使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電極進(jìn)行材料導(dǎo)電均勻性評(píng)估

在防靜電領(lǐng)域,材料的導(dǎo)電性往往是防靜電物品有效性的關(guān)鍵——接地結(jié)構(gòu)/等電位連接結(jié)構(gòu)的電路導(dǎo)通完全依賴于此。而起電水平（摩擦電壓）雖然與此指標(biāo)并無(wú)直接關(guān)聯(lián)，但多數(shù)情況下，防靜電設(shè)施需要連接接地，因此導(dǎo)電性良好的情況下，靜電可以迅速泄放，難以測(cè)試和觀察到較高的靜電水平。按照靜電泄放速度的計(jì)算，在材料電阻（表面電阻或體積電阻）低于1*10e9Ω時(shí)，靜電會(huì)快速泄放，難以測(cè)試出明顯的靜電電壓——摩擦電壓為零。不過(guò)這不代表全部，有時(shí)材料電阻測(cè)試明明很好的情況下，摩擦電壓卻較高，這似乎讓導(dǎo)電性成為了防靜電性能的一種假象。另外還有一種奇怪的現(xiàn)象：兩個(gè)電阻值都合格的防靜電物品，在結(jié)合測(cè)試系統(tǒng)電阻值出現(xiàn)不合格，比如帶有接地鏈或?qū)щ娔_輪的推車或座椅，在防靜電地面上的系統(tǒng)電阻不合格；多層堆疊的托盤(pán)接地電阻不合格。這些匪夷所思問(wèn)題的原因是什么呢？

  我們先看下材料的導(dǎo)電的測(cè)試方法。按照防靜電行業(yè)現(xiàn)行的材料導(dǎo)電性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)IEC61340-2-3、IEC61340-4-1、IEC61340-4-9、ANSI/ESD STM11.11~13、ANSI/ESD STM4.1、ANSI/ESD STM7.1、ANSI/ESD STM9.1、ANSI./ESD STM2.1，常用的材料導(dǎo)電性測(cè)試項(xiàng)目包括以下四項(xiàng)：
表面電阻：假定導(dǎo)電在材料表面實(shí)現(xiàn)，使用標(biāo)準(zhǔn)的同心環(huán)電極測(cè)試。被測(cè)物要放在絕緣墊上進(jìn)行（參考圖1），數(shù)據(jù)單位為Ω/□。

圖1 表面電阻測(cè)試示意圖
  體積電阻：假設(shè)導(dǎo)電性可以體積導(dǎo)通，通常體積導(dǎo)通的防靜電材料相比僅有表面導(dǎo)通的材料（如涂覆防靜電劑的材料）更加有效，有效期也會(huì)更長(zhǎng)。按照標(biāo)準(zhǔn)的描述也是使用同心環(huán)電極及金屬板將樣品夾在中間進(jìn)行測(cè)試（參考圖2），數(shù)據(jù)單位為Ω.m。

圖2 體積電阻測(cè)試示意圖
   點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻：通常用于具體的防靜電物品測(cè)試，僅評(píng)估其導(dǎo)電性，不確認(rèn)導(dǎo)電是通過(guò)表面還是體積導(dǎo)通。注意這個(gè)測(cè)試可能有兩種情況：對(duì)于較大的物品，如臺(tái)墊和地面使用標(biāo)準(zhǔn)重錘式電極按照25cm、1m或展開(kāi)結(jié)構(gòu)的各點(diǎn)之間（如衣物）的間距測(cè)試點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻，這種電極的直徑為63.5mm，參見(jiàn)圖3。如遇小物件或異型物件，使用重錘點(diǎn)電極無(wú)法測(cè)試時(shí)，使用小的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電極測(cè)試點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻，該電極探針直徑為有3.2mm，參見(jiàn)圖4。

圖4 小電極點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻測(cè)試示意圖
   點(diǎn)對(duì)接地點(diǎn)電阻：用于接地結(jié)構(gòu)的防靜電物品的接地實(shí)現(xiàn)時(shí)導(dǎo)電性的評(píng)估，不考慮不確認(rèn)導(dǎo)電是通過(guò)表面還是體積導(dǎo)通。歐姆表一極連接重錘電極放在在物品上，另一極連接所安裝的接地點(diǎn)上，測(cè)試二者間的電阻。

