项目 11 测试塑料的电性能

2. 项目11 测试塑料的电性能 • 任务11-1：检索并处理文献，制定测试方案 电插头 热水壶

3. 1.任务告知： • 拟实现的知识目标： • 塑料电性能表示，测试原理，测试方法标准。 • 拟实现的能力目标 • 了解塑料电性能的表示及测试方法

4. 2.任务的引入 • 塑料产品电性能如何表示？ • 为什么要测试塑料产品电性能? • 塑料产品电性能测试方法、测试原理及仪器? • 测试塑料电性能的流程是怎样的？

5. 查阅塑料产品电性能标准，制定测试方案 3.任务的实施 • 各组阅读任务单、弄懂任务的具体要求制定 完成任务的初步计划 • 各项目经理分配任务并带领小组成员完成资 料查阅任务，制定测试方案

6. 4.归纳总结 • 各项目经理召集小组成员开会，汇总形成本组的相关资料 • 项目总经理检查各组汇报的资料

7. 项目11 测试塑料的电性能 • 任务11-2：测试塑料薄膜的电阻率 电插头 热水壶

8. 1.任务告知： • 拟实现的知识目标： • 髙阻计结构与原理； • 电阻率测试方法与原理； • 塑料的电性能相关知识。 • 拟实现的能力目标 • 懂得仪器的结构、校准和调零； • 能制备测试试样； • 能测试塑料薄膜的表面电阻率和体积电阻率； • 正确记录结果，给出测试报告。

9. 2.任务的引入 • 如何制备塑料产品电能测试试样? • 髙阻计结构有何特点?它的工作原理怎样的? • 电阻率测试方法有哪些?它的工作原理怎样的? • 髙阻计如何校准和调零? • 如何对测试数据进行处理？ • 影响电性能测试结果因素有哪些？

10. 3.任务的实施 测试塑料薄膜的电阻率 • 指导老师讲解、示范 • 各组测试塑料薄膜的电阻率

11. 4.归纳总结 • 各组汇报测试塑料薄膜的电阻率测试情况 • 指导老师对各组的测试进行评价 • 指导老师讲解塑料电性能

12. 电性能 • 什么叫塑料电性能？ • 电阻率、介电强度、相对介电常数，和介电损耗角正切等与电有关的性能，统称为电性能。 • 塑料的电性能的特点 • 塑料体积电阻率≥1016Ωcm； • 介电损耗角正切≤10-4， • 有较宽的介电常数。 • 塑料的应用 • 电机，需要选择介电强度高、介电损耗小的绝缘材料； • 电容器，必须用介电损耗小而介电常数尽量大的材料； • 仪表绝缘部件，要选用介电损耗小而电阻率高的材料； • 高频干燥，焊接、热处理等过程，需要介电损耗较大 • 消除去静电，材料要有较低的电阻率（109Ω cm以下）

13. 一、介电强度测定 • 基本概念 • 1。电击穿 • 高分子材料在一定电压范围内是绝缘体，但随着施加电压的升高，性能会逐渐下降。当电压升到一定值时变成局部导电，此时称材料被击穿。 • 2。介电强度（击穿强度）： • 指造成聚合物材料介电破坏时所需的最大电压，一般以单位厚度的试样被击穿时的电压数表示。 • 式中：E——介电强度，KV/mm • V击穿——击穿电压，KV • d——试样厚度，mm

14. 基本原理 • 通常介电强度越高，材料的绝缘质量越好。 • 塑料击穿的主要表现 • 绝缘性能破坏，击穿点上产生电弧，材料穿孔熔化、变焦、烧毁等。 • 固体介质中，总有一些自由电子存在，在外电场作用下被加速而撞击中性原子，致使原子电离，最终造成材料击穿。 • 高分子的击穿通常与温度有关 • 当低于某一温度时，界电强度与温度无关——电击穿 • 高于这一温度时，随温度升高而界电强度降低。 • 高分子材料在发生电击穿时，常伴随有热击穿。 • 热击穿，介电强度随温度增加而迅速降低。 • 塑料击穿的特点： • 塑料材料的击穿过程，通常伴随着热击穿与电击穿，很难说界定是某种击穿。 • 一般来说，工作温度高，散热条件差，介质电导及损耗大的材料，发生热击穿的几率高。

