材料的性能和測(cè)試

SEP2008ECE材料性能和測(cè)試BillyHan2008.9ECE材料性能和測(cè)試方法導(dǎo)電彈性體材料的物理機(jī)械性和材料的電學(xué)性能和導(dǎo)電穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試可參照ASTM,MIL-83528相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試,對(duì)于一些特殊應(yīng)用性測(cè)試可按照內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,對(duì)于墊片的最終測(cè)試還要通過(guò)電磁兼容的整機(jī)測(cè)試.ECE材料測(cè)試要求測(cè)試電阻和體積電阻率：屏蔽效能：熱老化試驗(yàn)扯斷后電阻測(cè)試

振動(dòng)過(guò)程中和振動(dòng)后的電阻

EMP環(huán)境測(cè)試

電化學(xué)腐蝕抗溶劑試驗(yàn)

抗輻射,生物,化學(xué)侵蝕性能普通物理性能，這些物理性能屬于橡膠材料的常規(guī)性能測(cè)試比重

邵氏硬度

抗拉強(qiáng)度斷裂伸長(zhǎng)率

撕裂強(qiáng)度

壓縮永久變形

最高使用溫度

最低使用溫度

壓縮/撓曲性能

屏蔽效能和材料的體積電阻率：EMI墊片的突出特性就是屏蔽效能，直接測(cè)量屏蔽效能的方法與直流電阻方法相比（如體電阻系數(shù)測(cè)量）是非常復(fù)雜的。屏蔽效能測(cè)試一般要求專(zhuān)業(yè)人員操作住在專(zhuān)業(yè)設(shè)備和各種相當(dāng)昂貴的儀器，出于這個(gè)原因，體電阻系數(shù)作為一種直流電阻測(cè)量是間接測(cè)量電磁干擾屏蔽效能的通用方法。然而，對(duì)無(wú)線(xiàn)技術(shù)中常用的高頻，直流電阻系數(shù)與屏蔽效能的關(guān)系并不是直接的，屏蔽效能還依賴(lài)于填充導(dǎo)電顆粒的成分，形狀，填充量等，如鎳類(lèi)導(dǎo)電粉的鐵磁性對(duì)屏蔽效能是有利的，尤其是對(duì)于低頻段。屏蔽效能還依賴(lài)于襯墊的形狀，而直流電阻卻不是。屏蔽效能和直流電阻率的關(guān)系：隨著體電阻系數(shù)的增加，屏蔽效能逐漸下降，且體電阻系數(shù)超過(guò)1歐姆-厘米時(shí)有陡峭的下降，EMI屏蔽用導(dǎo)電橡膠的體電阻率從0.01到0.1屏蔽效能將從130DB下降到85DB。在1000MHZ要比20MHZ下降更劇烈。導(dǎo)電是屏蔽的必要條件電導(dǎo)率和電阻率一般來(lái)說(shuō),電導(dǎo)是電阻的倒數(shù)電導(dǎo)的符號(hào)是Sigma“s”

單位是Siemens(s)電阻的符號(hào)是“R”單位是Ohm(W)R=1/s總電阻是界面接觸電阻和材料本體電阻的總合,我們需要降低總體電阻測(cè)試電阻和體積電阻率：電阻率:Resistivity,表征材料導(dǎo)電性能的物理量,單位是Ω.m(Ω.cm)體積電阻Rv和體積電阻率ρv：

在兩電極間嵌入一試樣，使它們很好地接觸。施于兩電極上的直流電壓與流過(guò)試樣體積內(nèi)的電流之比，稱(chēng)為體積電阻Rv。由Rv及電極和試樣尺寸算出1cm3材料，兩對(duì)面間的電阻稱(chēng)為體積電阻率。體積電阻率（Volumeresistivity）,表征物體內(nèi)導(dǎo)電性能的物理量,它是單位橫截面積、單位長(zhǎng)度上材料的電阻值，單位Ω.m(Ω.cm)板狀試樣體積電阻率公式：

ρv＝RvS/d(Ω.cm)式中:S─測(cè)量電極面積（cm2）；

d─試樣厚度（cm）

Rv─體積電阻（Ω）（從電阻計(jì)上讀出）表面電阻Rs和表面電阻率ρs。

在試樣的一個(gè)面上，放置兩電極，施于兩電極間的直流電壓與沿兩電極間試樣表面層上的電流之比，稱(chēng)為表面電阻Rs。由Rs及表面上電極（上電極和環(huán)電極）尺寸，算出1cm2材料表面所具有的電阻（Ω），稱(chēng)為表面電阻率。表面電阻率:（surfaceresistivity,

