材料物理性能实验报告

1、实验一 材料的拉伸试验1.实验名称及类别材料的拉伸试验；验证性。2.实验内容及目的（1）测定低碳钢材料在常温、静载条件下的屈服强度、抗拉强度、伸长率和断面收缩率。（2）测定铸铁在常温、静载条件下的抗拉强度。（3）掌握万能材料试验机的工作原理和使用方法。3.实验材料及设备低碳钢、铸铁、游标卡尺、万能试验机。4.试样的制备按照国家标准GB639786金属拉伸试验试样，金属拉伸试样的形状随着产品的品种、规格以及试验目的的不同而分为圆形截面试样、矩形截面试样、异形截面试样和不经机加工的全截面形状试样四种。其中最常用的是圆形截面试样和矩形截面试样。如图1所示，圆形截面试样和矩形截面试样均由平行、过渡和夹

2、持三部分组成。平行部分的试验段长度称为试样的标距，按试样的标距与横截面面积之间的关系，分为比例试样和定标距试样。圆形截面比例试样通常取或，矩形截面比例试样通常取或，其中，前者称为长比例试样（简称长试样），后者称为短比例试样（简称短试样）。定标距试样的与之间无上述比例关系。过渡部分以圆弧与平行部分光滑地连接，以保证试样断裂时的断口在平行部分。夹持部分稍大，其形状和尺寸根据试样大小、材料特性、试验目的以及万能试验机的夹具结构进行设计。对试样的形状、尺寸和加工的技术要求参见国家标准GB639786。（a）（b）图1 拉伸试样（a）圆形截面试样；（b）矩形截面试样5.实验原理低碳钢进行拉伸试验时，外力

3、必须通过试样轴线，以确保材料处于单向应力状态。低碳钢具有良好的塑性，低碳钢断裂前明显地分成四个阶段：弹性阶段：试件的变形是弹性的。在这个范围内卸载，试样仍恢复原来的尺寸，没有任何残余变形。屈服（流动)阶段：应力应变曲线上出现明显的屈服点。这表明材料暂时丧失抵抗继续变形的能力。这时，应力基本上不变化，而变形快速增长。通常把下屈服点作为材料屈服极限（又称屈服强度），即，是材料开始进入塑性的标志。结构、零件的应力一旦超过屈服极限，材料就会屈服，零件就会因为过量变形而失效。因此强度设计时常以屈服极限作为确定许可应力的基础。强化阶段：屈服阶段结束后，应力应变曲线又开始上升，材料恢复了对继续变形的抵抗能力

4、，载荷就必须不断增长。D点是应力应变曲线的最高点，定义为材料的强度极限又称作材料的抗拉强度，即。对低碳钢来说抗拉强度是材料均匀塑性变形的最大抗力，是材料进入颈缩阶段的标志。颈缩阶段：应力达到强度极限后，塑性变形开始在局部进行。局部截面急剧收缩，承载面积迅速减少，试样承受的载荷很快下降，直到断裂。断裂时，试样的弹性变形消失，塑性变形则遗留在破断的试样上。材料的塑性通常用试样断裂后的残余变形来衡量，单拉时的塑性指标用断后伸长率和断面收缩率来表示。即其中 试样的原始标距；将拉断的试样对接起来后两标点之间的距离。试样的原始横截面面积；拉断后的试样在断口处的最小横截面面积。低碳钢颈缩部分的变形在总变形中

5、占很大比重。测试断后伸长率时，颈缩局部及其影响区的塑性变形都应包含在标距l之内，这就要求断口位置应在标距的中央附近，若断口落在标距之外则试验无效。工程上通常认为，材料的断后伸长率> 5%属于韧断，< 5%则属于脆断。韧断的特征是断裂前有较大的宏观塑性变形，断口形貌是暗灰色纤维状组织。低碳钢断裂时有很大的塑性变形，断口为杯状周边为45°的剪切唇，断口组织为暗灰色纤维状，因此是一种典型的韧状断口。 6.实验过程（1）将试样打上标距点，并刻画上间隔为或的分格线。（2）在试样标距范围内的中间以及两标距点的内侧附近，分别用游标卡尺在相互垂直方向上测取试样直径的平均值为试样在该处的直

6、径，取三者中的最小值作为计算直径。（3）把试样安装在万能试验机的上、下夹头之间，估算试样的最大载荷，选择相应的测力盘，配置好相应的摆锤，调整测力指针，使之对准“0”点，将从动指针与之靠拢。（4）开动万能试验机，匀速缓慢加载，观察试样的屈服现象和颈缩现象，直至试样被拉断为止，并分别记录下主动指针回转时的最小载荷和从动指针所停留位置的最大载荷。（5）取下拉断后的试样，将断口吻合压紧，用游标卡尺量取断口处的最小直径和两标点之间的距离。7.注意事项（1）实验时必须严格遵守实验设备和仪器的各项操作规程，严禁开“快速”档加载。开动万能试验机后，操作者不得离开工作岗位，实验中如发生故障应立即停机。（2）加载

