油罐车尾的铁链消失不见，如何量化材料的电阻率？

作者：泰克科技

如果你仔细观察过油罐车，你会发现油罐车车尾通常都安装了一条铁链，可是你有没有想过它的存在有何意义呢？难道这根铁链和洒水车经过时播放的音乐一样，只是为了提醒我们油罐车来了吗？

其实不然，作为运输石油衍生品的专属用车，在它金属制作的车身里，装着诸如汽油、煤油等很多类型的燃油。尽管工作人员已经从控制车内氧气含量等各个方面，来降低燃油燃烧的可能性，然而在整个运输过程中，一旦遇到不平的地势或者拥挤的交通，势必会造成速度上的改变，进而造成燃油的晃动，导致燃油和车壁的不断摩擦和碰撞，这样就会使油槽充满或正或负的电荷。可是汽车的轮胎材质是橡胶做的，橡胶本身是一种不良导体，具有过大的电阻率，当对橡胶施加电压时，其内部的电子无法顺利移动，因而无法使电荷及时导出，电荷的不断聚集会产生静电，而当达到一定静电电位时，就会引起电荷的放电，也就是我们常说的电火花，这对于燃油这种易燃的东西来说是非常危险的，即便是零星的火花，也可以将油罐车引燃并产生爆炸，造成无法预估的损失和伤亡事故。

铁链在安全上的重要性为什么没了？

所以也正是为了防止这样的风险产生，人们便在汽车后面绑上一根铁链，就像“接地线”一样。这条铁链的作用是：

• 将油罐感应的静电导走，避免与外界物质发生跳火；
• 使油罐车和整个装卸油设备保持等电位，防止出现电位差；
• 对油料中电荷有加快泄露的作用。

这就体现出了油罐车后面拖着一根铁链的重要性了！那为什么现在我们在路上见到的油罐车后面都没有铁链的拖尾了呢？

其实是由于，现在的轮胎橡胶中都掺杂了一定浓度的碳黑。碳黑在塑胶工业的一个重要应用就是导电性能，通过控制碳黑的添加量能得到不同导电率的聚合物。再掺用一定量的碳黑后，可使这些材料的电阻率降低至100Ω*cm以下，使高电阻的高分子材料变成具有半导电性能或抗静电屏蔽性能的材料，可用于生产高压电缆的导电屏蔽材料，油罐车的轮胎橡胶和制作高精度电子产品的防静电包装材料。

如何量化材料的电阻率？

那么我们应该用什么方式方法来量化材料的电阻率呢？电阻率测定有两种基本方法：体积和表面电阻率。

体积电阻率测量

体积电阻率测量一般采用下图1所示的测试夹具完成，将电压源V-Source施加到上电极，测试流经测试样品的小电流I，随后体积电阻率ρv用公式ρv=kvτR计算得出。其中，ρv=体积电阻率，kv=电极接触的有效面积，τ=样品厚度，R=V/I（施加的V-Source和测试的电流值的电阻比值）。

图1 测试夹具

表面电阻率测试

表面电阻率测量一般采用下图2所示的电极配置，将电压源V-Source施加到环状电极上，再测试样品表面上的电流从保护电极流向主电极的电流，即表面电流I。随后表面电阻率ρs用公式ρs=ksR计算得出。其中，ρs=表面电阻率，R=V/I（施加的V-Source和测试的电流值的电阻比值），ks=P∕g，P=保护电极的有效周长（mm），g=保护电极与环形电极间距（mm）。

图2 电极配置

复杂聚合物材料和超高电阻测试

当我们测的材料并非一种均质材料，而是像上面所述的是一种橡胶掺杂了碳黑的聚合物的时候，又会出现什么测试测量问题呢？

我们会发现随着我们施加在样品上的+V持续一段施加后，聚合物中的碳黑颗粒，会渐渐的形成更利于电流流过的导电通路，导致测试电流慢慢变大，那这显然并不是我们想去真正表征的材料本身电阻率特性，这时候我们只需要将样品两端的+V反向成－V即可破坏掉已经建立的导点通路，再进行均值化测试测量了。（以体积电阻率测试举例，见下图示意）

那在测试一些复杂聚合物材料或者超高电阻和电阻率的时候，为了提高测试结果的重复性，我们会用一种叫做交变极性测量法的方式来实现（alternating polarity measurement method）。实际测试流程如下，施加一个正电压＋V，等待指定的时间（下图选择等待１５秒），然后进行电流测量；紧接着，施加一个同样大小的负电压－V，等待相同的时间（１５秒），再进行一次电流测量。

图3 以体积电阻率测试举例

图4 交变极性测量法

Keithley完整的高电阻率测量解决方案

可以使用以下套件，采用标准 ASTM D-257 “绝缘材料的DC 电阻或电导”规定的方法执行高电阻率测量：6517B 静电计/高阻表 + 8009 夹具盒 + KickStart HRMA测试软件。

Keithley 6517B 静电计 / 高阻表是全球科研实验室灵敏测量的标准。吉时利在弱电测量方面拥有 60 多年的专业经验，吉时利静电计能够可靠地测量最低 10 aA （10×10-18A） 电流、最低 1 fC 电荷，并支持最高 1018Ω 的电阻测量。6517B 还能够测量高达 200 V 的最大电压范围，输入阻抗超过 200 TΩ。所有这些性能都融合在一台仪器中，操作起来像数字万用表一样简便。

8009 电阻率测试夹具满足美国测试材料协会 （ASTM） D257 标准规 定的绝缘材料 DC 电阻或电导标准测试方法。8009 与 6517B 相结 合，为进行优质安全的电阻率测量提供了完整的系统。8009 带有 6517B-ILC-3 安全互锁电缆、7078-TRX-3 三同轴到三同轴电缆及 8607 1 kV 源电压香蕉插口成套电缆。

KickStart 高电阻率应用控制着执行所需测量的静电计和测试夹具，进行 ASTM- D-257 标准电阻率测量。它可以以高达1000V 电压测试材料，确定高达 1018 Ω-cm 的电阻率，分析电流随时间变化的阶跃响应图，确定测量要等多长时间被测材料才会稳定，分析多个读数图，确保获得稳定一致的测量。KickStart 高阻应用采用交换电极技术，消除固有的背景电流，实现最准确的电阻率测量。还可以使用这个应用，使用选配的热电偶和相对湿度探头，观测电阻率与温度和相对湿度的关联度。