专利名称：测试导电材料结构的电学测试方法
技术领域：
本发明涉及一种在线、原位并且同步测试导电材料结构与性能的电学测试方法。它适用于具有一定导电能力的材料体系，如含有碳纤维的树脂基复合材料、含有导电性填料的高分子材料及导电的陶瓷材料等。
目前，在对导电材料进行力学的准静态试验(如拉伸试验、压缩试验、弯曲试验)，力学的动态试验(如疲劳试验、冲击试验)，力学的静态试验(如蠕变试验、应力松驰试验)以及材料的量热分析、热失重分析等的时候，只能给出所测材料的力学性能和热参数，而对于能敏感地显示材料的导电能力的电阻值的变化却不能同步地得到，由于试验不能在线、原位、同步地进行，既对同一个试样不能在完全相同的环境与载荷条件下进行，这就给试验造成了试验误差。
本发明的目的是，在材料力学或热学性能测试的同时，在线、原位并且同步地测试导电材料的电阻，间接地了解材料结构的变化。
本发明的技术解决方案是，根据被测材料的内部导电结构，以导电涂料法、或电镀法、或物理薄层法、或机械法等在被测材料的试样上做电极，在两个电极之间形成导电通道；电极制作完成后，将两电极上各连接一根外覆绝缘层的细导线丝，接上电阻测试仪表，在材料动态机械热分析的过程中测试导电材料的电阻值；电极可以是面电极也可以是端电极，甚至可以采用双面点电极或不对称的一面为面电极而另一面为点电极；做电极的方法是，其中导电涂料法是在需装电极的表面适当脱脂或轻度打磨，然后直接涂银浆，在银浆涂层的表面，可以直接锡焊上电导线，也可以再用银浆粘上电导线；机械装电极的方法是将铜网、特别是镀锡的铜网热压进待装电极的表面层，再在铜网或镀锡铜网上锡焊上电导线；粘结装电极的方法是先对待装电极表面进行脱脂和打磨处理，然后把金属膜用含银粉的粘结剂粘上去，再在金属膜外表面锡焊上电导线，含银粉的粘结剂必须高导电，可以是环氧树脂、聚氨酯等各种合适的胶粘剂。
本发明的优点是，在任何一项结构与性能的测量过程中，在线、原位并且同步地测量该材料的电阻值的变化，从而在原有测试项目之外额外地了解到材料的结构或性能变化的新信息，这种结构或性能的测量既包括力学的准静态试验如拉伸试验、压缩试验、弯曲试验等，也包括力学的动态试验如疲劳试验、冲击试验等，还包括力学的静态试验如蠕变试验、应力松弛试验等尤其重要的是，本发明还可以用于不同温度下的结构与性能的分析，例如在材料动态机械热分析(DMA)的过程中，在线、原位并且同步地测量材料电阻值的变化。通过适当的标定，本发明甚至可用于在对材料进行量热分析(DSC)、热失重分析(TG)等的同时，在线、原位并且同步地测量电阻。本发明不但拓展了材料力学性能的准静态、静态、动态试验的测试范围，还拓展了动态机械热分析、量热分析和热失重分析等商业仪器的测试功能和范围。
图1为本发明导电填料填充聚乙烯面电极的E＇-tan δ-R-T关系的在线、原位、同步测量结果；图2为本发明导电填料填充聚乙烯面电极在存在三点弯曲负荷和没有三点弯曲负荷条件下的R-T关系的在线、原位、同步测量结果及其比较；图3为单向碳纤维增强的高性能热固性树脂基复合材料(端面电极)试样的E＇-tan δ-R-T关系的在线、原位、同步测量结果；图4为单向碳纤维增强的高性能热固性树脂基复合材料(面电极)试样的E＇-tan δ-R-T关系的在线、原位、同步测量结果；图5为非轴向压力下电阻测量示意图；图6为高密度聚乙烯/石墨(63.5/37.5)复合材料(面电极)在不同压力下体积电阻率的松弛曲线。
试样的制备及测试1．试样制备按照动态机械热分析中三点弯曲加载模式的要求，把板材切割成哑铃状、矩形或正方形的试样，注意试样外观完好，无明显缺陷。
2．电极制备(仅以导电涂料法及矩形试样为例)在矩形试样的上下两个表面(长×宽)或轴向的两个端面(高×宽)，或横向的两个端面(长×高)各镀上一层银浆或涂上一层导电胶液，待涂层完全稳定后，用导电液各连接一根外覆绝缘层的细导丝，接上电阻测试仪表，测量出有一个初始电阻值为正常情况。
3．电阻测量按照动态机械热分析试验的要求，将接有导线的试样放入动态机械热分析仪炉中的支架上，将两根导线引出，接到一个电阻测试仪表上，注意整个结构不能短路，也同时注意这个试样及其导线的安装不影响DMA的正常测试。
4．开启DMA仪器，在振动负荷和程序控制温度下记录试样电阻值的变化，将测得电阻值变化绘制成电阻值随温度、时间或其他变量变化的谱图。