7、时速度要均匀缓慢，防止冲击。8.实验数据的记录与计算（1）试样原始尺寸表1低碳钢试验前试样原始数据测量次数123直径d(mm)9.9010.0010.009.909.949.9810.0010.0010.00平均9.979.9410.00标距L(cm)12最小截面积（mm2）77.60（2）试验后试样尺寸表2 低碳钢拉断试样尺寸材料名称颈缩处直径d(mm)平均标距（cm）颈缩处截面积低碳钢5.905.965.905.9215.127.53表3 万能试验机上数据材料名称屈服载荷（kN）最大载荷（kN）低碳钢30.438.6（3）计算结果 MPa MPa表4 低碳钢拉伸测试计算结果强度指标（MPa

8、）塑性指标（%）屈服强度抗拉强度伸长率断面收缩率391752.58497422.6825.8365.239.思考题（1）低碳钢和铸铁两种材料断口有什么不同?它们的力学性能有何不同?(比较强度和塑性) 答：试件在拉伸时铸铁延伸率小表现为脆性,低碳钢延伸率大表现为塑性;低碳钢具有屈服现象,铸铁无.低碳钢断口为直径缩小的杯锥状,且有450的剪切唇，断口组织为暗灰色纤维状组织。铸铁断口为横断面，为闪光的结晶状组织。原因是因为前者是塑性材料后者是脆性材料咯，塑性材料受拉要经过弹性阶段，屈服阶段，以及强化和颈缩阶段，就是破坏前形状变化比较明显；而脆性材料受拉时则没有上述过程，破坏前没有明显的塑性变形，突然

9、断裂。（2）测定材料的力学性能有何实用价值？答：在实际使用的过程中对于材料的力学负荷不能超过其本身的力学性能，否则会出现材料失效 比如断裂等事故情况。因此测定材料的力学性能能够帮助人们在实际使用材料的过程中，针对可能出现的力学负荷选择合适的材料。（3）拉伸试验为什么要采用标准试件? 答：拉伸实验中延伸率的大小与材料有关,同时与试件的标距长度有关.试件局部变形较大的断口部分,在不同长度的标距中所占比例也不同.因此拉伸试验中必须采用标准试件或比例试件,这样其有关性质才具可比性.。材料相同而长短不同的试件通常情况下延伸率是不同的。实验二 材料的冲击试验1.实验项目材料的冲击试验，验证性。2.实验内容

10、及目的（1）测定低碳钢的冲击性能指标：冲击韧度。（2）测定灰铸铁的冲击性能指标：冲击韧度。（3）比较低碳钢与铸铁的冲击性能指标和破坏情况。（4）掌握冲击实验方法及冲击实验机的使用。3.实验材料和设备低碳钢、铸铁、冲击试验机、游标卡尺。4.试样的制备按照国家标准GB/T2291994金属夏比缺口冲击试验方法，金属冲击试验所采用的标准冲击试样为并开有或深的形缺口的冲击试样（图1-8）以及张角深的形缺口冲击试样（图1-9）。如不能制成标准试样，则可采用宽度为或等小尺寸试样，其它尺寸与相应缺口的标准试样相同，缺口应开在试样的窄面上。冲击试样的底部应光滑，试样的公差、表面粗糙度等加工技术要求参见国家标准

11、GB/T2291994。 （a） （b）图1 夏比形冲击试样（a）深度为；（b）深度为图2 夏比形冲击试样5 实验原理 实验时将试样放在试验机支座上，缺口位于冲击相背方向，并使缺口位于支座中间（图3所示）。然后将具有一定重量的摆锤举至一定的高度H1，使其获得一定位能mgH1。释放摆锤冲断试样，摆锤的剩余能量为mgH2，则摆锤冲断试样失去的势能为mgH1-mgH2。如忽略空气阻力等各种能量损失，则冲断试样所消耗的能量（即试样的冲击吸收功）为：AK=mg（H1- H2） （公式1-1） AK的具体数值可直接从冲击试验机的表盘上读出，其单位力J。将冲击吸收功AK除以试样缺口底部的横截面积SN(cm2

