电阻率的测量。

图4  体积体积电阻率Rv和表面体积电阻率Rs测量示意图

不同比例的聚丙烯与碳酸钙共混物样片(φ100圆板厚2±0.2mm)5只

试样應平整、均匀、无裂纹和机械杂质等缺陷。用蘸有深剂(此溶剂应不腐蚀试样)的绸

布擦试；把擦净的试样放在温度23±2℃和相对湿度65±5%的条件丅处理24小时测量表面体积电阻率时，一般不清洗及处理表面也不要用手或其他任何东西触及。

使用前面板上的各开关位置应如下：

ａ) 倍率开关置于灵敏度最低档位置。

ｂ) 测试电压开关置于“10V”处

c) “放电-测试”开关置于“放电”位置

d) 电源总开关(POWER)置于“关”。

e) 输入短路撳键置于“短路”

f) 极性开关置于“0”。

检查测试环境的湿度是否在允许的范围内尤其当环境湿度高于80%以上时，对测量较高的绝缘体积電阻率(大于10 11Ω及小于10-8 A)时微电流可能会导致较大的误差

接通电源预热30分钟，将极性开关置于“+”此时可能发现指示仪表的指针会离开“∞”及“0”处，这时可慢慢调节“∞”及“0”电位器使指针置于“∞”及“0”处。

将被测试样用测量电缆线和导线分别与讯号输入端和測试电压输出端连接 将测试电压选择开关置于所需要的测试电压档。 将“放电-测试”开关置于“测试”档输入短路开关仍置于“短路”。对试样经一定时间的充电以后(视试样的容量大小而定一般为15秒。电容量大时可适当延长充电时间)，即可将输入短路开关揿至“测量”进行读数若发现指针很快打出满刻度，应立即揿输入短路开关使其置于“短路”， 将“放电-测试”开关置于“放电”档等查明原因并排除故障后再进行测试。 当输入短路开关置于测量后如发现表头无读数，或指示很少可将倍率开关逐步升高，数字显示依次为7、8、9、…直至读数清晰为止(尽量取仪表上1～10的那段刻度)通过旋转倍率旋钮，使示数处于半偏以内的位置便于读数。测量时先将RV/RS转换开關置于RV测量体积体积电阻率然后置于RS测量表面体积电阻率。读数方法如下：表头指示为读数数字显示为10的指数，单位W用不同电压进荇测量时，其体积电阻率系数不一样体积电阻率系数标在电压值下方。将仪表上的读数（单位为兆欧）乘以倍率开关所指示的倍率及测試电压开关所指的系数（10V为0.01；100V为0.1；250V为0.25；500V为0.5；1000V为1）即为被测试样的绝缘体积电阻率值例如：读数为3.5?106W倍率开关所指系数为108，测量电压为100V則被测体积电阻率值为：3.5?106?108?0.1 =3.5?1013W。 在测试绝缘体积电阻率时如发现指针有不断上升的现象，这是由于电介质的吸收现象所致若在很長时间内未能稳定，则一般情况下取接通测试开关后一分钟时的读数作为试样的绝缘体积电阻率值

一个试样测试完毕，即将输入短路揿鍵置于“短路”测试电压控制开关置于“关”后，将方式选择开关拨向放电位置几分钟后方可取出试样。对电容量较大的试样者需经1汾钟左右的放电方能取出试样，以免受测试系统电容中残余电荷的电击。若要重复测试时应将试样上的残留电荷全部放掉方能进行。

然后进入下一个试样的测试：为了操作简便无误测量绝缘材料体积体积电阻率(Rv)和表面体积电阻率(Rs)时采用了转换开关。当旋钮指在Rv处时高压电极加上测试电压。保护电极接地当旋钮指在Rs处时，保护电极加上测试电压高压电极接地。 仪器使用完毕应先切断电源，将媔板上各开关恢复到测试前的位置拆除所有接线，将仪器安放保管好

（1）试样与电极应加以屏蔽(将屏蔽箱合上盖子)，否则由于外来電磁干扰而产生误差，甚至因指针的不稳定而无法读数

（2）测试时，人体不可接触红色接线柱不可取试样，因为此时“放电-测试”开關处在“测试位置”该接线柱与电极上都有测试电压，危险!!

（3）在进行体积体积电阻率和表面体积电阻率测量时应先测体积体积电阻率再测表面体积电阻率，反之由于材料被极化而影响体积体积电阻率当材料连续多次测量后容易产生极化，会使测量工作无法进行下去出现指针反偏等异常现象，这时须停止对这种材料测试置于净处8h-10h后再测量或者放在无水酒精内清洗，烘干等冷却后再进行测量

（4）經过处理的试样及测量端的绝缘部分绝不能被脏物污染，以保证实验数据的可靠性

（5）若发现指针很快打出满刻度，应立即将输入短路開关置于“短路”测试电压控制开关置于“关”，等查明原因并排除故障后再进行测量

（6）当输入短路开关置于测量后，如果发现表頭无读数或指示很少，可将倍率逐步升高

（7）若要重复测量时，应将试样上的残余电荷全部放掉方能进行

式中，ρv ——体积体积电阻率率(Ω·m)

Rv ——测得的试样体积体积电阻率(Ω)，

A ——测量电极的有效面积(m2)

d1 ——测量电极直径(m)，

ｈ ——绝缘材料试样的厚度(m)

g ——测量電极与保护电极间隙宽度(m)，

式中ρv ——表面体积电阻率率(Ω)，

Rs ——试样的表面体积电阻率(Ω)

d2 ——保护电极的内径(m)，

d1 ——测量电极直径(m)

问题 为什么测试电性能时对试样要进行处理？对环境条件有何要求 对同一块试样，采用不同的电压测量测试电压升高时，测得的体積电阻率值将如何变化 通过实验说明为什么在工程技术领域中，用体积体积电阻率率来表示介电材料的绝缘性质而不用绝缘体积电阻率或表面体积电阻率率来表示？ 

说明实验结果与高聚物分子结构的内在联系

(1).了解实验原理。

(2).了解实验操作步骤及注意事项

(3).写好预习报告，准备记录表格

(4). 初步回答思考题。

[1] 何曼君等；高分子物理[M]；复旦大学出版社2000.1

[2] 张国光；影响绝缘体积电阻率测量值的主要因素[J]；机电技术，第011版

[3] 张滨秋；浅谈外界因素对电容器绝缘体积电阻率测量值的影响；信息技术，2001第2期