科普|电阻率测量方法探究

电子产品的广泛使用和电动汽车的迅速发展，使各行业对所用原材料的电阻提出了新的要求。对导电材料日益增长的市场需求，意味着生产商需要对电阻率进行精确评估，设定更严格的要求。

因其涉及到安全、静电积聚、电流传输等多种因素，特定应用中材料的电性能非常重要。

根据不同的应用，材料需要达到特定的体积电阻率或表面电阻率。测量的电阻率类型，取决于导电剂添加到材料中的方式。经过化学处理或涂覆导电剂的材料，只能在其表面上分配电荷。内添加导电填料在材料内部均匀分布，能够在整个体积内导电。大多数情况下，体积导电的材料其表面也导电。

不同水平的电阻率适用于不同的应用，例如电磁屏蔽、静电耗散和防静电特性。例如汽车轮胎和工业辊轴等产品，对整个系统的特定电阻率都有要求，因为不仅需要去除在高速运动时产生的表面静电，还必须防止长期积累产生的静电。此外，有很多应用要求在整个表面耗散电荷，例如防护服、管道涂层、地坪和包装膜。

一、不同材料的特性应该如何测量？满足相关行业的实际需求的要求和标准测量是什么？

三个导电硅橡胶样品中，样品1和样品3，TUBALL单壁碳纳米管被用作导电添加剂，并通过TUBALL MATRIX 605预分散体引入；在样品2中，使用基于炭黑的标准工业导电固体硅橡胶（HCR）。除TUBALL外，在样品3中还添加了白色颜料。所有样品电阻率水平相同。

使用不同的方法和标准对这些样品进行测量，检验测量技术、样品质量和设备精度对结果的影响。

四探针法

四探针法被认为是最精确的测量方法，符合ISO1853和ASTM D991标准，视频中使用的后者。四探针法使用两对相同的电流电极 （D），其中一对附着在样品下，另一对连接到样品上面第一对的正上方。一对电位电极（绿色 E）的固定方式，是使所有电极都位于一条直线上，并且其上部表面位于同一水平面上。

四探针法需要考虑电极之间的距离和样品的尺寸不受连接电极和样品之间接触电阻的影响，并且能确定材料的实际电阻，然后可以使用公式将其转换为体积或表面电阻率。

双探针法

双探针法在工业中也得到广泛使用，能够测量从绝缘到静电耗散的电阻率范围。顾名思义，采用两个电极，其配置取决于样品的类型。典型的电极类型 – 圆盘形电极 -在一个环内的圆形电极，如标准所示。此电极配置将表面电阻的测量，限制在圆形电极和环形电极之间的区域。

使用双探针测量方法时获得的结果差异，主要是由于电极和样品之间产生的接触电阻而引起的。测量值的差异可以高达五个数量级。

使用双探针法时，有几种方法可以降低接触电阻, 但是都不能完全消除接触电阻:

1. 使用重电极（每个超过 1 kg）和在标准电极表面涂敷导电弹性体，最大限度地减少影响。
2. 标准测量技术中使用的特殊电极，也可以降低影响。

简单仪器

“简单仪器”也经常被用来快速测量表面电阻率，其操作十分简单。然而，使用简单仪器获得的表面电阻率值，可能与使用标准方法获得的值，相差几个数量级。这种数值的差异可归因于许多重要的变量：不同的电极材料、与样品接触的不同区域、仪器的不同精度和电压。

二、最终产品的应用是否对电阻测量有显著影响？

有些产品需要特殊处理，以提高对工作表面的附着力。比如，印刷和工业辊轴，他们经磨石处理，以增加附着力。因此，不同的产品在表面质量不同。材料的表面的平整度是否影响电阻的测量？

采用双探针测量技术，电极与样品之间的接触区域起着重要作用，直接影响到获得的电阻值。由于表面不平整时，电极和样品之间无法实现密实接触，因此设备测量的表面电阻率数值会大几个数量级。

在使用更精确的四探针方法测量体积电阻率时，由于不受接触电阻的影响，测得的数值不受不平整表面的影响。

解决此问题的一种方法，是使用ANSI 或 ASTM  重型电极，确保增加与样品的接触面积。在大多数情况下，施加额外压力将导致测量的电阻读数降低。这是接触电阻降低和更大电极/表面接触面积增加（平行电阻路径数量增加）的结果。ASTM  D  257和 ISO 14309  标准，也允许在不平整表面上使用导电膏，从而减少材料表面缺陷的影响。

三、 不同类型的导电添加剂是否影响测量结果？

导电添加剂分布的均匀性，决定了样品中测得电阻率的稳定性。使用大量导电添加剂，例如10%或更多的添加量，分布是否均匀的影响不大。但是，炭黑基混合物也存在不均匀的电阻，受分布质量和表面质量的影响较大。

由于炭黑添加量高且颗粒呈球形会发生行业内称为”碳释放”的现象，这时导电添加剂会析出在样品表面。导电合成增塑剂也是如此，增塑剂不可交联并会迁移到表面。因此，测量材料的电阻时，最终主要测量了在表面的导电添加剂的参数。当应用不同类型的导电剂时，误差更大。

相比之下，单壁碳纳米管由于其长度与直径比更大，不会释放到表面。在测量电阻时，测得的是材料的实际电阻，而不是导电添加剂的电阻。因此，在生产过程中最常用的快速方法，如基于”导电-不导电”原则的而进行的质量控制，实际上测量了表面导电添加剂的导电性，而不是材料的电阻。这证实了非标准方法，如在快速控制中常见和广泛使用的方法，并不适合于新材料。

材料为最终产品提供特定性能，但对特殊性能的测量也有很多影响因素。这就是为什么行业协会要制定特定的测量类型和过程，需要考虑到实际应用和最终产品的使用。

制造符合工业应用功能的材料在电导率测量时应考虑以下因素：

首先，符合材料实际要求的正确标准。

其次，用于质量控制测量的明确性和准确性，以确保性能。

第三，测量方法必须符合实际应用。

随着具有全新特性的新材料的引入，有必要考虑到其具体特性，使生产质量控制滞后的标准现代化，使用更先进、更精准的技术和提高产品质量的材料来代替，同时确保最终用户的材料安全。