表征物體表面導(dǎo)電性能的物理量,它是正方形材料兩對(duì)邊的電阻值,它與物體厚度及正方形大小無(wú)關(guān),單位Ω板狀試樣表面電阻率公式：

ρs＝2πRS/ln(D2/D1)式中：π─3.1416

Rs─表面電阻（Ω）（從電阻計(jì)上測(cè)出）

D1─測(cè)量電極直徑（cm）；

D2─環(huán)電極內(nèi)徑（cm）可能影響測(cè)量的因素

1、樣品測(cè)量時(shí)的溫濕度2、極化電流3、靜電荷的影響

LAClipsLASurfaceProbeAd,diameterPressureProbethickness電阻測(cè)試電極示例MIL-83528B中表面探針?lè)y(cè)體電阻系數(shù)體電阻測(cè)試采用MIL-83528B中表面探針?lè)y(cè)體電阻系數(shù)。設(shè)備：毫歐表，量程104-10-5，讀書(shū)精度為±0.02%橡膠厚度計(jì)鍍銀或金電極，接觸面積為0.25平方英寸，200-240克試樣：寬0.5in，長(zhǎng)3in，厚0.055-0.12in測(cè)試方法：測(cè)量接觸點(diǎn)處橡膠的厚度被測(cè)材料必須足夠大，能與整個(gè)電極充分接觸在電極接觸面積上施加100PSI的壓力保持壓力接觸30秒計(jì)算方法：ρ=RA/LΡ:體積電阻率（OHM-CM）

R：表觀(guān)電阻

A：兩電極之間的最小橫截面積

L：兩電極之間的長(zhǎng)度（1或1/2in）MIL-83528B中的測(cè)試電極歐姆表和電極屏蔽效能：屏蔽效能：同軸測(cè)試設(shè)備用于測(cè)試EMI襯墊材料的屏蔽特性已經(jīng)有很多年的歷史了，SAEARP1705和ASTMD4935是兩種通用的使用同軸設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。同軸設(shè)計(jì)要求測(cè)試單元內(nèi)的環(huán)形樣品襯墊和導(dǎo)體之間有良好的電接觸。測(cè)得的屏蔽特性受測(cè)試單元導(dǎo)體和測(cè)試樣件的表面特性的影響。因此同軸測(cè)試設(shè)備測(cè)得的是大塊樣品和電接觸界面的組合特性。測(cè)試襯墊與大塊材料一樣有很好的屏蔽效能，但表面的導(dǎo)電性較差，在通州測(cè)試設(shè)備中淤積性能會(huì)較差，因此，很難評(píng)估一種材料的整塊屏蔽特性。而且，通州的測(cè)試方法是假定測(cè)試樣件與50歐姆參考阻抗相比非常小，所以，測(cè)試樣件的阻抗評(píng)估精度就有問(wèn)題了。建立一種真正有效的測(cè)試方法是：使測(cè)試的平面材料的屏蔽效能與樣品和測(cè)試設(shè)備間的接觸電阻無(wú)關(guān)，也就是避免了材料表面特性的干擾，同時(shí)不需要電器接口的整塊平面材料。設(shè)計(jì)思想是在一個(gè)自由空間的環(huán)境中在一個(gè)測(cè)試樣片的一面發(fā)射微波信號(hào)，在另一面用接收天線(xiàn)測(cè)試信號(hào)的屏蔽。類(lèi)似的方法被用在了MIL-STD-285測(cè)試中來(lái)評(píng)估屏蔽罩。實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，真正的自由空間測(cè)試要求在距測(cè)試樣件至少0.5米的地方安裝方向性天線(xiàn)，從而使2.45GHZ（波長(zhǎng)12.25厘米）的入射電磁波為平面波，其極化方向與材料/空氣界面平行。為了避免衍射效應(yīng)，評(píng)比材料的樣件的尺寸需要至少1平方米。MIL-DTL-83528C中，測(cè)試方法是：在屏蔽暗室一側(cè)開(kāi)一個(gè)窗口，安裝24*24英寸的導(dǎo)電橡膠片，在暗室外面距暗室的窗口39.4in的地方安裝一個(gè)喇叭形定向發(fā)射天線(xiàn)，用于發(fā)射：0.02-0.2GHz（1000WATTS（+60DBM）