15. 基本原理 • 热击穿的原理 • 塑料介质在电场中发生的热量大于它能散发的热量，使其内部温度不断升高。 • 温度升高导致其电阻下降，流经试样电流增大，产生的热量更多，如此循环不已，致使介质转变为另一种聚集态，失去了耐电压能力、材料被破坏。 • 热击穿的外部表现： • 介电强度随温度升高而迅速下降； • 热击穿与电压作用的长短有关； • 与电场畸变及周围介质的电性能关系不大； • 击穿点多发生在电极内部。

16. 试验方法 • 短时法（连续均匀升压） • 施加于试样的电压从零开始，以均匀速率逐渐增加到材料发生介电破坏。 • 低速升压法（逐级升压） • 将预测击穿电压值的一半作为起始电压，然后以均匀速率增加电压直到发生击穿。 • 每级升压值大约为V击穿的5～10﹪。 • 在交变电场中，介电损耗而发热，会造成介电强度试验时所用电场的频率不同，介电损耗也不同。 • 在交流电场中使用的材料，应在规定频率的交流电下进行。 • 在直流场合使用的材料，试验要在直流电下进行；

17. 试验方法 • 介电强度试验方法有 • ASTM D149—1992、GB 1048—1989、IEC出版物243 • 主要设备 • 高压变压器，该变压器应具有足够的容量，保证在介质被击穿的瞬间不被烧坏，其电流波形失真度不低于5﹪，否则影响测试结果。 • 自动升压装置，保证电压能均匀上升，并能控制升压速度。 • T1为自偶变压器，T2是升压变压器。 • T2变压比不同，其输出最高电压不同， • 当T1升压时，T2高压输出也升高，直到试样被击穿。

18. 自动升压电路图

19. 操作要点 • 1）准备：装上试样，接通电源。 • 电源电压表指示电压值，直流电压表指示直流电压。 • 合上高压开关K1，电流继电器J1动作，红灯亮。 • 2）升压：按升压按钮Ky正，升压继电器J2动作 • 直流电动机带动调压变压器匀速升压，当试样被击穿瞬间，过电流继电器J4 动作，J4-1常闭触头断开，切断J1、J2，红灯灭（高压断开），蓝灯灭（电机停转）。 • 当试样未被击穿时，上限行程开关B1动作，常闭触头断开，动作同上。 • 3）降压： • 在试样被击穿或上限行程开关动作的瞬间，自动降压接头短接，降压继电器J3动作，绿灯亮，电机换向旋转，使调压变压器电压降至“0”的位置，B2下限行程开关动作，切断J3，电机停转。

20. 试 样 • 形状和尺寸见表。 试样厚度不大于3mm，可以单面或双面加工成2±0.1mm。

21. 操作要点 • 测量试样的厚度 • 在电极面积下沿直径方向测三点，或在击穿部位附近测量其厚度； • 试验环境： • 常态，20±5℃，相对湿度65±5% 。 • 热态或潮湿环境，按产品标准规定调节。 • 试验媒质： • 气体媒质一般采用空气，液体媒质用变压器油或能耐高温的气缸油。 • 试样表面需用绸布蘸上对材料无任何作用的溶剂擦净，装入仪器内两电极之间，保持良好接触。 • 试样击穿判断 • 沿施加电压方向的位置有贯穿小孔、开裂或烧焦等痕迹 • 可用重复施加试验电压来判断。

22. 影响因素与讨论 （一）试样的厚度 • 随试样厚度增加，介电强度减小。 • 在击穿中，既有电击穿，也有热击穿。 • 从热击穿理论来讲 • 试样厚度增加，散热条件变坏，促使单位厚度的击穿电压降低。 • 从电击穿理论讲 • 当试样较薄时，电子加速时间相应地减小，电子不易从电极上逸出，其介电强度也相应增加。

