非金屬材料表面電阻測試及影響因素的研究*

楊娟 王良旺 劉柏清 王繼業 蔣漳河 王新華

(廣州特種機電設備檢測研究院 廣州 510760)

0 引言

在石化、煤炭、電子、橡膠、塑料、木材、糧食加工等行業中，靜電危害預防與控制是事故防范的重要內容[1-4]?？刂旗o電放電引燃事故的關鍵在于減少靜電荷產生、加速靜電荷泄放，這就要求在易燃易爆場所使用的非金屬材料必須具有導靜電性能[5-6]。非金屬材料導靜電性能的主要衡量指標是表面電阻，因此在選擇易燃易爆場所使用的材料、設備時，必須準確測量并合理選擇表面電阻，使其滿足抗靜電需求。從而，設備或材料在易燃易爆場所使用的過程中不會產生靜電荷積聚，避免形成靜電放電引發火災爆炸事故。

表面電阻測試方法較多，如兩點電極法、同心環電極法、重錘電極法、漆條法以及銅帶電極法、四針電極法等[7-10]，這些測試方法基本原理都是通過外加電壓以及測得的電流計算得出材料表面電阻值，但在應用不同測試電極進行實驗測試過程中發現，采用不同方法對同一材料進行測試時會因為電極覆蓋區域、操作方法等的差異性得出不同的表面電阻測試結果，說明不同測試方法的適用性、準確性還有待進一步研究。非金屬材料表面電阻影響因素較多，環境溫度升高或環境濕度增加時，非金屬材料的表面電阻均會減小；測試電極與被測材料表面的接觸面積增加時電阻值會減小[11]?；炷敛牧显诮ㄖ袠I應用廣泛，表面電阻是衡量氯離子對混凝土腐蝕的關鍵參數，關于混凝土形狀、電極尺寸、環境條件等對表面電阻影響的研究較多[12]。

為了對比兩點電極、同心環電極等不同測試電極在進行表面電阻測試時的差異性與適用性，探究測試壓力、測試電壓以及材料特性等因素對非金屬材料表面電阻測試的影響規律，本文選用常用的非金屬材料表面電阻測試電極以及自行研制的平行條電極在不同測試壓力、不同測試電壓等條件下對不同厚度、材質、表面粗糙度等特性的非金屬材料進行表面電阻測試，實驗結果對于非金屬材料表面電阻的準確測試和合理選用具有重要指導意義。

1 實驗

1.1 實驗裝置

常用的表面電阻測試裝置包括電阻計、測試電極。電阻計主要是對測試電極施加特定電壓，并測量流經測試電極的電流值，從而計算出被測非金屬材料表面電阻。本實驗中使用的電阻計可提供10 V、100 V兩檔輸出電壓。測試電極存在較多種類，不同的測試電極適用于不同的測試條件，目前廣泛應用的測試電極包括兩點電極、重錘電極、同心環電極、平行漆條電極等，如圖1所示。

圖1 測試電極

國際上對非金屬材料表面電阻的測試一般按照IEC60079-32-2[13]的規定，廣泛使用漆條電極法。但這種方法在實際操作中存在以下局限性：

(1)準確性方面：IEC 60079-32-2[13]中對漆條電極的長度、寬度等進行了明確規定，但實際制作過程中，很難保證與標準規定的一致，受操作者因素影響較大，且施加在電極上的壓力也很難量化，不能保證測量結果的準確性。

(2)重復性方面：不同操作者進行該項測量時，制作的漆條電極、施加的測試壓力均不相同；即使是同一名操作者也很難保證每次測量時制作的漆條電極相同，對電極施加的壓力相同，因此測試結果重復性較低。