0.2-1.0GHZ（250WATTS（+54DBM）

1.0-10GHZ（20WATTS（+46DBM）的定向平面波。在暗室內(nèi)部距窗口39.4in的地方安裝一個(gè)喇叭形的定向接收天線(xiàn)，同時(shí)將接收到的信號(hào)傳送給微波接收機(jī)，并提供給網(wǎng)絡(luò)分析儀，直接做出屏蔽效能曲線(xiàn)。這樣看來(lái)，這套測(cè)試設(shè)備比較龐大復(fù)雜，而且需要至少26*26=676平方英寸的大橡膠片，設(shè)備和測(cè)試都有一定難度。MIL-DTL-83528C中的屏蔽效能測(cè)試方法準(zhǔn)自由空間法測(cè)試另外一種測(cè)試方法是準(zhǔn)自由空間測(cè)試，其目的是適應(yīng)一種15CM的小樣件，該方法是基于一種閉合金屬波導(dǎo)的測(cè)試設(shè)備，波導(dǎo)一端的輻射口徑與樣件相仿。置于波導(dǎo)內(nèi)部的發(fā)射天線(xiàn)通過(guò)一個(gè)跟蹤發(fā)生器和功放產(chǎn)生一個(gè)2.45GHZ的信號(hào)。從口徑輻射出來(lái)的信號(hào)經(jīng)樣品后被波導(dǎo)接收天線(xiàn)收集到。接收到的信號(hào)送入頻譜儀。因?yàn)闇y(cè)試樣件通過(guò)波導(dǎo)與天線(xiàn)耦合，所以叫做準(zhǔn)自由空間（QFS）測(cè)試裝備。

其他改進(jìn)型測(cè)試方法和制具

發(fā)射天線(xiàn)接收天線(xiàn)測(cè)試樣品鍍金的銅質(zhì)測(cè)試制具測(cè)試設(shè)備放在非導(dǎo)電桌面上,并在開(kāi)放空間進(jìn)行信號(hào)發(fā)生器和網(wǎng)絡(luò)分析儀值得一提的是ECE比金屬質(zhì)指形彈簧具有更好的電磁屏蔽性能,如ECE85iECE和焊接的金屬質(zhì)指形彈簧電磁屏蔽性能比較屏蔽材料屏蔽效能的理論計(jì)算公式對(duì)于任何電磁干擾，屏蔽作用由三種機(jī)理構(gòu)成。入射波的一部分在屏蔽體的前表面反射，另一部分被吸收，還有一部分在后表面反射，如圖所示。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吸收損耗的計(jì)算公式如下：

A=1.13t√μrfσr式中：t--屏蔽厚度，cm;

μr-屏蔽材料的相對(duì)導(dǎo)磁率；

σr-屏蔽材料的相對(duì)導(dǎo)電率；

f--頻率，Hz。由于吸收主要由屏蔽厚度產(chǎn)生的，吸收因子對(duì)所有類(lèi)型的電磁波都一樣，與近場(chǎng)還是遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)關(guān)。以下是計(jì)算平面后反射損耗的公式，等于電場(chǎng)波和磁場(chǎng)波有類(lèi)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，僅當(dāng)屏蔽層很薄或頻率低于20KHz時(shí)，B才是重要的。在設(shè)計(jì)磁屏蔽時(shí)，特別是14KHz以下時(shí)，除了吸收損耗外，其它因素都可以忽略。同樣，在設(shè)計(jì)電場(chǎng)或平面波屏蔽時(shí)，只考慮反射因子。

圖2屏蔽對(duì)電磁干擾的衰減老化試驗(yàn)老化Aging

:

性能隨時(shí)間延續(xù)而降低的特性加速老化:材料生產(chǎn)出來(lái)后,放進(jìn)烘箱加熱,得到一個(gè)平穩(wěn)的曲線(xiàn)區(qū)域老化的影響因素及導(dǎo)電穩(wěn)定性影響老化速度的因素:Aging（老化）:取決于環(huán)境條件。高溫，光照，硫化物的存在會(huì)加快老化速度。在ECE使用之前的包裝和儲(chǔ)存條件（如低溫和避光）對(duì)保持材料的性能是非常重要的。

導(dǎo)電穩(wěn)定性：導(dǎo)電橡膠材料的導(dǎo)電是靠?jī)?nèi)部導(dǎo)電粒子的彼此接觸，因此不同于金屬的穩(wěn)定導(dǎo)通，環(huán)境溫度、濕度的變化，化學(xué)侵蝕,機(jī)械振動(dòng)、壓縮、拉伸、扭曲等都有可能引起電阻率的波動(dòng)，另外，橡膠材料的松弛效應(yīng)等也可能引起導(dǎo)電橡膠材料長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中電阻率的變化，電場(chǎng)作用、電磁脈沖環(huán)境等也會(huì)對(duì)電阻率有一定的影響，金屬銀不容易表面氧化，但是在氧氣，水和微酸性環(huán)境下，也會(huì)發(fā)生銀遷移現(xiàn)象，也可能對(duì)導(dǎo)電性有影響。導(dǎo)電穩(wěn)定性測(cè)試的一種方法是熱老化試驗(yàn)后，測(cè)試其電阻變化。此外，對(duì)于燃料油環(huán)境和海上工作設(shè)備，還需要鹽霧試驗(yàn)。

