材料的性能和测试

SEP2008ECE材料性能和测试BillyHan2008.9ECE材料性能和测试方法导电弹性体材料的物理机械性和材料的电学性能和导电稳定性及环境适应性测试可参照ASTM,MIL-83528相关标准进行测试,对于一些特殊应用性测试可按照内部标准进行,对于垫片的最终测试还要通过电磁兼容的整机测试.ECE材料测试要求测试电阻和体积电阻率：屏蔽效能：热老化试验扯断后电阻测试

振动过程中和振动后的电阻

EMP环境测试

电化学腐蚀抗溶剂试验

抗辐射,生物,化学侵蚀性能普通物理性能，这些物理性能属于橡胶材料的常规性能测试比重

邵氏硬度

抗拉强度断裂伸长率

撕裂强度

压缩永久变形

最高使用温度

最低使用温度

压缩/挠曲性能

屏蔽效能和材料的体积电阻率：EMI垫片的突出特性就是屏蔽效能，直接测量屏蔽效能的方法与直流电阻方法相比（如体电阻系数测量）是非常复杂的。屏蔽效能测试一般要求专业人员操作住在专业设备和各种相当昂贵的仪器，出于这个原因，体电阻系数作为一种直流电阻测量是间接测量电磁干扰屏蔽效能的通用方法。然而，对无线技术中常用的高频，直流电阻系数与屏蔽效能的关系并不是直接的，屏蔽效能还依赖于填充导电颗粒的成分，形状，填充量等，如镍类导电粉的铁磁性对屏蔽效能是有利的，尤其是对于低频段。屏蔽效能还依赖于衬垫的形状，而直流电阻却不是。屏蔽效能和直流电阻率的关系：随着体电阻系数的增加，屏蔽效能逐渐下降，且体电阻系数超过1欧姆-厘米时有陡峭的下降，EMI屏蔽用导电橡胶的体电阻率从0.01到0.1屏蔽效能将从130DB下降到85DB。在1000MHZ要比20MHZ下降更剧烈。导电是屏蔽的必要条件电导率和电阻率一般来说,电导是电阻的倒数电导的符号是Sigma“s”

单位是Siemens(s)电阻的符号是“R”单位是Ohm(W)R=1/s总电阻是界面接触电阻和材料本体电阻的总合,我们需要降低总体电阻测试电阻和体积电阻率：电阻率:Resistivity,表征材料导电性能的物理量,单位是Ω.m(Ω.cm)体积电阻Rv和体积电阻率ρv：

在两电极间嵌入一试样，使它们很好地接触。施于两电极上的直流电压与流过试样体积内的电流之比，称为体积电阻Rv。由Rv及电极和试样尺寸算出1cm3材料，两对面间的电阻称为体积电阻率。体积电阻率（Volumeresistivity）,表征物体内导电性能的物理量,它是单位横截面积、单位长度上材料的电阻值，单位Ω.m(Ω.cm)板状试样体积电阻率公式：

ρv＝RvS/d(Ω.cm)式中:S─测量电极面积（cm2）；

d─试样厚度（cm）

Rv─体积电阻（Ω）（从电阻计上读出）表面电阻Rs和表面电阻率ρs。

在试样的一个面上，放置两电极，施于两电极间的直流电压与沿两电极间试样表面层上的电流之比，称为表面电阻Rs。由Rs及表面上电极（上电极和环电极）尺寸，算出1cm2材料表面所具有的电阻（Ω），称为表面电阻率。表面电阻率:（surfaceresistivity,

表征物体表面导电性能的物理量,它是正方形材料两对边的电阻值,它与物体厚度及正方形大小无关,单位Ω板状试样表面电阻率公式：

ρs＝2πRS/ln(D2/D1)式中：π─3.1416

Rs─表面电阻（Ω）（从电阻计上测出）

D1─测量电极直径（cm）；

D2─环电极内径（cm）可能影响测量的因素

1、样品测量时的温湿度2、极化电流3、静电荷的影响

LAClipsLASurfaceProbeAd,diameterPressureProbethickness电阻测试电极示例MIL-83528B中表面探针法测体电阻系数体电阻测试采用MIL-83528B中表面探针法测体电阻系数。设备：毫欧表，量程104-10-5，读书精度为±0.02%橡胶厚度计镀银或金电极，接触面积为0.25平方英寸，200-240克试样：宽0.5in，长3in，厚0.055-0.12in测试方法：测量接触点处橡胶的厚度被测材料必须足够大，能与整个电极充分接触在电极接触面积上施加100PSI的压力保持压力接触30秒计算方法：ρ=RA/LΡ:体积电阻率（OHM-CM）

