变温_变压四探针测试仪的研制及应用

0 引 言 < XML:NAMESPACE PREFIX = O />

高分子半导体、导体是功能高分子材料科学研究中的一个重要领域，其理论探索与应用已经展示了极为重要的前景。导电高分子材料通常包括导电橡胶、导电塑料 / 纤维、导电胶黏剂、导电涂料 / 膜材料等，在太阳能利用、光电子器件、信息储存、分子导线和分子器件，以及电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术等方面有着广泛的应用前景［ 1 ］。其中压敏性导电橡胶作为传感器功能材料，高分子热敏电阻作为过热保护器件［ 2-4 ］等，在现代工业中的应用更为广泛。因此，有关导电高分子的压阻特性［ 3 ］和温阻特性［ 4-5 ］的研究常有报道。但是在常用的电阻率测试仪器中，高阻计［ 6-7 ］和四探针测试仪［ 8-11 ］都不便于进行变温和变压测试。本文通过制备一种塑料封装四探针和一种金属 / 陶瓷组装四探针，结合控温系统、加压系统，能够方便地测试变温、变压条件下橡胶等材料的导电性能。

1 常用四探针测试仪的构造及功能

四探针法是应用最广泛的测量半导体电阻率的方法。如图 1 所示，常规四探针法是将 4 个刚性探针与样品表面呈直线均匀接触，在 1 、 4 探针上施加恒定精密直流电流 I ，用高精度的电压表测量中间 2 、 3 探针的电压 U 。

如果样品的尺寸 ( 直径和厚度 ) 与探针间距大小相比都可视为无限大，如当样品直径 ＞ 40s ，样品厚度 d ＞ 5s 时，边缘效应修正因子和厚度效应修正因子均为 1 ［ 9 ］，则按照下式计算电阻率 :

ρ = 2πs( U / I)

式中， s 为探针间距。

常规四探针测量法具有使用简便、测量准确度较高等优点。如果在该仪器基础上增加变温测试或变压测试功能，将进一步提高其使用效率，并可以用于导电橡胶、导电塑料等材料的电阻率压敏和热敏特性研究。通常将四探针部分与测试样品同时放入控温箱，通过改变控温箱温度实现变温测试，具有较大的局限性。本文研制了 2 种四探针及其控温装置、加压装置，可以方便地实现变温、变压情况下的电阻率测试。

2 自制四探针的设计与制作

2 ． 1 塑料封装四探针

选取 α - 氰基丙烯酸乙酯水催化加聚产物对 4 根金属针进行封装，然后一端连接金属导线，制成一体式的四探针，其示意图见图 2 。

制作过程如下 :

( 1) 模具。取绝缘塑料板制作圆柱体模具，其底面直径为控温仪内腔的直径，模具高度为 2 cm 。

( 2) 四探针的固定。将 4 根金属针以间距 1 mm 分别穿过绝缘塑料板，并加以固定。

( 3) 制作成型。将α - 氰基丙烯酸乙酯水催化加聚产物分次涂覆在模具中，每次涂覆要求少量、均匀，保证无气泡。经过长时间的涂覆晾干后， 4 根金属针被固定成型。

( 4) 连接导线。将 4 根金属针的末端分别连上导线，如图 1 所示。

( 5) 封装。将制作好的塑料四探针套上金属外套，塑料封装四探针制作完成。

2 ． 2 金属 / 陶瓷组装四探针

采用铝、铜材料和陶瓷材料，将金属针和导线固定，制成探针可上下活动，能够承受较大压力的四探针，其示意图见图 3 。

制作过程如下 :

( 1) 材料选择。选择陶瓷及铜、铝金属作为探针的固定材料。

(2) 陶瓷封装四探针制作。预制陶瓷部件为 2 个半圆柱体，中间留有 4 条导槽，间隔 1 mm; 将 4 根探针均匀排列在陶瓷导槽中间，用绝缘耐高温粘合剂固定。

(3) 承压、固定组件。在探针的末端 ( 测试端另一端 ) 分别加上陶瓷护套、弹簧，前者主要是为了固定 4 根金属针，承受向下的压力，后者可以保护探针并具有一定的预压力 ; 在这些组件的外面套上与控温仪内腔直径相同的铜管，进一步起到固定、承压、导热的作用。

(4) 中空铝制承压件。中空铝制承压件是由车床加工而成，承压件的上端是圆盘，主要为在上面加砝码施加轴向压力并使受力均匀。承压件下端是中空管，可方便测试导线通过。中空铝制承压件、弹簧、探针末端陶瓷都起到保证压力垂直的作用。

(5) 导线的连接。在导线的外面涂覆绝缘层，由探针末端经中空铝制承压件导出。金属 / 陶瓷组装四探针制作完成。

( 6) 其他配件设计。在 4 根金属针与陶瓷部件接触的部位，通过过盈配合放置一个薄铝环，作用是固定 4 根探针，防止陶瓷部件掉落。在中空铝制承压件的末端用车床制作成螺纹，在铜套的内部也制作成螺纹，使其两者能啮合。当两者啮合后，与弹簧共同作用，使针头能自由上下伸缩。

将塑料封装四探针和金属 / 陶瓷四探针放入控温 / 加压装置中，两者在常温下均能正常使用 ; 但是在较高温度下塑料封装四探针的塑料部分开始软化，直至不能使用，而金属 / 陶瓷四探针仍可正常测试样品的电阻率。以后的实验均采用后者进行电阻率测试。 [p]

3 导电橡胶压阻行为和温阻行为的测试

导电橡胶是兼有橡胶高弹性和导电功能的一种复合材料，压力和温度都会影响橡胶分子链及其与导电填料的聚集态结构。从图 4 可以看出，当重力较小时 ( 0 ～ 1 ． 47 N) ， EPDM/ 石墨复合材料的电阻率随重力增加而减小，当重力达到 1 ． 47 N 以后，电阻率迅速下降，这是因为石墨粒子在外加重力下相互靠近直至接触，形成了更有效的导电通路所致。当重力在 1 ． 96 ～ 2 ． 94 N ，电阻率有所增加，当重力达到 3 ． 43 N 后，电阻率迅速增大，这是因为在由四探针传递到样品的重力过大，使石墨导电网络破坏、导电通路打断造成的。此规律与文献［ 3 ］基本相符。

从图 5 可以看出，随温度升高， EPDM/ 石墨复合材料的电阻率呈减小趋势，表现出橡胶材料的负温度系数效应——— NTC 效应［ 5 ］。在室温 ～ 60 ℃，电阻率急剧下降，而超过 60 ℃以后电阻率下降速度减小直至变化不大。这是因为升高温度有利于柔性橡胶分子链的运动，使石墨粒子相互接触，形成更有效的导电网络，从而表现为电阻率迅速下降，直到粒子间充分接触，电阻率不再发生显著变化。

4 结 语

自制金属 / 陶瓷组装四探针是由金属针、陶瓷、中空铝制或铜制承压件、金属导线等组成，具有耐高温、便于变压变温测试、成本低等特点，与控温装置、加压装置和测试装置结合，能够准确测试导电橡胶等材料的压阻特性和温阻特性。

参考文献 (References):

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［ 4 ］ 宋义虎，王浩江，郑 强，等． 高密度聚乙烯 / 石墨导电复合物的 PTC 行为及其热循环稳定性［ J ］． 功能高分子学报， 2001 ， 14( 1) :39-44 ．

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［ 7 ］ 陈少卿，成 霞，王 霞，等． 纳米氧化锌 / 聚乙烯复合材料中空间电荷及体积电阻率的研究［ J ］． 绝缘材料， 2007 ， 40( 2) : 48-50

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