塑料表面电阻检测、电阻率测试

塑料，大部分是绝缘材料（一般来说，绝缘材料的电阻率在107 Ohm•m 以上，即电导率在10-7 S/m以下）。塑料绝缘材料是电气和电子行业（Electric and Electronic, E&E）的重要材料，其合理选择和应用是保证电气和电子设备质量和可靠性的关键。塑料绝缘材料在应用方面的基本性能包括电性能、力学性能、化学性能、环境性能、经济性和其他性能，这里主要介绍电性能，具体包括体积和表面电阻、介电常数、介电损耗、介电强度、耐电痕化、耐电弧、耐电晕、局部放电等。

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塑料绝缘材料在电场中的表现，我们通常用介电性能来描述，具体包括介质电导、介电极化、介质损耗和介电强度四个基本性能，其相应的特性参数分别为电阻率（ρv, ρs）、相对介电常数（εr）、介质损耗角正切（tanδ）以及介电强度（Ej）。简单来说，塑料绝缘材料在电场中，会发生电导、极化、损耗、击穿等现象。通常说来，一个塑料部件的绝缘性，包括表面绝缘和内部绝缘。表面绝缘主要包括表面电阻、耐电痕化、耐电弧、耐电晕等性能，内部绝缘则包括体积电阻、介电常数、介电损耗、介电强度、局部放电等性能。

1. 绝缘电阻与电阻率

绝缘电阻是表征绝缘体特性的基本参数之一，一个绝缘体的绝缘电阻由两部分组成，体积电阻（Volume Resistance, Rv）与表面电阻（Surface Resistance, Rs），相对应的电阻率分别是体积电阻率（Volume Resistivity, ρv）和表面电阻率（Surface Resistivity, ρs）。从定义上看，体积电阻是在试样“两个”相对表面上放置的两电极间所加直流电压与流过这两个电极之间的稳态电流之商，体积电阻率即单位体积内的体积电阻；表面电阻是在试样的“一个”表面上的两电极间所加电压与流过两电极间的电流之商，表面电阻率即单位面积内的表面电阻。事实上，塑料绝缘材料在电场下，也会有很小的电流通过，这一电流通过现象，被称为漏电，通过的电流被称为漏泄电流（Leakage Current）。

塑料绝缘材料体积和表面电阻的测试标准主要有IEC 60093，ASTM D257和GB/T 1410。值得注意的是，温度、湿度、电场强度及辐照等试验条件和环境条件会对塑料的绝缘电阻产生影响。常见塑料绝缘材料的体积电阻率在107 ~ 1016 Ω•m之间，表面电阻率在1010 ~ 1017 Ω之间。一般来说，非极性高分子的电阻率要略大于极性高分子的电阻率，但由于材料成分、制造工艺、测试条件差别很大，即便同一种材料的性能也有很大差别。

2. 介电常数及介电损耗

相对介电常数（也称作相对电容率，Relative Permittivity，εr），是电容器的电极之间及电极周围的空间全部充以绝缘材料时，其电容与同样电极构形的真空电容之商。介电常数是相对介电常数与真空介电常数的乘积。介质损耗角（Dielectric Loss Angle，δ），是由绝缘材料作为电介质的电容器上所施加的电压与由此产生的电流之间的相位差的余角。介质损耗角正切值（也称作介电损耗因数，Dissipation Factor，tanδ），是绝缘材料在施加电压时所消耗的有功功率与无功功率的比值，即为损耗角δ的正切值。通俗一点，介电常数的来源是塑料绝缘材料在电场中极化，形成反电场，使电容器的电场强度减小；介电损耗的来源是塑料绝缘材料在电场中极化，吸收电能，以热的形式耗散。

塑料绝缘材料相对介电常数和介电损耗因数的测试标准主要有IEC 60250, ASTM D150和GB/T 1409。这里提一下频率对两者的影响（50Hz ~ 1GHz），一般的塑料绝缘材料，随着电场频率的增加，介电常数降低，介电损耗增加。常见的非极性或稍带极性的塑料，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯和其他纯碳氢的塑料，相对介电常数很小（约2 ~ 3），介电损耗因数也很小（10-8 ~ 10-4）；极性大的塑料，如聚氯乙烯、酚醛树脂、尼龙等，它们的相对介电常数较大（4 ~ 7），介电损耗因数也较大（0.01 ~ 0.2）。与电阻率一样，塑料绝缘材料的介电常数和介电损耗也受到材料成分、制造工艺、测试条件的影响。