12、)，即可得到试样的冲击韧性值KK = AK / S （公式1-2） （a） (b)图3 冲击实验的原理图（a）冲击试验机的结构图 （b）冲击试样与支座的安放图6 实验过程（1）了解冲击试验机的操作规程和注意事项。（2）测量试样的尺寸。（3）按“取摆”按钮，摆锤抬起到最高处，并销住摆锤。同时将试样安装好（4）按“退销”按钮，安全销撤掉。（5）按“冲击”按钮，摆锤下降冲击试样。（7）记录冲断试样所需要的能量，取出被冲断的试样。7 实验数据的记录与计算表1 数据记录与计算材 料试样缺口处的横截面面积/mm2/试样所吸收的能量/冲击韧度/45号钢57.634.25937508 思考题（1）为什么冲击试

13、样要有切槽？ 答：试样表面开一缺口,受摆锤冲击后,试样将从缺口处断裂.韧性好的材料,摆锤过试样后摆动的高度低,能量被断裂的试样吸收得多.在测量实际中证明,这种试验方法的重现性非常好,因此缺口冲击试验已经形成标准。实验三 白度、光泽度、透光度的测定一、实验目的1了解白度、光泽度、透光度的概念2了解造成白度、光泽度、透光度测量误差的原因3了解影响白度、光泽度、透光度的因素4掌握白度、光泽度、透光度的测定原理及测定方法二、实验原理各种物体对于投射在它上面的光，进行选择性反射和选择性吸收。不同的物体对各种不同波长的光的反射、吸收及透过的程度不同，反射方向也不同，就产生了各种物体不同的颜色（不同的白度）

14、、不同的光泽度及不同的透光度。三、仪器设备1ADCI-60-W型全自动白度仪（成套）2JKGZ型光泽度仪（成套）377C-l型透光度仪（成套）四、实验步骤1白度测定（1）使用连接：将电源线与测试探头线按要求分别连接到主机的后面板上，接通电源。此时按下主机后方的电源开关键，液晶显示测量主界面，探头灯点亮，表明仪器电源接通。（2）预热：仪器开机后最好预热30分钟，可使测试探头的光源相对稳定（3）测量方法： a. 开机后默认选项为“调黑”，将探头置于黑盒，按“确定”键，听到报警音后，自动返回主界面，调黑结束。 b. 调黑后系统默认选项为“调白”，将探头置于白板，按“确定”键，听到报警音后，自动返回主

15、界面，调白结束。 c. 调白后系统进入“测量”选项，将探头置于待测试样，按“确定”键，测量结果自动显示为亨特白度，每一块瓷砖分五个不同位置记录数据。按下方选择键选择表示方式为日用陶瓷白度，每一块瓷砖分五个不同位置记录数据。 d. 测量结束后，关闭仪器。2光泽度测定 （1）定标：将黑玻璃标准板亮面向上放在平坦的桌面上，将仪器中心部位压在标准板上，调整调节旋钮，使仪器读数为92.3。 （2）校准：用定标好的仪器测量白陶瓷板，指数为23.3，其值不应大于±1光泽单位。 （3）测量：用定标好的仪器去测量被测试样 （4）测量结束后，记录数据，关闭仪器。3透光度测定 （1）检流计校零：打开电源后

16、，数字检流计应指示为零，如不为零，则调节调零旋钮，直到稳定为零。 （2）调满度100：打开光源开关，预热三分钟，将试样盒拉钮往里推到位，此时，数显表示应为100处，如不是，调节满度旋钮，直至数显检流计显示为100。 （3）测定相对透光度：将制好的试样放于试样盒中，推进试样盒，即可在检流计上读出相对透光度数值。五、记录与计算1白度测定表1 白度测定数据记录试 样 名 称瓷砖测 定 人某某某测定日期2012.12试 样 处 理保证试样表面清洁无污物，且平整度好xyzWH土黄色瓷砖125.4024.508.4844.17222.3822.198.4842.55322.8620.808.5843.18

17、白色黄瓷砖159.0663.1861.7978.60259.0663.1861.7978.60359.0663.1861.7978.60粉末133.9136.5643.3660.25土黄色瓷砖： = =42.55=白色瓷砖：=粉末：=2透光度测定表2 透光度测定记录试样名称玻璃测定人某某某测定日期2012.12试样处理表面清洁， 入射波长玻璃种类450nm600nm绿色玻璃34.2%37.3%蓝色玻璃78.3%53.8%褐色玻璃37.3%49.7%实验四 荧光测定实验一、基本概念 1. 发射光谱 发射光谱是指发光的能量按波长或频率的分布。通常实验测量的是发光的相对能量。发射光谱中，横坐标为波长