   除了前面所講的問(wèn)題外，還有一個(gè)現(xiàn)象也值得關(guān)注：在對(duì)同一塊樣品進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻測(cè)試時(shí)，兩個(gè)大電極之間和小的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電極測(cè)試的結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差，往往是小的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電極的測(cè)試數(shù)據(jù)高，而且有時(shí)這個(gè)偏差會(huì)高若干個(gè)數(shù)量級(jí)。這可能直接影響材料合格性判斷。這是否是電極結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的偏差呢？我們假設(shè)被測(cè)物品導(dǎo)電僅以表面方式導(dǎo)電，利用電極的大小及測(cè)試距離，可以計(jì)算兩種電極本身帶來(lái)的差異Rm/Rs≈5。大點(diǎn)電極測(cè)試的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻與標(biāo)準(zhǔn)同心環(huán)形電極所測(cè)試的表面電阻的差異為Rpp/Rs≈3.37，小電極的測(cè)試點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻與表面電阻約為17.即便如此這也無(wú)法解釋幾個(gè)數(shù)量級(jí)的數(shù)據(jù)差異。而且，如果我們以電極接觸樣品部分的長(zhǎng)度和距離計(jì)算，小電極和大點(diǎn)電極點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻測(cè)試結(jié)果應(yīng)當(dāng)Rm/Rs≈0.51，也就是小電極測(cè)試值比大電極低。

   所有這些現(xiàn)象背后的主要原因是材料導(dǎo)電均勻性存在問(wèn)題，既同一塊材料的不同區(qū)域或位置電阻不同，甚至有些地方導(dǎo)電，有些地方絕緣。實(shí)際上，從防靜電材料的制作工藝看，這一點(diǎn)也不奇怪：高分子材料（防靜電物品絕大多數(shù)是高分子材料）想獲得比較好的導(dǎo)電性由絕緣變成防靜電材料，*簡(jiǎn)單的辦法就是添加導(dǎo)電填充物。然而這種方式容易遇到兩個(gè)難題：

   首先，材料的導(dǎo)電性并不隨導(dǎo)電成分的加入呈現(xiàn)出線性下降的規(guī)律，往往是突變方式——在達(dá)到臨界值時(shí)阻值突然下降，因此控制在比較小的阻值范圍非常困難，往往需要復(fù)雜的復(fù)合配方的方式解決；
其次，使用添加導(dǎo)電成分高分子原料制作防靜電物品時(shí)，物品表面會(huì)因各種因素，特別是脫模劑的使用，形成致密層包裹住導(dǎo)電成分，導(dǎo)致這個(gè)區(qū)域的不導(dǎo)電——這就是我們所說(shuō)的導(dǎo)電盲區(qū)。這個(gè)問(wèn)題在注塑成型的防靜電物品中非常普遍。

   除此之外，如果添加的導(dǎo)電物如顆粒度太大，分散性不好的情況下導(dǎo)電物之間形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)不夠密集也同樣會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電盲區(qū)。

   那么我們能不能多加些導(dǎo)電填充物，保證導(dǎo)電效果呢？這條路也走不通：過(guò)多加入量會(huì)破壞材料原有的分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料強(qiáng)度出現(xiàn)問(wèn)題，還可能衍生出析碳問(wèn)題，給電子產(chǎn)品特別是半導(dǎo)體、光電和顯示類的產(chǎn)品帶來(lái)致命的問(wèn)題。而且過(guò)低的電阻所帶來(lái)的CDM風(fēng)險(xiǎn)也是我們不希望看到的。

    正是這些導(dǎo)電不均勻問(wèn)題和導(dǎo)電盲區(qū)問(wèn)題，會(huì)讓材料材料局部電阻值超標(biāo)，也會(huì)讓絕緣部分的靜電無(wú)法快速泄放，這也就導(dǎo)致了前面所說(shuō)的明明電阻值合格摩擦電壓卻過(guò)高的現(xiàn)象。

   對(duì)于有接地要求的防靜電物品來(lái)說(shuō)，非均勻?qū)щ娞貏e是存在導(dǎo)電盲區(qū)往往會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)有這樣缺陷的材料，形成導(dǎo)電連通難度要比均勻?qū)щ姷牟牧想y很多。在這方面*典型的例子是防靜電地面：接地鐵鏈或非均勻?qū)щ娔_輪的推車在防靜電地面上難以測(cè)試合格，而在鐵板上可以測(cè)試合格；使用大的點(diǎn)電極測(cè)試合格的地面，行走電壓卻降低不下來(lái)。