R：表观电阻

A：两电极之间的最小横截面积

L：两电极之间的长度（1或1/2in）MIL-83528B中的测试电极欧姆表和电极屏蔽效能：屏蔽效能：同轴测试设备用于测试EMI衬垫材料的屏蔽特性已经有很多年的历史了，SAEARP1705和ASTMD4935是两种通用的使用同轴设计的标准测试方法。同轴设计要求测试单元内的环形样品衬垫和导体之间有良好的电接触。测得的屏蔽特性受测试单元导体和测试样件的表面特性的影响。因此同轴测试设备测得的是大块样品和电接触界面的组合特性。测试衬垫与大块材料一样有很好的屏蔽效能，但表面的导电性较差，在通州测试设备中淤积性能会较差，因此，很难评估一种材料的整块屏蔽特性。而且，通州的测试方法是假定测试样件与50欧姆参考阻抗相比非常小，所以，测试样件的阻抗评估精度就有问题了。建立一种真正有效的测试方法是：使测试的平面材料的屏蔽效能与样品和测试设备间的接触电阻无关，也就是避免了材料表面特性的干扰，同时不需要电器接口的整块平面材料。设计思想是在一个自由空间的环境中在一个测试样片的一面发射微波信号，在另一面用接收天线测试信号的屏蔽。类似的方法被用在了MIL-STD-285测试中来评估屏蔽罩。实际实验时，真正的自由空间测试要求在距测试样件至少0.5米的地方安装方向性天线，从而使2.45GHZ（波长12.25厘米）的入射电磁波为平面波，其极化方向与材料/空气界面平行。为了避免衍射效应，评比材料的样件的尺寸需要至少1平方米。MIL-DTL-83528C中，测试方法是：在屏蔽暗室一侧开一个窗口，安装24*24英寸的导电橡胶片，在暗室外面距暗室的窗口39.4in的地方安装一个喇叭形定向发射天线，用于发射：0.02-0.2GHz（1000WATTS（+60DBM）

0.2-1.0GHZ（250WATTS（+54DBM）

1.0-10GHZ（20WATTS（+46DBM）的定向平面波。在暗室内部距窗口39.4in的地方安装一个喇叭形的定向接收天线，同时将接收到的信号传送给微波接收机，并提供给网络分析仪，直接做出屏蔽效能曲线。这样看来，这套测试设备比较庞大复杂，而且需要至少26*26=676平方英寸的大橡胶片，设备和测试都有一定难度。MIL-DTL-83528C中的屏蔽效能测试方法准自由空间法测试另外一种测试方法是准自由空间测试，其目的是适应一种15CM的小样件，该方法是基于一种闭合金属波导的测试设备，波导一端的辐射口径与样件相仿。置于波导内部的发射天线通过一个跟踪发生器和功放产生一个2.45GHZ的信号。从口径辐射出来的信号经样品后被波导接收天线收集到。接收到的信号送入频谱仪。因为测试样件通过波导与天线耦合，所以叫做准自由空间（QFS）测试装备。

其他改进型测试方法和制具

发射天线接收天线测试样品镀金的铜质测试制具测试设备放在非导电桌面上,并在开放空间进行信号发生器和网络分析仪值得一提的是ECE比金属质指形弹簧具有更好的电磁屏蔽性能,如ECE85iECE和焊接的金属质指形弹簧电磁屏蔽性能比较屏蔽材料屏蔽效能的理论计算公式对于任何电磁干扰，屏蔽作用由三种机理构成。入射波的一部分在屏蔽体的前表面反射，另一部分被吸收，还有一部分在后表面反射，如图所示。屏蔽效能SE等于吸收因子A加上反射因子R，加上多次返射修正因子B，所有因子都以dB表示SE=A+R+B吸收损耗的计算公式如下：