18、（或频率），纵坐标为发光相对强度。 发射光谱常分为带谱和线谱 ，有时也会出现既有带谱、又有线谱的情况。 2. 激发光谱 是指发光的某一谱线或谱带的强度随激发光波长（或频率）变化的曲线。横坐标为激发光波长，纵坐标为发光相对强度。 激发光谱反映不同波长的光激发材料产生发光的效果。即表示发光的某一谱线或谱带可以被什么波长的光激发、激发的本领是高还是低；也表示用不同波长的光激发材料时，使材料发出某一波长光的效率。 3. 余辉衰减曲线 是指激发停止后发光强度随时间变化的曲线。横坐标为时间，纵坐标为发光强度（或相对发光强度）。 二、测试仪器 激发光谱、发射光谱及余辉衰减曲线的测试采用日本岛津RF-5301

19、PC型荧光分光光度计。 从150W氙灯光源发出的紫外和可见光经过激发单色器分光后，再经分束器 照到样品表面，样品受到该激发光照射后发出的荧光经发射单色器分光，再经荧光端光电倍增管倍增后由探测器接收。另有一个光电倍增管位于监测端，用以倍增激发单色器分出的经分束后的激发光。 注意：选做钨灯光源激发光谱、发射光谱测试的同学应采用天津港东WGY-10型荧光分光光度计。 光源发出的紫外-可见光或者红外光经过激发单色器分光后，照到荧光池中的被测样品上，样品受到该激发光照射后 发出的荧光经发射单色器分光，由光电倍增管转换成相应电信号，再经放大器放大反馈进入A/D转换单元，将模拟电信号转换成相应数字信号，并通

20、过显示器或打印机显示和记录被测样品谱图。三、样品制备 1. 粉末试样 粉末试样可适当添加不影响光谱特性的粘结剂（也可不添加粘结剂），置于样品台凹槽中，压实、用载玻片碾平，固定到样品座中。 2. 块状试样 块状试样可以直接用双面胶粘结在样品台上，固定到样品座中。 3. 液体试样 液体试样应放入专用的液体样品槽中，固定到样品座中。 四、测试过程RF-5301PC荧光分光光度计测试发射、激发光谱及余辉衰减曲线 先开机：打开Xe灯开关 和 主机开关。开电脑。双击 电脑桌面的 “RFPC”程序快捷键 进入测试程序，会出现 初始化界面，仪器依次检测ROM、RAM、EEPROM激发狭缝、发射狭缝、激发单色器

21、、发射单色器和基线，初始化完成后，进入到测试界面。 1. 发射光谱的测试 第一步：参数设置。 点击Configure 设置 / Parameter 参数，进行测试参数设置： (1) 第一行为光谱类型。选择“Emission”发射光谱 (2) 第二行为激发波长。输入激发波长（可以查找数据） (3) 第三行为发光波长范围。输入扫描的起始波长和终止波长（对于未知样，也可选择可见光全波段400760nm，一般范围：激发波长加二倍狭缝宽二倍激发波长减去二倍狭缝宽） (4) 第四行为记录范围。输入纵坐标的最小和最大显示值 (5) 第五行为扫描速度。由快至慢有6种速度选择 (6) 第七行为狭缝宽度。可分别选

22、择 激发和发射狭缝 宽度，（对于发光较弱的样品，测试时可以适当增大狭缝宽度。） (7) 第八行为测试灵敏度选框。 (8) 第九行为响应时间选框，由快至慢有9种速度选择 (9) 参数设置完成后，点击“OK”。第二步：光谱测试。 点击屏幕右下角“Start”按钮，开始发射光谱测试。测试完成后，屏幕会自动弹出一个保存界面：上栏可输入文件名称，下栏可输入注解，若输入注解，则该注解将会在打印出的报告中显示出来。输入文件名后，点击“Save”保存。 注意：这种保存只是临时保存，关机后将消失。永久保存需使用 File / Save as，选择存储路径和文件夹，点击“Save As”保存。保存后的文件，扩展名

23、是“.SPC”，只能用“RF-5301PC”程序打开。若想将测试结果转换为数据，以利于使用其他软件作图和编辑，需进行数据转换。 第三步：自动寻峰。 对于测试所得的发射光谱，程序能够进行自动寻峰。 步骤是：点击Manipulate 操作 / 选择Peak pick / 鼠标左键点住屏幕下方弹出的窗口，上拉，调整窗口大小，即可读出峰值。 第四步：数据转换。 点击File / Data translation / AscII Export / 则询问转换哪个通道？选择通道后，点击OK，则数据转换过程完成。 转换后的扩展名为“.ASC”的文件自动保存在了C盘 / RFPC 文件夹 / Data 子夹中