23. （二）升压速度 • 以电击穿为主的试样，升压速度的影响不大； • 以热击穿为主的试样，随升压速度提高而增大。

24. （三）电极倒角r • 电极与试样接触平面边缘形成的半径r的角称为倒角。 • 当电极面积变化不大时，介电强度变化不大， • 当电极变成半圆球状（r很大），介电强度变化较大。 • 边缘效应，靠边缘处场强非常大的现象。 • 由于边缘效应，电极边缘间的介质容易已被击穿。 • 而边缘处场强的大小与倒角r有关系， • 一般r小，场强变大，所以，标准方法中规定ｒ＝2.5mm。

25. 电极倒角r的影响

26. 影响因素讨论 • (四)媒质 • 为缩小试样尺寸并防止边沿面放电，往往把试样和电极放在媒质中进行试验。 • 媒质会影响电极间的电场分布，致使介电强度发生变化。 • 因为在电场作用下，油中杂质会集聚电极边缘，形成导电薄膜，而使边缘效应减弱，故脏油会使电场均匀，净油无此作用。 • 若媒质不含（或含极少）导电杂质，则其电性能指标稳定，试结果也稳定，相反测试结果的重现性就差。 • 标准方法中规定用变压器油作为媒质。

27. 影响因素 • (五)试验环境 • 多数材料在低温下，介电强度与温度无关， • 当温度升高至某个高度，介电强度随着温度升高而下降。 • 湿度增加，介电强度也下降。 • 水分进入试样，电导变大之故。 • （六）试样加工 • 不良的加工方法会在材料中形成缺陷， • 例如弱的熔接缝、气泡流线和杂质颗粒，都会使介电强度降低30～60%，降低程度随缺陷的严重程度而异。

28. 二、介电常数和介电损耗角正切试验 • 基本概念 • 在单位电场中，单位体积内积蓄的静电能量的大小表示为绝缘材料的介电常数。 • 相对介电系数是表征绝缘材料在交流电场下介质极化程度的一个参数。 • 介电常数表示： • 假设把绝缘材料作为电介质制成的电容器 • 用指定频率测定电容器的等效并联电容量与将电介质换成真空场合的静电容量之比。

29. 介质损耗角正切 tgδ • 介电损耗角正切是表征电介质材料在交流电场下能量损耗的一个参数，表示为每个周期内介电损耗的能量与储存的能量之比。 • 电容器在交流电路时，当没有损耗时，流过电热器的电流会超前电压90°电气角。 • 当介质有损耗时，则通过的电流和电压相位差φ中的余角δ角叫介质损耗角，δ角正切值tgδ就叫介质损耗因数，亦叫介电损耗角正切。

30. 介质能量的损耗 • 介质损耗的原因很多 • 由电导引起极性分子偶极弛张，极化引起的能量损耗； • 因结构不均匀引起的， • 游离式电介质损耗等。 • 介质损耗主要表现 • 在介质在交变电场中吸收电场能量使介质本身发热，因而损耗了电能量。 • 损耗因数愈大，则介质损失在发热方面的能量越大。

31. 测试方法 • IEC250（1969）、GB1409—1989。 • 仪器：高压电桥、低压西林电桥、变压器电桥，Q表 • 测量电极 • 金属膜，导电橡胶或导电涂料之类。 • 电极接触法： • 电极贴在试片的两表面上进行测定的方法。 • 非接触式电极 • 在电极系统中，试样的一侧或二侧留有气体或液体间隙。 • 对于损耗很少或极薄的试样采用。

32. 试样，平板（圆形、方形）或管状的试样。 • 试样的尺寸视电极装置而定，厚度不大于3mm。 • 试样须根据产品需要选择预处理的条件。 • 试验时的环境： • 常态：环境温度20±5℃，相对湿度65±5% 。 • 热态或潮湿态，视具体需要选取。 • 热态预处理后的试样须在温度20±5℃，相对湿度65±5% 的条件下，冷却到温度20±5℃后方能进行常态试验。

