測試測量
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油罐車尾的鐵鏈消失不見,如何量化材料的電阻率?

2021-08-13 來源:EEWORLD

如果你仔細觀察過油罐車,你會發現油罐車車尾通常都安裝了一條鐵鏈,可是你有沒有想過它的存在有何意義呢?難道這根鐵鏈和灑水車經過時播放的音樂一樣,只是為了提醒我們油罐車來了嗎?

 

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其實不然,作為運輸石油衍生品的專屬用車,在它金屬制作的車身里,裝著諸如汽油、煤油等很多類型的燃油。盡管工作人員已經從控制車內氧氣含量等各個方面,來降低燃油燃燒的可能性,然而在整個運輸過程中,一旦遇到不平的地勢或者擁擠的交通,勢必會造成速度上的改變,進而造成燃油的晃動,導致燃油和車壁的不斷摩擦和碰撞,這樣就會使油槽充滿或正或負的電荷。可是汽車的輪胎材質是橡膠做的,橡膠本身是一種不良導體,具有過大的電阻率,當對橡膠施加電壓時,其內部的電子無法順利移動,因而無法使電荷及時導出,電荷的不斷聚集會產生靜電,而當達到一定靜電電位時,就會引起電荷的放電,也就是我們常說的電火花,這對于燃油這種易燃的東西來說是非常危險的,即便是零星的火花,也可以將油罐車引燃并產生爆炸,造成無法預估的損失和傷亡事故。


鐵鏈在安全上的重要性為什么沒了?


所以也正是為了防止這樣的風險產生,人們便在汽車后面綁上一根鐵鏈,就像“接地線”一樣。這條鐵鏈的作用是:


將油罐感應的靜電導走,避免與外界物質發生跳火;


使油罐車和整個裝卸油設備保持等電位,防止出現電位差;


對油料中電荷有加快泄露的作用。


這就體現出了油罐車后面拖著一根鐵鏈的重要性了!那為什么現在我們在路上見到的油罐車后面都沒有鐵鏈的拖尾了呢?


其實是由于,現在的輪胎橡膠中都摻雜了一定濃度的碳黑。碳黑在塑膠工業的一個重要應用就是導電性能,通過控制碳黑的添加量能得到不同導電率的聚合物。再摻用一定量的碳黑后,可使這些材料的電阻率降低至100Ω*cm以下,使高電阻的高分子材料變成具有半導電性能或抗靜電屏蔽性能的材料,可用于生產高壓電纜的導電屏蔽材料,油罐車的輪胎橡膠和制作高精度電子產品的防靜電包裝材料。

  

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如何量化材料的電阻率?


那么我們應該用什么方式方法來量化材料的電阻率呢?電阻率測定有兩種基本方法:體積和表面電阻率。


體積電阻率測量


體積電阻率測量一般采用下圖1所示的測試夾具完成,將電壓源V-Source施加到上電極,測試流經測試樣品的小電流I,隨后體積電阻率ρ_v用公式ρ_v=k_v/τ R計算得出。其中,ρ_v=體積電阻率,k_v=電極接觸的有效面積,τ=樣品厚度,R=V/I(施加的V-Source和測試的電流值的電阻比值)。

 

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圖1  測試夾具


表面電阻率測試


表面電阻率測量一般采用下圖2所示的電極配置,將電壓源V-Source施加到環狀電極上,再測試樣品表面上的電流從保護電極流向主電極的電流,即表面電流I。隨后表面電阻率ρ_s用公式ρ_s=k_s R計算得出。其中,ρ_s=表面電阻率,R=V/I(施加的V-Source和測試的電流值的電阻比值),k_s=P∕g,P=保護電極的有效周長(mm),g=保護電極與環形電極間距(mm)。

 

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圖2  電極配置


復雜聚合物材料和超高電阻測試


當我們測的材料并非一種均質材料,而是像上面所述的是一種橡膠摻雜了碳黑的聚合物的時候,又會出現什么測試測量問題呢?


我們會發現隨著我們施加在樣品上的+V持續一段施加后,聚合物中的碳黑顆粒,會漸漸的形成更利于電流流過的導電通路,導致測試電流慢慢變大,那這顯然并不是我們想去真正表征的材料本身電阻率特性,這時候我們只需要將樣品兩端的+V反向成-V即可破壞掉已經建立的導點通路,再進行均值化測試測量了。(以體積電阻率測試舉例,見下圖示意)

那在測試一些復雜聚合物材料或者超高電阻和電阻率的時候,為了提高測試結果的重復性,我們會用一種叫做交變極性測量法的方式來實現(alternating polarity measurement method)。實際測試流程如下,施加一個正電壓+V,等待指定的時間(下圖選擇等待15秒),然后進行電流測量;緊接著,施加一個同樣大小的負電壓-V,等待相同的時間(15秒),再進行一次電流測量。


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圖3 以體積電阻率測試舉例


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圖4 交變極性測量法


Keithley完整的高電阻率測量解決方案


可以使用以下套件,采用標準 ASTM D-257 “絕緣材料的DC 電阻或電導”規定的方法執行高電阻率測量:6517B 靜電計/高阻表 + 8009 夾具盒 + KickStart HRMA測試軟件。

 

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Keithley 6517B 靜電計 / 高阻表是全球科研實驗室靈敏測量的標準。吉時利在弱電測量方面擁有 60 多年的專業經驗,吉時利靜電計能夠可靠地測量最低 10 aA (10×10-18A) 電流、最低 1 fC 電荷,并支持最高 1018Ω 的電阻測量。6517B 還能夠測量高達 200 V 的最大電壓范圍,輸入阻抗超過 200 TΩ。所有這些性能都融合在一臺儀器中,操作起來像數字萬用表一樣簡便。


8009 電阻率測試夾具滿足美國測試材料協會 (ASTM) D257 標準規 定的絕緣材料 DC 電阻或電導標準測試方法。8009 與 6517B 相結 合,為進行優質安全的電阻率測量提供了完整的系統。8009 帶有 6517B-ILC-3 安全互鎖電纜、7078-TRX-3 三同軸到三同軸電纜及 8607 1 kV 源電壓香蕉插口成套電纜。


KickStart 高電阻率應用控制著執行所需測量的靜電計和測試夾具,進行 ASTM- D-257 標準電阻率測量。它可以以高達1000V 電壓測試材料,確定高達 1018 Ω-cm 的電阻率,分析電流隨時間變化的階躍響應圖,確定測量要等多長時間被測材料才會穩定,分析多個讀數圖,確保獲得穩定一致的測量。KickStart 高阻應用采用交換電極技術,消除固有的背景電流,實現最準確的電阻率測量。還可以使用這個應用,使用選配的熱電偶和相對濕度探頭,觀測電阻率與溫度和相對濕度的關聯度。


關于泰克科技


泰克公司總部位于美國俄勒岡州畢佛頓市,致力提供創新、精確、操作簡便的測試、測量和監測解決方案,解決各種問題,釋放洞察力,推動創新能力。70多年來,泰克一直走在數字時代前沿。


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