使用點對點電極進行材料導電均勻性評估

在防靜電領域,材料的導電性往往是防靜電物品有效性的關鍵——接地結構/等電位連接結構的電路導通完全依賴于此。而起電水平（摩擦電壓）雖然與此指標并無直接關聯，但多數情況下，防靜電設施需要連接接地，因此導電性良好的情況下，靜電可以迅速泄放，難以測試和觀察到較高的靜電水平。按照靜電泄放速度的計算，在材料電阻（表面電阻或體積電阻）低于1*10e9Ω時，靜電會快速泄放，難以測試出明顯的靜電電壓——摩擦電壓為零。不過這不代表全部，有時材料電阻測試明明很好的情況下，摩擦電壓卻較高，這似乎讓導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象：兩個電阻值都合格的防靜電物品，在結合測試系統電阻值出現不合格，比如帶有接地鏈或導電腳輪的推車或座椅，在防靜電地面上的系統電阻不合格；多層堆疊的托盤接地電阻不合格。這些匪夷所思問題的原因是什么呢？

  我們先看下材料的導電的測試方法。按照防靜電行業現行的材料導電性測試標準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，常用的材料導電性測試項目包括以下四項：
表面電阻：假定導電在材料表面實現，使用標準的同心環電極測試。被測物要放在絕緣墊上進行（參考圖1），數據單位為Ω/□。

圖1 表面電阻測試示意圖
  體積電阻：假設導電性可以體積導通，通常體積導通的防靜電材料相比僅有表面導通的材料（如涂覆防靜電劑的材料）更加有效，有效期也會更長。按照標準的描述也是使用同心環電極及金屬板將樣品夾在中間進行測試（參考圖2），數據單位為Ω.m。

圖2 體積電阻測試示意圖
   點對點電阻：通常用于具體的防靜電物品測試，僅評估其導電性，不確認導電是通過表面還是體積導通。注意這個測試可能有兩種情況：對于較大的物品，如臺墊和地面使用標準重錘式電極按照25cm、1m或展開結構的各點之間（如衣物）的間距測試點對點電阻，這種電極的直徑為63.5mm，參見圖3。如遇小物件或異型物件，使用重錘點電極無法測試時，使用小的點對點電極測試點對點電阻，該電極探針直徑為有3.2mm，參見圖4。

圖4 小電極點對點電阻測試示意圖
   點對接地點電阻：用于接地結構的防靜電物品的接地實現時導電性的評估，不考慮不確認導電是通過表面還是體積導通。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上，測試二者間的電阻。

   除了前面所講的問題外，還有一個現象也值得關注：在對同一塊樣品進行點對點電阻測試時，兩個大電極之間和小的點對點電極測試的結果出現較大的偏差，往往是小的點對點電極的測試數據高，而且有時這個偏差會高若干個數量級。這可能直接影響材料合格性判斷。這是否是電極結構所帶來的偏差呢？我們假設被測物品導電僅以表面方式導電，利用電極的大小及測試距離，可以計算兩種電極本身帶來的差異Rm/Rs≈5。大點電極測試的點對點電阻與標準同心環形電極所測試的表面電阻的差異為Rpp/Rs≈3.37，小電極的測試點對點電阻與表面電阻約為17.即便如此這也無法解釋幾個數量級的數據差異。而且，如果我們以電極接觸樣品部分的長度和距離計算，小電極和大點電極點對點電阻測試結果應當Rm/Rs≈0.51，也就是小電極測試值比大電極低。

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

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

   除此之外，如果添加的導電物如顆粒度太大，分散性不好的情況下導電物之間形成的導電網絡不夠密集也同樣會出現導電盲區。

   那么我們能不能多加些導電填充物，保證導電效果呢？這條路也走不通：過多加入量會破壞材料原有的分子結構，導致材料強度出現問題，還可能衍生出析碳問題，給電子產品特別是半導體、光電和顯示類的產品帶來致命的問題。而且過低的電阻所帶來的CDM風險也是我們不希望看到的。