A=1.13t√μrfσr式中：t--屏蔽厚度，cm;

μr-屏蔽材料的相对导磁率；

σr-屏蔽材料的相对导电率；

f--频率，Hz。由于吸收主要由屏蔽厚度产生的，吸收因子对所有类型的电磁波都一样，与近场还是远场无关。以下是计算平面后反射损耗的公式，等于电场波和磁场波有类似的公式。R=168101g(μrf/σr)dB如果吸收因子6dB以上，多次反射因子B可以忽略，仅当屏蔽层很薄或频率低于20KHz时，B才是重要的。在设计磁屏蔽时，特别是14KHz以下时，除了吸收损耗外，其它因素都可以忽略。同样，在设计电场或平面波屏蔽时，只考虑反射因子。

图2屏蔽对电磁干扰的衰减老化试验老化Aging

:

性能随时间延续而降低的特性加速老化:材料生产出来后,放进烘箱加热,得到一个平稳的曲线区域老化的影响因素及导电稳定性影响老化速度的因素:Aging（老化）:取决于环境条件。高温，光照，硫化物的存在会加快老化速度。在ECE使用之前的包装和储存条件（如低温和避光）对保持材料的性能是非常重要的。

导电稳定性：导电橡胶材料的导电是靠内部导电粒子的彼此接触，因此不同于金属的稳定导通，环境温度、湿度的变化，化学侵蚀,机械振动、压缩、拉伸、扭曲等都有可能引起电阻率的波动，另外，橡胶材料的松弛效应等也可能引起导电橡胶材料长时间使用过程中电阻率的变化，电场作用、电磁脉冲环境等也会对电阻率有一定的影响，金属银不容易表面氧化，但是在氧气，水和微酸性环境下，也会发生银迁移现象，也可能对导电性有影响。导电稳定性测试的一种方法是热老化试验后，测试其电阻变化。此外，对于燃料油环境和海上工作设备，还需要盐雾试验。

MIL-83528C中的热老化试验MethodA准备一个厚度为0.060inch到0.12inch,直径为0.564inch的圆形样品,并在温度为23+/-5ºC(73+/-9ºF)相对湿度为45%-75%的条件下放置至少3小时测试材料样品初始电阻样品上下表面衬上0.002in厚的聚酯薄膜,使用金属法兰夹住样品压力为50Lb/in2并控制样品的变形量为7%将夹具和样品放进烘箱在最高使用温度下加热1000小时取出夹具,卸下样品,让样品在室温下冷却1小时在异丙醇里漂洗样品,并至少干燥1小时重新测试试样电阻MethodB准备一个厚度为0.060inch到0.12inch,长为5inch宽为3in的条形样品,并在温度为23+/-5ºC(73+/-9ºF)相对湿度为45%-75%的条件下放置至少3小时测试样品初始电阻

