聚合物体积电阻系数和表面电阻系数的测定-高分子物理-实验15-17

实验十五 聚合物的体积电阻系数和表面电阻系数的测定

一、实验目的

1．掌握聚合物体积电阻系数和表面电阻系数的测试方法；

2．比较极性与非极性聚合物的电阻系数数值范围。

二、实验原理

材料的导电性是由于其内部存在传递电流的自由电荷，即载流子，在外加电场作用下，

这些载流子作定向移动，形成电流。导电性优劣与材料所含载流子的数量、运动速度有关。常用电阻系数（电阻率）ρ或电导系数（电导率）σ表征材料的导电性，它们是一些宏观

物理量，而载流子浓度和迁移率则是表征材料导电性的微观物理量。

大量高聚物是作为绝缘材料使用的，但具有特殊结构的高聚物可能成为半导体、导体，

甚至人们提出了超导体的模型。决定高聚物导电性的因素有化学结构、分子量、凝聚态结构、

杂质以及环境（温度、湿度等）等。

饱和的非极性高聚物具有很好的电绝缘性能，理论上计算它们的电阻系数可达到1023欧

姆·米，而实测值要小几个数量级，说明高聚物中除自身结构以外的因素（如残留的催化剂、

各种添加剂等）对导电性能产生了不小的影响。

极性高聚物的电绝缘性次之，微量的本征解离产生导电离子，此外，残留的催化剂、各

种添加剂等都可以提供导电离子。

而一些共轭高聚物如聚乙炔则可制成半导体材料，这是由于主链上π轨道相互交叠，π

电子有较高的迁移率。但是它们的导电性实际并不高，原因是受到电子成对的影响，电子成

对后，只占有一个轨道，空出另一个轨道，两个轨道能量不同，电子迁移时必须越过轨道间

的能级差，这样就限制了电子的迁移，材料导电率下降。采用掺杂方法可以减小能级差，电

子迁移速率提高。Heeger（黑格，美国)、 MacDiarmid（麦克迪尔米德，美国）以及白川英

树（日本）就成功地完成了用溴、碘掺杂聚乙炔，没有掺杂时聚乙炔的电导率为

3.2X10-6Ω-1•cm-1，掺杂后竟达到了38Ω-1•cm-1，提高了1000万倍，接近金属铝和铜的电导

率。并且在发现聚乙炔的导电性后，黑格发现聚乙炔的磁性、电学、光学性质都异常。为了

说明聚乙炔的导电性，黑格又提出了孤子导电的新概念。他们的成果在2000年获得诺贝尔

化学奖。评奖委员会的公告说：塑料本来是不导电的绝缘体。它们合成了具有共轭链的聚乙

炔，用掺杂的方式使塑料出现与金属一样的导电性。导电高分子已经成为化学及物理学研究

的重要领域。不仅将导电聚合物用于聚合物电池的设想正在逐步实用化，而且发光二极管、

1移动电话显示屏以及将来的分子电路也有可能用导电高分子作为关键材料。

其它具有特殊结构的高聚物如π电子离域及焦化聚合物、电荷转移复合物以及金属螯合

型聚合物也具有较高的导电性。

根据测试方法的不同，高聚物可以表现出不同的导电性，分体内和表面两者情况（如图

1、2所示）。

1．体积电阻系数vρ

在厚度为d的平板状聚合物试样两相对面上各放置面积为S的电极一个，并施加直流

电压，于是在试样内部就有载流子按电场方向迁移，可测得两电极间的体积电阻值vR，则

试样的体积电阻系数为

vvSRdρ= （1）

一般在没有特别注明的情况下，电阻系数就是指体积电阻系数。

2．表面电阻系数sρ

将两电极放在聚合物试样的同一平面上，若电极的长度为，电极间距离为b，在对两

电极施加直流电压后，所测得的电极间电阻值是试样的表面电阻值l

sR，则试样的表面电阻

系数为

sslRbρ= （2）

I

吸收电流 电导电流 t + + 3、 介

质

吸

收 d S

-

-

图1 体积电阻 图2 表面电阻 图3 电介质的电流时间曲线 在对聚合物试样施加一稳定直流电压后，通过试样体积内部的电流随时间而减小，直到

趋近一恒定值，该电流恒值叫漏电流，实为电导电流，而电流随时间变化的部分称为吸收电