MIL-83528C中的熱老化試驗(yàn)MethodA準(zhǔn)備一個(gè)厚度為0.060inch到0.12inch,直徑為0.564inch的圓形樣品,并在溫度為23+/-5oC(73+/-9oF)相對(duì)濕度為45%-75%的條件下放置至少3小時(shí)測(cè)試材料樣品初始電阻樣品上下表面襯上0.002in厚的聚酯薄膜,使用金屬法蘭夾住樣品壓力為50Lb/in2并控制樣品的變形量為7%將夾具和樣品放進(jìn)烘箱在最高使用溫度下加熱1000小時(shí)取出夾具,卸下樣品,讓樣品在室溫下冷卻1小時(shí)在異丙醇里漂洗樣品,并至少干燥1小時(shí)重新測(cè)試試樣電阻MethodB準(zhǔn)備一個(gè)厚度為0.060inch到0.12inch,長(zhǎng)為5inch寬為3in的條形樣品,并在溫度為23+/-5oC(73+/-9oF)相對(duì)濕度為45%-75%的條件下放置至少3小時(shí)測(cè)試樣品初始電阻

用金屬絲將樣品掛在烘箱中,在最高使用溫度的1.25倍的溫度條件下加熱48小時(shí)取出樣品冷卻到室溫用異丙醇清洗樣品并干燥1小時(shí)重新測(cè)試材料電阻變化百分比的計(jì)算: R1-RFx100 R1扯斷后電阻測(cè)試導(dǎo)電橡膠在外力作用下或作用后會(huì)引起導(dǎo)電填充粒子的位移或剝離松弛，這就會(huì)造成一定程度的電阻不穩(wěn)定，MIL-83528C規(guī)定按照ASTM-D412拉伸測(cè)試后的啞鈴型試片（已經(jīng)拉斷），等扯斷后30分鐘時(shí)，取中間窄的部分（0.06-0.12in厚）作為樣品，測(cè)試并記錄材料的體積電阻率。振動(dòng)過(guò)程中和振動(dòng)后的電阻導(dǎo)電橡膠材料在正東過(guò)程中的導(dǎo)電穩(wěn)定性可以通過(guò)一個(gè)特制的電阻測(cè)試裝置和如下步驟進(jìn)行：1，準(zhǔn)備一個(gè)矩形環(huán)狀樣品，長(zhǎng)2.75in寬3.75in環(huán)的每一邊的寬度均為0.15in，厚度為0.062in，將樣品安裝在一個(gè)鋁制法蘭和一個(gè)鋁制蓋板之間，并蓋板施加一個(gè)力使被測(cè)橡膠墊偏壓縮變形5-10%，在測(cè)試過(guò)程中這些變形必須保持，2，將測(cè)試裝置固定在一個(gè)振動(dòng)器上，讓被測(cè)試片的平面與振動(dòng)器的動(dòng)力軸方向平行，動(dòng)力軸可以豎直安裝3，用毫歐表測(cè)量治具的電阻和制具與橡膠墊片的電阻，二者之差就是待測(cè)試片的電阻4，改變不同諧振頻率進(jìn)行測(cè)試并記錄電阻值，停止振動(dòng)，靜置30秒，測(cè)量和記錄靜止?fàn)顟B(tài)的電阻值，作為震動(dòng)后的電阻結(jié)果。取每一個(gè)測(cè)試條件下的最大電阻值。作為測(cè)試結(jié)果。振動(dòng)過(guò)程中和振動(dòng)后的電阻EMP環(huán)境測(cè)試通過(guò)如下的設(shè)備樣品和方法可以進(jìn)行抗電磁脈沖性能設(shè)備：交變電磁脈沖電流模擬器，調(diào)制的脈沖電子束加速器或電容放電脈沖發(fā)生器，或其他等效裝置，能驅(qū)動(dòng)0.9千安培的阻尼正弦電流脈沖，電流頻率在1-1.5千赫，阻尼衰減時(shí)間為分別500-1300納秒。電流監(jiān)視器帶有照相裝置和具有高速數(shù)據(jù)捕捉功能的示波器，用來(lái)記錄通過(guò)墊片的電流脈沖四探針電阻測(cè)試器，用來(lái)測(cè)試測(cè)試前和測(cè)試后的材料的體積電阻率。樣品和樣品制備橫截面形狀為矩形的圓形墊圈，墊圈直徑為3.0英寸，橫截面寬度為0.070英寸，厚度為0.062英寸，樣品可以用橡膠片經(jīng)模切制成。將待測(cè)墊片夾在兩片干凈的鍍錫鋁板之間，用絕緣緊固件給夾具施加一定的力，使壓縮量為10%在測(cè)量過(guò)程中，夾具不允許松弛。測(cè)試方法：將墊片安放在脈沖發(fā)生器上，模擬脈沖電流為9千安培，1-1.5MHZ，衰減時(shí)間為500-1300納秒，通過(guò)的電流脈沖被快速示波器記錄下來(lái)脈沖實(shí)驗(yàn)完成后，不拆卸墊片，測(cè)試電阻如果測(cè)試電阻沒(méi)有超過(guò)EMP實(shí)驗(yàn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，就認(rèn)為該墊片能承受0.9KA/IN的電磁脈沖環(huán)境。電化學(xué)腐蝕腐蝕是一種自然現(xiàn)象,它使材料從不穩(wěn)定狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化,因?yàn)椴煌N類(lèi)金屬的存在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),所以也叫電偶腐蝕或電化學(xué)腐蝕發(fā)生電化學(xué)腐蝕的條件:形成電偶得兩種金屬必須是不同種類(lèi)的金屬,兩種金屬需要接觸,需要有電解液的存在卓越的抗電化學(xué)腐蝕性能的材料滿(mǎn)足航天等特殊環(huán)境的應(yīng)用,所有飛行器都需要在極端環(huán)境下工作,比如客戶(hù)需要一種材料在腐蝕試驗(yàn)結(jié)束后,鋁的失重率<