   當(dāng)然，近些年來(lái)材料技術(shù)突飛猛進(jìn)，讓這一問(wèn)題開(kāi)始得到解決：石墨烯、碳納米管、導(dǎo)電聚合物及復(fù)合配方的防靜電材料已經(jīng)開(kāi)始嶄露頭角。一些材料可以將電阻值控制在理想的范圍內(nèi)的同時(shí)，導(dǎo)電均勻無(wú)任何導(dǎo)電盲區(qū)。然而現(xiàn)行的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)所定義的測(cè)試方法，特別是重錘電極的使用，很多時(shí)候無(wú)法發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，甄別良莠。而且標(biāo)準(zhǔn)基本對(duì)測(cè)試當(dāng)中的數(shù)據(jù)處理并無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)處理要求，頂多確認(rèn)一下測(cè)試的算術(shù)平均值、幾何平均值、*大值和*低值。而對(duì)于數(shù)據(jù)的離散性并無(wú)確定或計(jì)算的要求，并且合格與否的判斷，也沒(méi)有明確是基于平均值還是*高值，在實(shí)踐中容易帶來(lái)許多爭(zhēng)論。

以上分析表明，防靜電行業(yè)特別需要一種能夠評(píng)價(jià)導(dǎo)電均勻性的方法用于評(píng)估材料的防靜電性能。這需要我們從兩個(gè)方面著手：電極選擇和評(píng)價(jià)方法。

電極選擇
  從防靜電材料制作角度看，大的點(diǎn)電極及同心環(huán)電極接觸測(cè)試樣品的電極底面面積較大，雖然也能發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電不均勻問(wèn)題，但相對(duì)于小電極難度較高。通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算我們可以知道三種電極測(cè)試時(shí)的有效面積分別是：3167mm2、551mm2、8mm2，因此使用小電極發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電盲區(qū)*。不過(guò)，單純使用小電極可能無(wú)法測(cè)試出防靜電PVC貼面地板之類的點(diǎn)狀或針狀導(dǎo)電結(jié)構(gòu)材料的導(dǎo)電性。因此比較好的選擇是，在樣品比較大的情況下結(jié)合使用大的點(diǎn)電極和小電極測(cè)試材料的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻，再進(jìn)行利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算。

評(píng)價(jià)方法
  數(shù)理統(tǒng)計(jì)中均方差（標(biāo)準(zhǔn)差）和極差經(jīng)常用于評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的離散性。但在實(shí)際測(cè)試當(dāng)中難免出現(xiàn)問(wèn)題：材料的電阻值波動(dòng)可能很大，高的時(shí)候超過(guò)8個(gè)數(shù)量級(jí)，這兩項(xiàng)指標(biāo)會(huì)顯示很高的數(shù)值，特別是極差，基本就是*高值了，這樣反倒不易直接反映數(shù)據(jù)的波動(dòng)性。有沒(méi)有辦法解決這一問(wèn)題呢？其實(shí)統(tǒng)計(jì)學(xué)中還有現(xiàn)成的指標(biāo)可以使用——變異系數(shù)。由于是均方差與平均值的比值，它不受量綱影響，是一項(xiàng)理想的指標(biāo)。我們很容易得到結(jié)論，變異系數(shù)越低數(shù)據(jù)離散性越小，材料的導(dǎo)電均勻性越好。另外，對(duì)于極差來(lái)講，我們也可調(diào)整下方法，不用差值，比值（極值比extremes ratio）對(duì)數(shù)計(jì)算，就可以比較直觀地反映*大*小值之間的波動(dòng)性。

除導(dǎo)電均勻性外，評(píng)價(jià)材料時(shí)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)也不能省略，所以將所有這些指標(biāo)總結(jié)一下，防靜電材料的導(dǎo)電性能指標(biāo)應(yīng)包含以下項(xiàng)目：
Min_s=大電極測(cè)試的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻的*低值：指標(biāo)反映材料可以達(dá)到的*佳導(dǎo)電指標(biāo)
Max_m=小電極測(cè)試的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻的*高值：指標(biāo)反映材料可能出現(xiàn)的*高絕緣狀態(tài)
Av_s=大電極測(cè)試的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值：指標(biāo)反映材料較大面積接觸條件下導(dǎo)電性的平均水平
Av_m=小電極測(cè)試的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值：指標(biāo)反映材料均勻?qū)щ娦缘钠骄健?br> CV=小電極測(cè)試的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電阻數(shù)據(jù)的變異系數(shù)：偏差與平均值的比值，反映阻值的波動(dòng)性。
REV=lg極值比：直觀反映材料導(dǎo)電性*高波動(dòng)水平。
這套指標(biāo)現(xiàn)在已經(jīng)在一些企業(yè)得到應(yīng)用，且收到了良好的效果。通過(guò)控制導(dǎo)電均勻性，有效地保證了防靜電物品的品質(zhì)和耐用性。以下是幾款材料實(shí)際測(cè)試的效果