流。

2聚合物中这种电流的时间依赖现象叫介质吸收，它反映了聚合物电介质与金属材料的

结构以及导电机理的本质区别。聚合物中吸收电流的产生是由于其结构内部不同带电粒子，

主要是偶极子，在电场作用下进行极化时需要一定时间以克服粘滞阻力所致。

电流达到稳定值所需的时间一般约为一分钟，因此实验中常在加电压一分钟后读取电

流值。 1 2 3 4 5 6

Ma-MA

13 12 11 10 9 8 7三、仪器和试样

本实验使用国产ZC36型1017Ω超高阻计。

1． 仪器外形（图4）

(1) 指示表头

(2) 倍率选择

(3) 测试电压选择开关 图4 ZC36型超高阻计面板图 (4) “+”、“-”极性开关，当旋钮指向“+”时

测量“+”的直流信号，指向“-”时测量“-”的直流信号，指向“0”时表头开路。

(5) 放电-测试开关当旋纽处于放电位置时，测试电压未加到被测试样上；当旋钮指

向测试时，测试电压经接线柱（红色）加到被测试样上。

(6) 指示灯

(7) 电流开关

(8) 满度调整旋钮（调整表头指向满度）

(9) “0”、“∞”调整旋钮（调整表头指向“0”或“∞”处）

(10) 输入短路开关，当开关打到短路位置时，被测信号短路。表头无指示

(11) 高压端，测试电压由此引出

(12) 接地端

(13) 输入端，被测信号由此引入 2 3 Rx2． 高阻计测试线路（图5）

(1) 直流高压源

(2) 三电极系统

(3) 样品

(4) 标准电阻R0

(5) 放大器

(6) 指示仪表 测试 4 5 6 K1 + K2 直 流 U 放电 R0 V0 电 源 Rv Rs -

图5 高阻计测试线路图

3图5中K1为放电-测试开关，K2是Rs-Rv转换开关。测试时，被测试样Rx与高阻抗直流

放大器的输入电阻（标准电阻）R0串接，并跨接于直流高压测试电源上，

R0上的分压信号经放大后馈送指示仪表，可由指示仪表直接读得电阻值，因为Rx>>R0，

00xURRU= （3）

式中，U、U0分别是测试电压及标准电阻上的电压。

四、实验步骤

1. 先仔细阅读第八部分（安全事项）

2. 试样准备

(1) 尺寸：截取直径为 250 mm 或 100 mm 的圆，用螺旋测微器测量试样的厚度五次，

取其平均值，精确到0.01 mm。

(2) 外观及处理：截取试样时应注意避免表面裂缝并用绸布擦去表面污物（或用不溶

解试样的有机溶剂〕。做标准测试时应对试样进行恒温恒湿处理，一般要求在25±2℃及相对

湿度为65％的条件下放置16小时以上。

3． 测试前仪器准备

(1) 测试电压开关置于“10V”档。

(2) 倍率开关置于最低档（1×102）。

(3) 放电-测试开关置于放电位置。

(4) 电源开关置于“断”位。

(5) 输入短路开关置于“短路”位置。

(6) 极性开关置于“0”位。

(7) 将仪器接地端用导线妥善接地。

(8) 合上电源开关（指示灯亮，并有鸣声）。

(9) 仪器预热30分钟后将极性开关置于“＋”处，此时指针可能偏离“∞”及“0”的位，缓

慢调节“∞”及“0”的电位器，使指针置于“∞”及“0”处直至不再变动。

(10) 将输入端开关拨向开路，倍率开关由 1×102转到满度位置，这时指针将从“∞”位

置指于满度，然后再次将开关拨回1×102档，使指针仍指于“∞”，反复上述操作多次。

4． 测试步骤

(1) 将试样放入三电极中间，用测量电缆线接至Rx测试端钮和高压接线柱，将K2拨到

Rv档。

4(2) 将测试电压选择开关置于“1000V”档，短路开关仍置于“短路”档。

(3) 将放电-测试开关置于测试档，并同时按下秒表。经对试样充电15秒后即可将输

入短路开关拨向输入方向，过一分钟后进行读数，并记下数据。为保证读数准确，指针拟