(3)安全性方面：目前的漆條法測量時需要作業者手握兩個電極探針放置在漆條上，測試過程中電壓達到500 V甚至更高，因此測試過程觸電風險較大。

(4)效率性方面：應用導電銅漆制作漆條電極過程持續時間較長，需要漆條凝固后才能進行測量，因此測試效率較低，一般一次測量需持續一到兩天。

為了改善漆條電極測試過程中的諸多缺點，提升測試的準確性、效率性、安全性等，設計了如圖2所示的平行條電極。

1—檢測電極；2—支撐電極；3—電極絕緣子；4—絕緣外殼；5—導線母接頭；6—絕緣把手

1.2 測試樣品制作

為了探究不同因素對表面電阻測試的影響，制作了尺寸均為200 mm×200 mm的不同厚度、材質、表面粗糙度等性能的非金屬材料樣品共9種，如圖3所示。

圖3 實驗測試用樣品

2 實驗過程

測試前，用蘸有70%質量分數酒精水溶液的干凈棉布清洗被測樣品，待干燥以后將被測樣品放置在溫度為(25±2)℃，濕度為(50±5)% RH的環境中24 h。

測試時，分別取出被測樣品和測試電極，按照測試要求選取適當位置將測試電極放置在樣品上，打開測試電極開關，待其讀數穩定后讀取數值并記錄，重復此操作5次，取平均值即記為該樣品的表面電阻值。

3 結果與討論

3.1 測試電極的影響

分別利用同心環電極、兩點電極、重錘電極對8種不同類型的試樣進行測試，測試結果如圖4所示。

從圖4可以看出，總體來說同心環電極、兩點電極、重錘電極對同種材料的表面電阻測試結果較為集中。對3種電極的測試結果進行總體排序：兩點電極測試值最大；重錘電極居中；同心環電極測試值最小。

圖4 不同測試電極測試結果

考慮電極的形狀、尺寸并結合圖4中測試結果，兩點電極測試范圍小，適用于小尺寸與凹陷位置電阻測試；同心環電極對不均勻材料的測試準確性較高；重錘電極對于大面積材質電阻測試較為準確。值得注意的是，其中兩點電極由于測試設備的局限性，需要人為施加一定的壓力，很難確保每次測試的外加壓力大小相同，所以測試結果的準確性無法保證。這一點從圖4中也能看出，兩點電極的測試結果與同心環以及圓柱體重錘電極出現較大的偏離，且基本偏大。

為了檢驗試制平行條電極的準確性與有效性，選用均勻性、穩定性較好的兩種防靜電材料(無紡布過濾材料、玻纖防靜電板)和兩種絕緣材料(光滑PVC、磨砂PVC)，對比分別使用同心環電極、重錘電極、平行條電極的測試結果，如圖5所示。從圖中可以看出，3種測試電極對4種不同材料進行表面電阻測試時，測試結果相差較小，說明試制的平行條電極能夠較為準確的對非金屬材料進行表面電阻測試。和漆條電極相比，平行條電極受操作者因素影響較小，提升了測試結果的準確性。

圖5 平行條電極與同心環電極、重錘電極測試結果對比

3.2 材料的影響

非金屬材料可能存在同種材料表面粗糙度不同、同種材料厚度不同等情況，根據易燃易爆場所現場使用的需要，在實際應用中如何準確的檢測、判定其表面電阻值至關重要。

對于材質均勻的材料，無論從哪個面進行表面電阻測試，測試結果均相差不大，但是對于均勻性較差、表面有涂層或者材料內部有金屬絲或其他不均勻添加物的材料，在不同面進行表面電阻測試時，測量結果可能存在差異。對內含金屬絲的非金屬材料樣品9，應用重錘電極對其兩個較大尺寸的表面進行表面電阻測試，測試結果Side 1面的表面電阻為3.70×105Ω，Side 2面則是3.49 ×1011Ω。從測試結果可以看出，重錘電極測試得出的樣品兩個面的表面電阻不同，且差異較大，說明樣品9兩個表面的材料均勻性上存在較大差異。

因此，對于易燃易爆場所使用的非金屬材料，特別是兩個表面均與易燃易爆環境接觸時，需要分別對兩個表面的電阻進行測試，只有當兩個表面的電阻值均滿足防靜電需求時，才能安全的使用該種材料。

同種材料制成的非金屬樣品，當表面粗糙程度不同時進行表面電阻測試，其與測試電極接觸的部分占樣品表面積的比例也不相同。選用表面粗糙程度逐漸增加的光滑、磨砂、花紋表面PVC材料進行表面電阻測試，結果如圖6所示。

圖6 不同表面粗糙度材料表面電阻測試結果

從圖6可以看出，使用重錘電極、平行條電極、同心環電極3種電極進行測試時，測得的樣品表面電阻值均隨表面粗糙度的增加而增加，說明非金屬材料表面電阻值與材料表面粗糙度呈正比。