3. 介电强度

介电强度（Dielectric Strength）的试验分为两种类型，即击穿试验和耐电压试验。击穿试验是在连续升压试验中，试样发生击穿时的电压，即击穿电压（Breakdown Voltage or Puncture Voltage），单位厚度的击穿电压即介电强度（kV/mm）。耐电压试验是在逐级升压中，试样承受住的最高电压，即耐电压（Withstand Voltage or Voltage Resistance）；在该电压水平下，整个试验内试样不发生击穿。值得注意的是，在试验中，有可能发生闪络（Flashover），即试样和电极周围的气体或液体媒质绝缘性能丧失，引起试验回路。

塑料绝缘材料介电强度的测试标准主要有IEC 60243，ASTM D149，GB/T 1408和GB/T 1695，其中GB/T 1695是针对硫化橡胶的测试方法。值得一提的是，材料介电强度的测试受电压波形和频率（直流、工频；雷电冲击）、电压作用时间、试样的厚度与不均匀性以及环境条件的影响。常见的通用塑料和工程塑料板材和片材的介电强度在10 ~ 60 kV/mm左右，聚丙烯、聚酯、聚酰亚胺等薄膜的介电强度在100 ~ 300 kV/mm左右。

4. 耐电痕化

电痕化（Tracking），即漏电起痕，是指在电应力和电解杂质的联合作用下，塑料绝缘材料表面导电通路的逐步形成。对于塑料绝缘材料，常见的一个电性能指标是相比电痕化指数（Comparative Tracking Index, CTI），从定义上讲，是指该材料经受50滴电解液期间未电痕化失效的最大电压值，所谓的电痕化失效，即过电流，0.5 A或更大的电流持续2 s时动作；或者持续燃烧2 s以上。具体一点，CTI的测试电压范围是100 ~ 600 V（50Hz），电压的增减量是25 V的倍数。电解液有两种，溶液A为0.1 wt% 氯化铵溶液， 电阻率约3.95 Ohm•m；溶液B为0.1 wt% 氯化铵 + 0.5 wt% 二异丁基萘磺酸钠，电阻率约1.98 Ohm•m；溶液B的侵蚀性更强，一般在CTI值后加一个字母M。此外，电痕化还有一个概念PTI（Proof Tracking Index），即耐漏电起痕指数，是材料经受50滴电解液而不出现漏电起痕的耐电压值。

CTI的测试标准主要有IEC 60112，ASTM D3638和GB/T 4207。对于塑料绝缘材料，基材、填料和助剂（阻燃剂、塑化剂等）均会影响CTI；从配方和加工的角度来看，避免小分子析出、游离炭的生成和堆积是关键，同时要提高制品外表的光泽度和平整度。以DuPont的Crastin® PBT为例，CTI在175 ~ 600 V之间，玻璃纤维和阻燃剂的加入，在一定程度上会使得CTI降低。另外，PPS、LCP等材料的CTI要略低一些，主要是分子结构含碳量较高。总之，针对电气和电子设备的塑料表面绝缘，要整体考虑基材、配方和加工方面的问题。

5. 耐电弧

塑料绝缘材料的耐电弧能力（Arc Resistance），是指材料抵抗由高压电弧作用引起变质的能力，通常用电弧焰在材料表面引起炭化至表面导电、材料燃烧、材料熔化（孔洞形成）所需时间表示（单位是s）。测试一般采用高电压、小电流（12.5 kV电压, 10 ~ 40 mA电流），在两电极间产生电弧，作用于材料表面，通过电弧间歇时间逐步缩短、电流逐步加大的方式，使材料经受逐渐严酷的燃烧条件，直至试样破坏，记录自电弧产生直至材料破坏所经过的时间。相较于耐电痕化的“湿烧”，耐电弧属于“干烧”，是通过一次次产生电弧，来考察材料表面的绝缘性能。

耐电弧的测试标准主要有IEC 61621, ASTM D495和GB/T 1411。一般塑料绝缘材料的耐电弧时间从几十秒到一二百秒；耐电弧时间越长，表面绝缘性能越好。与CTI类似，塑料中的玻璃纤维、阻燃剂等填料和助剂，以及塑料的表面光滑度，均会影响材料的耐电弧性能。