3.5mg,電阻率保持在15mohm-cm以下

金屬電偶失重率EcE電化學(xué)腐蝕性能EcE50腐蝕試驗(yàn)Galvaniccorrosiontestinginaccordancewith(IAW)MissileSpecificationMIS?47057EcE50CorrosionTestingEcECorrosionPerformance比重

23攝氏度時(shí)，材料在空氣中的質(zhì)量/材料在蒸餾水中的質(zhì)量.表征導(dǎo)電橡膠材料的密度或比重，反映了導(dǎo)電橡膠中金屬填料的種類(lèi)和添加量，以及氣孔率和交聯(lián)程度，硫化狀況等。測(cè)試方法按照ASTM-D792-00,隨導(dǎo)電填料的種類(lèi)不同,ECE的密度從1.8到4.0之間變化.邵氏硬度

表征硫化橡膠的硬度，硬度主要由混煉膠中補(bǔ)強(qiáng)填料白炭黑的種類(lèi)和添加量決定，也取決于導(dǎo)電填料的多少，白炭黑添加量增大,硬度變大,同時(shí)形變量和斷裂伸長(zhǎng)率會(huì)變小.此外還和交聯(lián)情況有關(guān)，交聯(lián)密度增加,使邵氏硬度增大,但是,斷裂伸長(zhǎng)率會(huì)變小.二段硫化后硬度要比二段硫化前增加十幾個(gè)單位。樣品厚度至少要0.25英寸,樣品需要在23+/-5oC(73+/-9oF)和相對(duì)濕度為

45%-75%

的條件下靜置3小時(shí)以上.Durometer硬度計(jì)10softerSponge30softSilicone50mediumNeoprene（氯丁橡膠）80harderTyre100hardNotcompressible軟的彈性體材料需要很小的鎖緊力就可以密封.硬的彈性體材料可以承受更大的鎖緊壓力.抗拉強(qiáng)度

Tensilestrength抗拉強(qiáng)度:以一定的速度拉伸橡膠試片，拉斷時(shí)的應(yīng)力單位Tension/area,用PSI(poundpersquareinch)或MPa表示.1PSI=6,850kPa=0.00685MPaSampleGrippersAlignmentPincers斷裂伸長(zhǎng)率

Elongationtobreak（斷裂伸長(zhǎng)率）:以一定的速度拉伸試片，拉斷時(shí)試片的伸長(zhǎng)量占試片原長(zhǎng)的百分比.撕裂強(qiáng)度

Tearstrength(抗撕裂強(qiáng)度)導(dǎo)電橡膠的撕裂是在機(jī)械力破壞過(guò)程中產(chǎn)生和進(jìn)