材料厚度是影響非金屬材料表面電阻的重要因素，實驗選用厚度分別為2 mm、4 mm、6 mm的亞克力板，測量不同厚度的同種非金屬材料的表面電阻，結果如圖7所示。實驗結果表明，隨著材料厚度的增加，材料表面電阻逐漸增加。

3.3 測試條件的影響

非金屬材料表面電阻測試過程中，施加在測試電極上的電壓、壓力等測試條件均會影響表面電阻的測試值，實驗探究了施加電壓、壓力對材料表面電阻測試結果的影響。

為了探究對電極施加電壓對材料表面電阻的影響，使用平行條電極以及絕緣耐壓測試儀(該設備可以設置0～1 000 V的電壓值)對平行條施加電壓。實驗選用光滑PVC和磨砂PVC兩種樣品，實驗測試結果如圖8所示。

圖8中，施加在測試電極上的電壓越大，表面電阻測試值越小。初始階段，當電壓較小時(小于500 V)，表面電阻測試值隨電壓增加快速降低；電壓超過一定值后(大于500 V)，測試電壓對表面電阻的影響逐漸減小。分析原因主要是隨著電壓增加，激活了材料表面更多的活性粒子，材料表面的導電性增強，測得的表面電阻就會隨之降低；當電壓增加到一定程度，材料表面不再產生更多的活性粒子，此時材料導電能力變化較小，因此測得的電阻值的變化也較小。實驗結果也說明在表面電阻檢測時，外加電壓的影響較為顯著，需要選擇適當的電壓進行測試。對于實驗選用的光滑PVC與磨砂PVC樣品，測試電壓為500 V，即可測得較為穩定的表面電阻值。

圖8 外加電壓對表面電阻的影響

施加在測試電極上的壓力不同時，測試電極與非金屬材料表面的接觸面積占材料表面截面面積的比例也不相同。為了探究施加在測試電極上的壓力對材料表面電阻的影響，研制了變壓力表面電阻測試裝置，應用該裝置對玻纖防靜電板與絕緣材料光滑PVC板進行變壓力表面電阻測試，實驗測試結果如圖9所示。從圖9中可以看出，隨著施加在測試電極上壓力的增加，測得的非金屬材料表面電阻值逐漸減小。此外，在開始加壓階段，表面電阻的下降速率較快，隨著壓力的不斷升高，表面電阻的降低速率逐漸減小，最后趨于穩定。

(a)玻纖防靜電板

測試電極與被測非金屬材料的接觸表面很難達到絕對的光滑，會存在許多小的高低不等的突起，影響接觸面積。隨著施加壓力的增加，首先最高的小突起被壓低，次高的小突起得以接觸，繼續加大壓力，就有更多的小突起得到接觸，隨著測試壓力的增加接觸面積就逐漸加大了，測試的電阻值就減小了，如圖10所示。

圖10 測試壓力對表面電阻影響原理

從理論與實驗結果都可以看出，對非金屬材料進行表面電阻測試時，施加在電極上的壓力對測試結果影響較大，因此進一步驗證IEC 60079-32-2[13]中推薦使用的漆條法測試結果的準確性與穩定性有待提高，測試方法需要改進。從實驗結果還可以得出，增加測試電極的壓力時材料表面電阻存在極值，為了非金屬材料在易燃易爆場所的使用安全(存在表面施壓問題)，探索非金屬材料的極限測試壓力以及極限表面電阻值具有重要意義。

4 結論

本文通過使用現有表面電阻測試設備結合自行研制的平行條電極，進一步探究了測試電極、材料類型、測試條件等因素對非金屬材料表面電阻測試結果的影響，結果表明：

(1)使用不同電極對同種材料進行測試時，表面電阻測試結果會存在差異，特別是針對均勻性差、尺寸小的材料。

(2)通過與其他測試電極測試結果的對比，驗證了平行條電極測試結果的準確性。

(3)材料表面粗糙度、材料厚度、非均勻材料的不同表面測得的表面電阻均不相同，表面電阻隨表面粗糙度的增加而增大，隨厚度的增加而增大。

(4)測試電壓較低時，電壓越高測得的表面電阻越小，但電壓超過500 V以后，電壓影響較小。施加在測試電極上的壓力越大，表面電阻測試值越小，且隨著壓力逐漸增加，電阻值趨于穩定。