24、。 第五步：数据处理。 打开Origin软件，点击工具菜单中的 “导入ASC码文件” 快捷键，按照路径 寻找 我们刚刚转换的 扩展名为“.ASC” 的文件，点击“打开”，则数据被导入。点击屏幕下方的“直线”工具，即可完成作图。调整 横、纵坐标的字号。输入 横、纵坐标名称和单位。数据处理完成后，可直接复制到Word文件中。 2. 激发光谱的测试 第一步：参数设置。 点击Configure 设置 / Parameter 参数，进行测试参数设置： (1) 在光谱类型选框中，选择“Excitation”激发光谱，选择后，下面几行选项随之变化。 (2) 第二行为监测的发光波长。（通常，选择发射光谱的峰值

25、位置作为监测波长。） (3) 第三行为激发波长范围。输入扫描的起始波长和终止波长（通常终止波长应小于发射光谱的短波边，但允许有适量交叉） (4) 以下“记录范围”、“扫描速度”、“狭缝宽度”、“灵敏度”及“响应时间”的设置，与发射光谱测试时的设置相类似。 (5) 参数设置完成后，点击“OK”。 第二步：光谱测试。 点击屏幕右下角“Start”按钮，开始激发光谱测试。测试完成后，自动寻峰、数据转换、数据处理的操作与发射光谱相类似。3. 余辉衰减曲线的测试 第一步：参数设置。 点击“Acquire Mode”，在下拉菜单中选择“Time Course”模式，进行测试参数设置。 其中，参数设置对话框

26、上半部分：激发波长（最大激发）、监测发光波长（最大发射）、狭缝宽度、灵敏度、响应时间及记录范围的设置与发射光谱、激发光谱测试时的设置相类似。 参数设置对话框下半部分：反应时间是指余辉衰减曲线的测试时间，即横坐标的扫描时间段；时间模式可选自动或手动；时间单位默认为秒。参数设置完成后，点击“OK”。 第二步：余辉衰减曲线测试 点击屏幕右下角“Start”按钮，开始余辉衰减曲线的测试。测试完成后，数据转换、数据处理的操作与发射光谱及激发光谱的操作相类似。四、数据处理：发射光谱050010001500200025003000450458466474482490498506514522530538546

27、554562570578586594波长（nm）峰值强度发射光谱吸收光谱01000200030004000500060007000450462474486498510522534546558570582594606618630642654666678690波长（nm）峰值强度吸收峰实验五 铁电薄膜的电滞回线测量一、实验内容及目的1）测量铁电薄膜样品的电滞回线及得到铁电薄膜材料的饱和极化±Ps、剩余极化±Pr、矫顽场±Ec等参数。2）了解什么是铁电体，什么是电滞回线及其测量原理和方法。3）了解铁薄膜材料的功能和应用前景。二、实验原理铁电体的极化随外电场的变化而变化，

28、但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。在电场作用下新畴成核长，畴壁移动，导致极化转向，在电场很弱时，极化线性地依赖于电场 见图,此时可逆的畴壁移动成为不可逆的，极化随电场的增加比线性段快。当电场达到相应于B点值时，晶体成为单畴，极化趋于饱和。电场进一步增强时，由于感应极化的增加，总极化仍然有所增大(BC)段 。如果趋于饱和后电场减小，极化将循 CBD段曲线减小，以致当电场达到零时，晶体仍保留在宏观极化状态，线段OD表示的极化称为剩余极化Pr。将线段CB外推到与极化轴相交于E，则线段OE 为饱和自发极化Ps。如果电场反向，极化将随之降低并改变方向，直到电场等于某一值时，极化又将趋于饱和。这一

29、过程如曲线DFG所示，OF所代表的电场是使极化等于零的电场，称为矫顽场 Ec。电场在正负饱和度之间循环一周时，极化与电场的关系如曲线CBDFGHC所示此曲线称为电滞回线。图1 铁电体的电滞回线 三、实验仪器 序号名称规格型号数量备注1台式微机12专用高速采集控制卡13铁电性能综合测试仪TF-DH1型14专用软件TF-DH115专用测试平台16专用测试探针27专用测试电缆12连接样品用8专用测试电缆22连接匹配电容用9专用通讯电缆2连接测试仪和微机四、实验步骤1、样品的安装样品盒中，连接样品的一对电极，其中的一个电极为平台，样品置放其上，另一电极为探针，将样品压在样品台上。将铁电样品平

30、稳放置在样品加上。2、测量1）安装好样品后，关闭样品盒，接通样品盒电源（样品台上的红色指示灯亮）。2）点击程序界面上的“显示”按钮，在仪器面板上，从小到大调节极化电压旋钮，同时注意观察测量得到的曲线。3)若极化电压调到200V还没有得到电滞回线，需将电压调回最小，再点击程序界面中的“电压提升”，继续调节极化电压，得到较满意的电滞回线。3、记录数据得到满意的曲线后，直接点击程序界面中的“记录”按钮，记录完一个周期后自动关闭样品电源并停止测量。五、数据处理将得到的电滞回线，用TF-DH1程序打开，点击程序界面的数据处理，分别记录饱和极化±Ps、剩余极化±Pr、矫顽场±