取1—10刻度，通过改变倍率档进行调节，并记下倍率档的读数值。（注意：若出现指针很

快超出满度现象，应立即将输入短路开关拨回路端，将放电测试开关拨回放电位置，查明

原因以免损坏仪器。

(4) 测试完毕，将放电测试开关拨回放电位置，输入短路开关拨到短路位置。

(5) 间隔二分钟后，将 K2拨向Rs。

(6) 测量Rs,为此重复2、3、4操作步骤，记下测试电压，读取指示数值及倍率值，由

此测定总绝缘电阻。

(7) 去除保护电压，将K2投到vR重复上述2、3、4操作步骤，记下测试电压，读取指

示数值及倍率值，由此得到总绝缘电阻。

(8) 换试样，重复上述2、3、4、5、6、7操作步骤，以获得其vR、sR及R值。

五、数据处理

1．体积电阻系数

（1）由仪表读数计算体积电阻值vR

将仪表指示读数乘以倍率开关所示的倍率及测试开关所指示的系数（1000V时为1，

100V时为0.1,以此类推〕后所得结果为试样的体积电阻值vR。

（2）按公式（1）计算体积电阻系数vρ

2vvvSrRRddπρ==

式中，d为试样厚度，cm；S为测量电极的面积，cm2。本实验所用测量电极半径 r 为

2.5cm。

2． 表面电阻系数

（1）由仪表读数计算表面电阻值sR，步骤同vR。

（2）计算表面电阻系数sρ，如前所述，进行表面电阻系数测试时，保护电极连接仪器高压

端，此时表面电阻系数须按下式计算：

5()212lnvsRDDπρ=

式中D2是保护电极内径，本实验所用电极的D2为5.4cm。D1是测量电极的直径。

3．总电阻值R

去保护电极后，按测试步骤（7）所得的电阻即为实验的总电阻值。

六、思考题

1．测定表面电阻系数时，保护电极起什么作用？

2．聚合物电介质的电阻系数温度依赖性与金属的有何不同？为什么？

3．近年来已经发现聚合物还可能是半导体、导体甚至超导体，你对此有多少了解？

4．你了解2000年度诺贝尔化学奖获得者Heeger（黑格，美国）、MacDiarmid（麦克迪尔米

德，美国）和白川英树（日本）的工作吗？

七、参考文献

1． 何平笙，朱平平，杨海洋．在“高聚物的结构与性能”课程中讲透高聚物的特点．高分子通报，

2001，(5): 74~79

2． He Pingsheng, Yang Haiyang, Zhu Pingping. What are the characters of polymers, comparing

with low molecular weight compounds? International Journal of Engineering Education.:

Theory and Practice, 2003, 12(8):66~69

3． 徐种德，何平笙，周漪琴，马德柱等．高聚物的结构与性能．北京：科学出版社，1981；马德

柱，何平笙，徐种德，周漪琴．第二版，1995，第七章

4． 晨光化工厂编．塑料测试．北京：燃料化学工业出版社，1973

5． J.V.Schmitz. Ed. Testing of Polymers. 1965,Vol.1,Chap.6

6． 董炎明，张海良．高分子科学教程．北京：科学出版社，2004

7． 何曼君，陈维孝，董西侠，高分子物理，修订版，上海：复旦大学出版社，1990

8． 平郑骅，汪长春，高分子世界，上海：复旦大学出版社，2001

八、安全事项

1．本实验使用的是高压直流电源（1000V），实验中必须注意安全，测试前务请认真阅读本

书，测试中必须严格按照操作步骤，注意，切勿用人体部位触及xR高压端。

2．切勿误将xR高压端接地，否则引起烧机责任事故。

3．每完成一个试样的测试后，务必先将放电-测试开关拨向放电位置，输入短路开关拨至短