    正是這些導電不均勻問題和導電盲區問題，會讓材料材料局部電阻值超標，也會讓絕緣部分的靜電無法快速泄放，這也就導致了前面所說的明明電阻值合格摩擦電壓卻過高的現象。

   對于有接地要求的防靜電物品來說，非均勻導電特別是存在導電盲區往往會導致兩個有這樣缺陷的材料，形成導電連通難度要比均勻導電的材料難很多。在這方面*典型的例子是防靜電地面：接地鐵鏈或非均勻導電腳輪的推車在防靜電地面上難以測試合格，而在鐵板上可以測試合格；使用大的點電極測試合格的地面，行走電壓卻降低不下來。

   當然，近些年來材料技術突飛猛進，讓這一問題開始得到解決：石墨烯、碳納米管、導電聚合物及復合配方的防靜電材料已經開始嶄露頭角。一些材料可以將電阻值控制在理想的范圍內的同時，導電均勻無任何導電盲區。然而現行的國內外標準所定義的測試方法，特別是重錘電極的使用，很多時候無法發現問題，甄別良莠。而且標準基本對測試當中的數據處理并無統計學處理要求，頂多確認一下測試的算術平均值、幾何平均值、*大值和*低值。而對于數據的離散性并無確定或計算的要求，并且合格與否的判斷，也沒有明確是基于平均值還是*高值，在實踐中容易帶來許多爭論。

以上分析表明，防靜電行業特別需要一種能夠評價導電均勻性的方法用于評估材料的防靜電性能。這需要我們從兩個方面著手：電極選擇和評價方法。

電極選擇
  從防靜電材料制作角度看，大的點電極及同心環電極接觸測試樣品的電極底面面積較大，雖然也能發現導電不均勻問題，但相對于小電極難度較高。通過簡單的計算我們可以知道三種電極測試時的有效面積分別是：3167mm2、551mm2、8mm2，因此使用小電極發現導電盲區*。不過，單純使用小電極可能無法測試出防靜電PVC貼面地板之類的點狀或針狀導電結構材料的導電性。因此比較好的選擇是，在樣品比較大的情況下結合使用大的點電極和小電極測試材料的點對點電阻，再進行利用數理統計進行相關的計算。

評價方法
  數理統計中均方差（標準差）和極差經常用于評價數據的離散性。但在實際測試當中難免出現問題：材料的電阻值波動可能很大，高的時候超過8個數量級，這兩項指標會顯示很高的數值，特別是極差，基本就是*高值了，這樣反倒不易直接反映數據的波動性。有沒有辦法解決這一問題呢？其實統計學中還有現成的指標可以使用——變異系數。由于是均方差與平均值的比值，它不受量綱影響，是一項理想的指標。我們很容易得到結論，變異系數越低數據離散性越小，材料的導電均勻性越好。另外，對于極差來講，我們也可調整下方法，不用差值，比值（極值比extremes ratio）對數計算，就可以比較直觀地反映*大*小值之間的波動性。

除導電均勻性外，評價材料時現有標準中的指標也不能省略，所以將所有這些指標總結一下，防靜電材料的導電性能指標應包含以下項目：
Min_s=大電極測試的點對點電阻的*低值：指標反映材料可以達到的*佳導電指標
Max_m=小電極測試的點對點電阻的*高值：指標反映材料可能出現的*高絕緣狀態
Av_s=大電極測試的點對點電阻數據的算術平均值：指標反映材料較大面積接觸條件下導電性的平均水平
Av_m=小電極測試的點對點電阻數據的算術平均值：指標反映材料均勻導電性的平均水平。
CV=小電極測試的點對點電阻數據的變異系數：偏差與平均值的比值，反映阻值的波動性。
REV=lg極值比：直觀反映材料導電性*高波動水平。
這套指標現在已經在一些企業得到應用，且收到了良好的效果。通過控制導電均勻性，有效地保證了防靜電物品的品質和耐用性。以下是幾款材料實際測試的效果