31、Ec。六、注意事项1、必须先连接好测试线路并确认无误（注意千万不要将信号源短路）后再打开测试仪电源。2、当使用高电压信号源时，注意安全，测试操作时不能接触测试架。测试完成后先关闭测试仪电源。3、安装样品时，注意将极化电压调到最小。4、更换、安装、取下样品时，样品电极不能短路。七、思考题1、样品受潮对测量结果产生怎样的影响？实验六 绝缘材料表面电阻率及体积电阻率测定 一、实验目的： (1) 通过测试电阻率，了解陶瓷材料的导电特性；(2) 了解超高值绝缘电阻测试仪(简称高阻仪)的基本原理，掌握使用高阻仪测定陶瓷材料的体积电阻，表面电阻和体积电阻的方法；二、实验原理 体电阻率的测

32、量体电阻率是材料直接通过泄漏电流的能力的度量。 体电阻率定义为边长 1 厘米的立方体绝缘材料的电阻， 并表示为欧姆-厘米。 测量体电阻率时，将样品放在两个电极之间， 并在两个电极之间施加一个电位差。 产生的电流将分布在测试样品的体内， 并由皮安计或静电计来测量。 电阻率则由电极的几何尺寸和样品的厚度计算出来：其中： = 体电阻率（欧姆-厘米）KV = 由测试盒的几何尺寸决定的体电阻率测试盒的常数（厘米 2）V = 施加的电压（伏特）I = 测得的电流（安培）t = 样品的厚度（厘米）图 1 介绍一种符合 ASTM D257 标准的测量体电阻率的配置情况。 在此电路中，安培计的 HI 端连在底部

33、的电极上， 电压源的 HI 端连在顶部的电极上。安培计的 LO 端和电压源的 LO 端连在一起。 底部的外电极连到保护端（安培计的LO 端） 以避免在测量中计入表面泄漏电流。图1 ASTM D257 标准的测量体电阻率的配置情况表面电阻率的测量表面电阻率定义为材料表面的电阻， 并表示为欧姆（通常称为方块电阻） 。 其测量方法是将两个电极放在测试样品的表面， 在电极之间施加一个电位差， 并测量产生的电流。 表面电阻率计算如下：其中： = 表面电阻率（欧姆） KS = 由测试盒的几何尺寸决定的表面电阻率测试盒的常数V = 施加的电压（伏特） I = 测得的电流（安培） 图 2是测量表面电阻率的配置

34、情况。 这个配置类似于进行体电阻率测量的电路， 只是现在电阻是在底部的两个电极之间测量的。 注意， 顶部的电极接保护， 所以只有流经绝缘体表面的电流才为皮安计所测量。图2测量表面电阻率的配置情况三、实验数据处理（1）表面电阻率与体积电阻率测量数据记录表1 表面电阻率与体积电阻率测量数据记录试样名称绝缘体测试人某某某测试时间2014.12试样处理试样表面平整无污白板厚度0.2cm灰板厚度0.344cm编号 电压100mv200mv300mv白板Rs92.293200.9874.134Rv1.55211.62041.655灰板Rs10.8665.1304.4247Rv153.030.31011.6

35、10（2）表面电阻率与体积电阻率计算白板：体积电阻率：100mv: 200mv: 300mv: 表面电阻率：100mv: 200mv：300mv: 灰板：体积电阻率：100mv: 200mv: 300mv: 表面电阻率：100mv: 200mv：300mv: 实验七 四探针法测量半导体的电阻率一、 实验目的 1、了解四探针电阻率测试仪的基本原理； 2、了解的四探针电阻率测试仪组成、原理和使用方法； 3、能对给定的物质进行实验，并对实验结果进行分析、处理。 二、 实验原理 1. 电阻的测量 电性能是材料的重要物理性能之一，材料导电性的测量就是测量试样的电阻或电阻率。电阻的测量方法很多，若精度要求

36、不高，常用兆欧表、万用表、欧姆表及伏安法等测量；若精度要求比较高或阻值在10-6102的材料电阻 （如金属或合金的阻值）测量时，需采用更 精密的测量方法。常用的几种方法如下： 双臂电桥法：根据被测量与已知量在直流桥式线路上进行比较而得出测量结果，其精确测量电阻范围为10-6103，误差为0.20.3%。缺点：受环境温度影响较大。 直流电位计测量法：一种比较法测量电动势，通过“串联电路中电压与电阻成正比” 计算得出电阻。其可测量10-7V微小电动势。优点：导线和引线电阻不影响测试结果。 直流四探针法：主要用于半导体或超导体等低电阻率的精确测量。 冲击检流计法：主要用于绝缘体电阻的测量，将待测电阻

