引言
　　
　　高分子半導體、導體是功能高分子材料科學研究中的一個重要領(lǐng)域，其理論探索與應用已經(jīng)展示了極為重要的前景。導電高分子材料通常包括導電橡膠、導電塑料/纖維、導電膠黏劑、導電涂料/膜材料等，在太陽能利用、光電子器件、信息儲存、分子導線和分子器件，以及電磁屏蔽、金屬防腐和隱身技術(shù)等方面有著廣泛的應用前景［1］。其中壓敏性導電橡膠作為傳感器功能材料，高分子熱敏電阻作為過熱保護器件［2-4］等，在現(xiàn)代工業(yè)中的應用更為廣泛。因此，有關(guān)導電高分子的壓阻特性［3］和溫阻特性［4-5］的研究常有報道。但是在常用的電阻率測試儀器中，高阻計［6-7］和四探針測試儀［8-11］都不便于進行變溫和變壓測試。本文通過制備一種塑料封裝四探針和一種金屬/陶瓷組裝四探針，結(jié)合控溫系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)，能夠方便地測試變溫、變壓條件下橡膠等材料的導電性能。
　　
　　1、常用四探針測試儀的構(gòu)造及功能
　　
　　四探針法是應用zui廣泛的測量半導體電阻率的方法。如圖1所示，常規(guī)四探針法是將4個剛性探針與樣品表面呈直線均勻接觸，在1、4探針上施加恒定精密直流電流I，用高精度的電壓表測量中間2、3探針的電壓U。　　
　　如果樣品的尺寸（直徑和厚度）與探針間距大小相比都可視為無限大，如當樣品直徑＞40s，樣品厚度d＞5s時，邊緣效應修正因子和厚度效應修正因子均為1［9］，則按照下式計算電阻率:
　　
　　ρ=2πs（U/I）
　　
　　式中，s為探針間距。
　　
　　常規(guī)四探針測量法具有使用簡便、測量準確度較高等優(yōu)點。如果在該儀器基礎上增加變溫測試或變壓測試功能，將進一步提高其使用效率，并可以用于導電橡膠、導電塑料等材料的電阻率壓敏和熱敏特性研究。通常將四探針部分與測試樣品同時放入控溫箱，通過改變控溫箱溫度實現(xiàn)變溫測試，具有較大的局限性。本文研制了2種四探針及其控溫裝置、加壓裝置，可以方便地實現(xiàn)變溫、變壓情況下的電阻率測試。
　　
　　2、自制四探針的設計與制作
　　
　　2．1塑料封裝四探針
　　
　　選取α-氰基丙烯酸乙酯水催化加聚產(chǎn)物對4根金屬針進行封裝，然后一端連接金屬導線，制成一體式的四探針，其示意圖見圖2。　　
　　制作過程如下:
　　
　　（1）模具。取絕緣塑料板制作圓柱體模具，其底面直徑為控溫儀內(nèi)腔的直徑，模具高度為2cm。
　　
　　（2）四探針的固定。將4根金屬針以間距1mm分別穿過絕緣塑料板，并加以固定。
　　
　　（3）制作成型。將α-氰基丙烯酸乙酯水催化加聚產(chǎn)物分次涂覆在模具中，每次涂覆要求少量、均勻，保證無氣泡。經(jīng)過長時間的涂覆晾干后，4根金屬針被固定成型。
　　
　　（4）連接導線。將4根金屬針的末端分別連上導線，如圖1所示。
　　
　　（5）封裝。將制作好的塑料四探針套上金屬外套，塑料封裝四探針制作完成。
　　
　　2．2金屬/陶瓷組裝四探針
　　
　　采用鋁、銅材料和陶瓷材料，將金屬針和導線固定，制成探針可上下活動，能夠承受較大壓力的四探針，其示意圖見圖3。　　
　　制作過程如下:
　　
　　（1）材料選擇。選擇陶瓷及銅、鋁金屬作為探針的固定材料。
　　
　　（2）陶瓷封裝四探針制作。預制陶瓷部件為2個半圓柱體，中間留有4條導槽，間隔1mm;將4根探針均勻排列在陶瓷導槽中間，用絕緣耐高溫粘合劑固定。
　　
　　（3）承壓、固定組件。在探針的末端（測試端另一端）分別加上陶瓷護套、彈簧，前者主要是為了固定4根金屬針，承受向下的壓力，后者可以保護探針并具有一定的預壓力;在這些組件的外面套上與控溫儀內(nèi)腔直徑相同的銅管，進一步起到固定、承壓、導熱的作用。
　　
　　（4）中空鋁制承壓件。中空鋁制承壓件是由車床加工而成，承壓件的上端是圓盤，主要為在上面加砝碼施加軸向壓力并使受力均勻。承壓件下端是中空管，可方便測試導線通過。中空鋁制承壓件、彈簧、探針末端陶瓷都起到保證壓力垂直的作用。
　　
　　（5）導線的連接。在導線的外面涂覆絕緣層，由探針末端經(jīng)中空鋁制承壓件導出。金屬/陶瓷組裝四探針制作完成。
　　
　　（6）其他配件設計。在4根金屬針與陶瓷部件接觸的部位，通過過盈配合放置一個薄鋁環(huán)，作用是固定4根探針，防止陶瓷部件掉落。在中空鋁制承壓件的末端用車床制作成螺紋，在銅套的內(nèi)部也制作成螺紋，使其兩者能嚙合。當兩者嚙合后，與彈簧共同作用，使針頭能自由上下伸縮。
　　
　　將塑料封裝四探針和金屬/陶瓷四探針放入控溫/加壓裝置中，兩者在常溫下均能正常使用;但是在較高溫度下塑料封裝四探針的塑料部分開始軟化，直至不能使用，而金屬/陶瓷四探針仍可正常測試樣品的電阻率。以后的實驗均采用后者進行電阻率測試。
　　
　　3、導電橡膠壓阻行為和溫阻行為的測試
　　
　　導電橡膠是兼有橡膠高彈性和導電功能的一種復合材料，壓力和溫度都會影響橡膠分子鏈及其與導電填料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。從圖4可以看出，當重力較小時（0～1．47N），EPDM/石墨復合材料的電阻率隨重力增加而減小，當重力達到1．47N以后，電阻率迅速下降，這是因為石墨粒子在外加重力下相互靠近直至接觸，形成了更有效的導電通路所致。當重力在1．96～2．94N，電阻率有所增加，當重力達到3．43N后，電阻率迅速增大，這是因為在由四探針傳遞到樣品的重力過大，使石墨導電網(wǎng)絡破壞、導電通路打斷造成的。此規(guī)律與文獻［3］基本相符。　　
　　從圖5可以看出，隨溫度升高，EPDM/石墨復合材料的電阻率呈減小趨勢，表現(xiàn)出橡膠材料的負溫度系數(shù)效應———NTC效應［5］。在室溫～60℃，電阻率急劇下降，而超過60℃以后電阻率下降速度減小直至變化不大。這是因為升高溫度有利于柔性橡膠分子鏈的運動，使石墨粒子相互接觸，形成更有效的導電網(wǎng)絡，從而表現(xiàn)為電阻率迅速下降，直到粒子間充分接觸，電阻率不再發(fā)生顯著變化。
　　
　　4、結(jié)語
　　
　　自制金屬/陶瓷組裝四探針是由金屬針、陶瓷、中空鋁制或銅制承壓件、金屬導線等組成，具有耐高溫、便于變壓變溫測試、成本低等特點，與控溫裝置、加壓裝置和測試裝置結(jié)合，能夠準確測試導電橡膠等材料的壓阻特性和溫阻特性。
　　
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