33. 三、绝缘电阻率的测定 • 基本概念 • 电阻率用于表征材料的非导电能力，绝缘性能。 • 导体，电阻率≤106 Ω·cm ；绝缘体，≥109 Ω·cm； • 半导体，在106～109 Ω·cm • 体积电阻率ρv，平行材料中体积电流方向的电位梯度与该处电流密度之比。 • 电流通过1cm3正方体电介质的电阻 ，Ω·cm。 • 表面电阻率ρs，平行试样表面电流方向电位梯度与表面单位宽度上电流之比。 • 电流通过1cm2电介质表面的电阻，Ω。

34. 测试原理 根据欧姆定律，回路电流Iv 当RV＞＞R0 时，有 ： 根据：

35. 测试方法 • 电阻率测试有直接法和比较法。 • 直接法又分高阻计法和检流计法。 • 检流计法的原理： • 用检流计测量流经试样的微小电流从而计算出试样的电阻值，再根据试样和电极的尺寸计算电阻率。 • 高阻计法 • 把试样与高阻计中的输入电阻串联，输入电阻产主的电压降经放大后，再由指示仪表直接显示出电阻值，根据试样及电极的尺寸计算电阻系数。 • 高阻计法按GB1410－1989标准进行。

36. 试样形状与尺寸 • 试样表面的油污等杂质，可用对被测材料无腐蚀作用的溶剂擦净。 • 测试前，须进行预处理。

37. 电极的形状与配置 • 试样的形状不同，电极的配置也不同 • 电极材料有铝箔、导电橡胶、黄铜、不锈钢等。

38. 测试试样及电极

39. 测试要点 • （1）准备工作 • 试样须按产品标准规定或使用要求进行预处理。 • 常态环境：20±5℃，RH 65±5% 。 • 热态或湿态处理根据实际选定条件， • 处理后须在20±5℃、65±5% 的条件下冷却至试验环境。 • 从处理环境取出的试样，至试验完毕不应超过5min。 • 受潮或浸渍液体媒质处理的试样，应用滤纸吸去表面液滴，去除试样表面的油污等杂质。 • 测量厚度，在试样测量电极的面积下，沿着直径测量三点，取其算术平均值。

40. （2）测试 • 按仪器的说明书操作，测定其体积或表面电阻。 • 把试样接入仪器测量端，开启高阻计电源； • K1置于“放电”位置，K3置于“短路”端。 • 根据要求选择测量端的档次； • 对试样充电一定的时间后（一般15秒）， • K3转至测量端，加上试验电压后1 min（或按产品标准规定时间），读取电阻指示值。 • 读取试样的体积电阻和表面电阻后，计算体积电阻率和表面电阻率。

41. 结果计算 • 板状试样 • 管状试样 • 棒状试样

42. 3．影响因素 • 1）测定时间的影响 • 流经试样的电流由瞬时充电电流，吸收电流和漏导电流三种电流组成。 • 当电流电压施加于试样后，由于介质对电荷有吸收现象，通过试样的电流随时间的增长而逐渐减少，趋于一极限值后便稳定下来。

43. 温度的影响 • 塑料的绝缘电阻随温度和湿度的升高而下降。 • 因为流经试样的电流经一定的时间稳定后，这时的电流大部分是属于离子电流 。 • 在低电场下 ＜＜KT • 温度升高，分子的柔性增大，活动能力增加，自由离子数目增多，电阻降低。

44. 温度的影响 • 当高于玻璃化温度时，ρv急剧减小。

45. 湿度的影响 • 对于极性材料及强极性材料，因极性聚合物吸水性强而降低其体积电阻。 • 如聚级乙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯及氨基模塑料等 • 水气附着于试样表面，在空气中二氧化碳作用下，使表面形成一层导电物，造成表面电阻降低。 • 对于非极性和弱极性材料影响就很小 • 如聚乙烯、聚苯乙烯和聚四氟乙烯等甚至在水中浸泡 24h 其体积电阻率都没有明显的变化。

46. 布置作业 • 分析测试数据，完成项目报告 • 学习总结 今天任务不要留在明天