37、与电容器串联，用冲击检流 计测量电容器极板上的电量。通过检流计的偏移量来计算待测电阻，可测得绝缘体电阻率高 达1015 1016·cm。 2. 电阻率的测量 电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量，某种材料制成的长 1米、横截面积是 1平方毫米的在常温下 （20时）导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。它反映物质对电流阻碍作用。电阻率是半导体材料的重要电学参数之一，硅单晶的电阻率与半导体器件的 性能有密切联系。因此电阻率的测量是半导体材料常规参数测量项目之一。 测量电阻率的方法很多，如二探针法、扩展电阻法等。而四探针法则是目前检测半导体电阻率的一种广泛采用的标准方法。它具有设备简单、操

38、作方便、精度较高、对样品的几何形状无严格要求等优点。 3. 直流四探针法测试原理 体电阻率测量： 当1、2、3、4根金属探针排成直线时，并以一定的压力压在半导体材料上，在1、4两 处探针间通过电流I，则2、3探针间产生电位差V。材料的电阻率为 （·cm）（1）式中C为探针系数，由探针几何位置决定。当试样电阻率分布均匀，试样尺寸满足半无限大条件时 图1 四探针测量原理图 (cm) 式中：S 、S 、S分别为探针1与2，2与3，3与4之间的间距。探头系数由制造厂对探针间距进 1 2 3 行测定后确定，并提供给用户。每个探头都有自己的系数，C6.28±0.05，单位为cm。当S1

39、=S2=S3=1mm时，C=2。若电流取I=C时，则=V可由数字电压表直接读出。(a)块状和棒状样品体电阻率测量 由于块状和棒状样品外形尺寸也探针间距比较，合乎与半无限大的边界条件，电阻率值可以直接由 （1）， （2）式求出。 (b)薄片电阻率测量 薄片样品因为其厚度与探针间距比较，不能忽略，测量时要提供样品的厚度、形状和测量位的修正系数。电阻率可由下面公式得出： （3） 式中： 为块形体电阻率测量值 为样品厚度与探针间距的修正函数，可由相关表格查得 为样品形状和测量位置的修正函数。 W样品厚度(m)；S探针间距(mm) 当圆形硅片的厚度满足W/S<0.5时，电阻率为： （4） 扩散层的

40、方块电阻测量： 当半导体薄层尺寸满足于半无限大平面条件时： （5）若取I=4.53，则R值可由V表中直接读出。 三、仪器结构特征 本实验中采用的SX1944型数字式四探针测试仪电气部分原理方框图如图2所示。图2 SX1944型数字式四探针测试仪电气部分原理图 仪器分为主机和测试架两部分，其中主机部分由高灵敏度直流数字电压表 （由调制式高灵敏直流电压放大器、双积分A/D变换器、计数器、显示器组成）、恒流源、电源、DC-DC变换器组成。为了扩大仪器功能及方便使用，还设立了单位、小数点自动显示电路、电流调节电路、自校电路和调零电路。仪器+12V电源经过DC-DC变换器，由恒流源电路产生一个高稳定度恒

41、定直流电流，其量程分别为10A、100A、1mA、10mA、100mA 五档。在各档电流量程中，输出电流值均连续可调。此恒定电流输送到1、4探针上，在样品上产生一个直流电位差，被2、3 探针检出，由高灵敏度、高输入阻抗的直流电压放大器中将直流电压信号放大（放大量程有0.2mV、2mV、20mV、200mV、2V 五档），再经过双积分A/D 变换器将模拟量变换为数字量，经由计数器、单位、小数点自动转换电路显示出测量结果。 仪器设立了 “粗调”、 “细调”调零电路，以产生一个恒定的电势来抵消试中探针与半导体材料样品接触时产生的接触电势和整流效应的影响。仪器的自校电路中备有精度为 0.02%、阻值为

42、19.96的标准电阻，作为自校电路的基准。通过自校电路可以方便地对数字电压表和恒流源的精度进行校准。 测试架由探头及压力传动机构、样品台构成。见图3 图3 测试架结构图 四、 实验设备及试样 1. 实验设备 型号：SX1944数字式四探针测试仪， 规格：测量范围：电阻率：10-4105·cm；方块电阻：10-3106；薄膜电阻：10-4105。可测半导体材料的尺寸：15100mm。电压表参数：量程200mV,误差±0.1%，读数±2字，最大分辨率10v；电流表参数：输出0100mA连续可调,误差±0.5%，读数±2字；探头参数：探针间距1mm，