试验结果的例子实例1、导电填料填充的聚乙烯材料(面电极)按照以上实验步骤，得到的材料电阻-温度的谱图如图1。可以发现，在40℃至130℃之间，电阻略有下降，说明在温度及由此引起的体积膨胀作用下，以及在同时的三点弯曲载荷下，材料内部的导电网络趋向致密或完善；在＞130℃时，基体材料(聚乙烯)发生熔融，导致突发性的大膨胀及相变，这时，电阻信号亦发生急剧增加，产生电开关效应。这个变化对应了材料的松弛峰的骤增及储能模量的骤减之后，说明这种材料产生电开关效应时，材料本身已失去结构支撑性能，将在很小的外力作用下破坏。从图2可以发现材料的电开关性转变速率更大，说明在这种振动力场的微扰动作用下，材料体系内导电粒子的自聚运动加剧。
实例2、单向碳纤维增强的高性能热固性树脂基复合材料(端面电极)试样制备及测试方法同上，获得的谱图如图3。在温度和三点弯曲载荷的共同作用下，材料沿纤维轴向的电阻先发生减小，可能源于纤维间的接触点增加，说明在材料宏观性能还很稳定的时候，微结构尺度上己发生变化，随后的电阻增加的机理不详，但它的峰值恰恰出现在松弛转变之前，预告了材料性能的重大变化即将发生，这一点有非常重要的实际意义。
实例3、单向碳纤维增强的高性能热固性树脂基复合材料(面电极)试样制备及测试方法同上，获得的谱图如图4。在130℃之前发生的电阻随温度变化的机理与2类似，说明三点弯曲加压导致纤维间的接触点增加，其原因在于温度和压力使纤维间树脂变软，易于变形，这种几何尺寸上的微小变化是所有机械方法难以测量的。在接近材料基体转变温度时，面间电阻大幅度下降，说明此时的纤维间接触大幅度增加。这一信号亦有一种预告性质。
实例4、石墨粉填充聚乙烯材料的准静态压缩(面电极)(1)、取体积含量为37.5％石墨粉填充的聚乙烯，模压成任意矩形。在模压前，同时在上下电极面上放置镀锡的铜网，并随制样过程一起热压入试样，热压条件130±5℃,10分钟；(2)、在热压进试样表面的两面铜网上，各锡焊上铜导线引出电极；(3)、把试样装上材料试验样品架，按图5的方式进行压缩试验，同时原位、在线、同步地测量压缩过程的电阻变化；(4)、压缩试验可参照任何标准进行；(5)、结果阶梯状升压如图6，发现材料的电阻随之发生变化，压力越大，电阻率越低，显示出材料压缩变形与材料电阻率变化之间严格的对应关系。其次，在某一压力平台上保压，发现材料的电阻率发生随时间的变化，其变化速度非常数，既电阻率的减小先快后慢，最终趋于一个平衡值，非常类似于材料的力学蠕变过程和应力松弛过程，本方法也显示出对这种随时间变化的过程的定量的表征能力。
同理，对拉伸试验和弯曲试验，本方法也具有类似的表征能力，其数据亦与压缩试验具有类似的规律。
图中LogE＇是指材料在一个形变周期内储存的弹性能量的对数值；Tan δ是指损耗模量与储能模量之比。
权利要求
1．一种测试导电材料结构的电学测试方法，其特征是，利用导电涂料法或电镀法或物理薄层法或机械装电极法在试样上做电极，使两个电极之间形成导电通道；将两电极上各连接一根外覆绝缘层的细导丝，接上电阻测试仪表，在材料动态的或准静态的或静态的机械测试热分析的过程中原位、同步、在线地测试导电材料的电阻值。
2．根据权利要求1所述的测试导电结构的电学测试方法，其特征是，导电涂料法是在需要装电极试样的表面脱脂或轻度打磨，然后直接涂银浆，在银浆涂层表面可以直接锡镀上电导线，也可以再用银浆粘上电导线。
3．根据权利要求1所述的测试导电结构的电学测试方法，其特征是，机械装电极法是将铜网特别是镀锡铜网热压进试样材料待装电极的表面层，再在铜网或镀锡铜网上锡焊上电导线。
4．根据权利要求1所述的测试导电结构的电学测试方法，其特征是，粘结装电极法是先对待装电极表面进行脱脂和打磨处理，然后，把金属膜用含银粉的粘结剂粘上去，再在金属膜外表面锡焊上电导线。
5．根据权利要求4所述的测试导电结构的电学测试方法，其特征是，含银粉的粘结剂是环氧树脂或聚氨酯。
6．根据权利要求1所述的测试导电结构的电学测试方法，其特征是，电极可以是面电极或端电极；也可以是双面点电极或不对称的一面为面电极另一面为点电极的电极形式。
全文摘要
本发明涉及一种在线、原位并且同步的测试导电材料结构与性能的电学测试方法。它是根据材料试样的结构选取适当的方法在试样上做电极,电极可以是面电极也可以是端电极,甚至可以是双面点电极或不对称的一面为面电极而另一面为点电极,两电极上各接一根外覆绝缘层的细导丝,接上电阻测试仪表,在材料力学试验(包括动态、准静态和静态的加载形式),以及动态机械热分析、量热分析和热失重分析过程中,在线、原位并且同步地测量材料的电阻,间接地了解材料结构的变化。
文档编号G01R27/02GK1228534SQ9812614
公开日1999年9月15日 申请日期1998年12月25日 优先权日1998年12月25日
发明者益小苏, 廖建伟, 宋义虎 申请人:北京航空材料研究院