用金属丝将样品挂在烘箱中,在最高使用温度的1.25倍的温度条件下加热48小时取出样品冷却到室温用异丙醇清洗样品并干燥1小时重新测试材料电阻变化百分比的计算: R1-RFx100 R1扯断后电阻测试导电橡胶在外力作用下或作用后会引起导电填充粒子的位移或剥离松弛，这就会造成一定程度的电阻不稳定，MIL-83528C规定按照ASTM-D412拉伸测试后的哑铃型试片（已经拉断），等扯断后30分钟时，取中间窄的部分（0.06-0.12in厚）作为样品，测试并记录材料的体积电阻率。振动过程中和振动后的电阻导电橡胶材料在正东过程中的导电稳定性可以通过一个特制的电阻测试装置和如下步骤进行：1，准备一个矩形环状样品，长2.75in宽3.75in环的每一边的宽度均为0.15in，厚度为0.062in，将样品安装在一个铝制法兰和一个铝制盖板之间，并盖板施加一个力使被测橡胶垫偏压缩变形5-10%，在测试过程中这些变形必须保持，2，将测试装置固定在一个振动器上，让被测试片的平面与振动器的动力轴方向平行，动力轴可以竖直安装3，用毫欧表测量治具的电阻和制具与橡胶垫片的电阻，二者之差就是待测试片的电阻4，改变不同谐振频率进行测试并记录电阻值，停止振动，静置30秒，测量和记录静止状态的电阻值，作为震动后的电阻结果。取每一个测试条件下的最大电阻值。作为测试结果。振动过程中和振动后的电阻EMP环境测试通过如下的设备样品和方法可以进行抗电磁脉冲性能设备：交变电磁脉冲电流模拟器，调制的脉冲电子束加速器或电容放电脉冲发生器，或其他等效装置，能驱动0.9千安培的阻尼正弦电流脉冲，电流频率在1-1.5千赫，阻尼衰减时间为分别500-1300纳秒。电流监视器带有照相装置和具有高速数据捕捉功能的示波器，用来记录通过垫片的电流脉冲四探针电阻测试器，用来测试测试前和测试后的材料的体积电阻率。样品和样品制备横截面形状为矩形的圆形垫圈，垫圈直径为3.0英寸，横截面宽度为0.070英寸，厚度为0.062英寸，样品可以用橡胶片经模切制成。将待测垫片夹在两片干净的镀锡铝板之间，用绝缘紧固件给夹具施加一定的力，使压缩量为10%在测量过程中，夹具不允许松弛。测试方法：将垫片安放在脉冲发生器上，模拟脉冲电流为9千安培，1-1.5MHZ，衰减时间为500-1300纳秒，通过的电流脉冲被快速示波器记录下来脉冲实验完成后，不拆卸垫片，测试电阻如果测试电阻没有超过EMP实验规定的标准，就认为该垫片能承受0.9KA/IN的电磁脉冲环境。电化学腐蚀腐蚀是一种自然现象,它使材料从不稳定状态向稳定状态转化,因为不同种类金属的存在发生电化学反应,所以也叫电偶腐蚀或电化学腐蚀发生电化学腐蚀的条件:形成电偶得两种金属必须是不同种类的金属,两种金属需要接触,需要有电解液的存在卓越的抗电化学腐蚀性能的材料满足航天等特殊环境的应用,所有飞行器都需要在极端环境下工作,比如客户需要一种材料在腐蚀试验结束后,铝的失重率<

3.5mg,电阻率保持在15mohm-cm以下

金属电偶失重率EcE电化学腐蚀性能EcE50腐蚀试验Galvaniccorrosiontestinginaccordancewith(IAW)MissileSpecificationMIS‑47057EcE50CorrosionTestingEcECorrosionPerformance比重

23摄氏度时，材料在空气中的质量/材料在蒸馏水中的质量.表征导电橡胶材料的密度或比重，反映了导电橡胶中金属填料的种类和添加量，以及气孔率和交联程度，硫化状况等。测试方法按照ASTM-D792-00,随导电填料的种类不同,ECE的密度从1.8到4.0之间变化.邵氏硬度

表征硫化橡胶的硬度，硬度主要由混炼胶中补强填料白炭黑的种类和添加量决定，也取决于导电填料的多少，白炭黑添加量增大,硬度变大,同时形变量和断裂伸长率会变小.此外还和交联情况有关，交联密度增加,使邵氏硬度增大,但是,断裂伸长率会变小.二段硫化后硬度要比二段硫化前增加十几个单位。样品厚度至少要0.25英寸,样品需要在23+/-5ºC(73+/-9ºF)和相对湿度为

45%-75%

的条件下静置3小时以上.Durometer硬度计10softerSponge30softSilicone50mediumNeoprene（氯丁橡胶）80harderTyre100hardNotcompressible软的弹性体材料需要很小的锁紧力就可以密封.硬的弹性体材料可以承受更大的锁紧压力.抗拉强度

Tensilestrength抗拉强度:以一定的速度拉伸橡胶试片，拉断时的应力单位Tension/area,用PSI(poundpersquareinch)或MPa表示.1PSI=6,850kPa=0.00685MPaSampleGrippersAlignmentPincers断裂伸长率

Elongationtobreak（断裂伸长率）:以一定的速度拉伸试片，拉断时试片的伸长量占试片原长的百分比.撕裂强度

Tearstrength(抗撕裂强度)导电橡胶的撕裂是在机械力破坏过程中产生和进