43、探针直径0.5mm，压力02kg可调。 2. 试样表面要求：洁净干燥。 五、 实验步骤 1. 打开SX1944 四探针测试仪主机开关，预热0.5h，室内温度及湿度使之达到测试要求。 2. 测量并记录试样的厚度和直径 3. 打开电脑桌面软件SX1944，选取测薄圆片的电阻率 4. 输入相关实验参数：试样标识、厚度、直径 5. 点击 “测试”，选择自动电流量程，根据弹出的对话框压下探头 （轻触试样即可），调节电流，然后点击 “确认”，对系统进行初始化。 6. 点击 “测试”，选择 “自动测试”，根据弹出的对话框调节电流，点击 “确认”，即可进行测量显示。 六、 数据处理 1. 多次测量去平均值，减

44、小测量误差 2. 分析测量电阻率中误差的来源 八：数据处理表1四探针法半导体电阻率数据记录测试样品半导体测试人某某某测试时间2012.12样品处理试样表面清洁无污编号 阻值123平均单晶硅42.2430.6558.3043.73多晶硅9.30212.1018.3713.26表2手持式电阻仪测半导体电阻率数据记录测试样品半导体测试人某某某测试时间2012.12样品处理试样表面清洁无污编号 阻值123平均单晶硅37.0435.8036.9636.602分析实验误差答：实验误差来源试样材料表面不均匀及压力的大小。七、 注意事项 1.压下探头时,压力要适中,以免损坏探针。 2.由于样品表面电阻可能分布

45、不均,测量时应对一个样品多测几个点,然后取平均值。3.样品的实际电阻率还与其厚度有关,还需查附录中的厚度修正系数,进行修正。实验八 介质损耗和介电常数测量实验介电特性是电介质材料极其重要的性质。在实际应用中，电介质材料的介电系数和介质损耗是非常重要的参数。例如，制造电容器的材料要求介电系数尽量大，而介质损耗尽量小。相反地，制造仪表绝缘器件的材料则要求介电系数和介质损耗都尽量小。而在某些特殊情况下，则要求材料的介质损耗较大。所以，通过测定介电常数(e)及介质损耗角正切(tgd)，可进一步了解影响介质损耗和介电常数的各种因素，为提高材料的性能提供依据。一、实验目的1、探讨介质极化与介电常数、介质损

46、耗的关系；2、了解高频Q表的工作原理；3、掌握室温下用高频Q表测定材料的介电常数和介质损耗角正切值。二、实验原理按照物质电结构的观点，任何物质都是由不同的电荷构成，而在电介质中存在原子、分子和离子等。当固体电介质置于电场中后会显示出一定的极性，这个过程称为极化。对不同的材料、温度和频率，各种极化过程的影响不同。1、介电常数(e)：某一电介质(如硅酸盐、高分子材料)组成的电容器在一定电压作用下所得到的电容量Cx与同样大小的介质为真空的电容器的电容量Co之比值，被称为该电介质材料的相对介电常数。式中：Cx电容器两极板充满介质时的电容；Co电容器两极板为真空时的电容；e电容量增加的倍数，即相对介电常

47、数介电常数的大小表示该介质中空间电荷互相作用减弱的程度。作为高频绝缘材料，e要小，特别是用于高压绝缘时。在制造高电容器时，则要求e要大，特别是小型电容器。在绝缘技术中，特别是选择绝缘材料或介质贮能材料时，都需要考虑电介质的介电常数。此外，由于介电常数取决于极化，而极化又取决于电介质的分子结构和分子运动的形式。所以，通过介电常数随电场强度、频率和温度变化规律的研究，还可以推断绝缘材料的分子结构。2介电损耗(tgd)：指电介质材料在外电场作用下发热而损耗的那部分能量。在直流电场作用下，介质没有周期性损耗，基本上是稳态电流造成的损耗；在交流电场作用下，介质损耗除了稳态电流损耗外，还有各种交流损耗。由

48、于电场的频繁转向，电介质中的损耗要比直流电场作用时大许多(有时达到几千倍)，因此介质损耗通常是指交流损耗。在工程中，常将介电损耗用介质损耗角正切tgd来表示。tgd是绝缘体的无效消耗的能量对有效输入的比例，它表示材料在一周期内热功率损耗与贮存之比，是衡量材料损耗程度的物理量。tg式中：电源角频率；R并联等效交流电阻；C并联等效交流电容器凡是体积电阻率小的，其介电损耗就大。介质损耗对于用在高压装置、高频设备，特别是用在高压、高频等地方的材料和器件具有特别重要的意义，介质损耗过大，不仅降低整机的性能，甚至会造成绝缘材料的热击穿。3、Q值：tgd的倒数称为品质因素，或称Q值。Q值大，介电损失小，说明品质好。所以在选用电介质前，必须首先测定它们的e和tgd。