绝缘材料电阻率测试电极的类型配置
绝缘材料电阻率测试常用电极：类型、配置与选用要点
绝缘材料的电阻率很高，体积电阻率常在 1012 Ω·m 以上，测试时需在施加直流电压 的条件下测量 pA 至 nA 量级的微弱电流。电流越小，电极接触质量、屏蔽效果和几何配置对结果的影响就越明显，因此电极系统是绝缘电阻率测试中需要重点控制的环节。本文围绕三电极系统的组成、常用电极类型、体积与表面电阻率的配置差异以及电极的选用与使用要点展开说明。
一、为什么需要用电极
绝缘材料电阻极大、通过的电流极小，电极与试样接触不良、环境湿气、表面污染、边缘漏电等都会带来明显干扰，使测量结果偏离真实值。同时，体积电流与表面电流需要分开考核，用普通夹持电极无法把两者区分开。因此测试通常采用三电极系统：通过保护电极把边缘与表面杂散电流旁路掉，只让目标电流进入测量回路，从而分别得到体积电阻率与表面电阻率。
二、三电极系统的组成与作用
三电极系统由三个电极协同工作，各自的分工如下。
一是被保护电极（测量电极）。它与高阻计的电流测量端相连，用于收集穿过试样本体或沿表面流动的目标电流，是测量回路的取样电极。
二是保护电极。它与测量电极同心布置并保持同电位（通常接地），拦截并旁路边缘与表面的杂散电流，防止其进入测量回路，这是三电极系统能够区分体积、表面两种电流的关键。
三是不保护电极（对电极）。测体积电阻率时作为底（下）电极设在试样另一侧，测表面电阻率时作为环电极设在同面的外侧，与测量电极共同构成电流回路。
图 1 给出三电极系统的剖面与两种电流路径，图 2 给出俯视方向的同心圆布局：测量电极、保护电极、环电极由内向外依次排列。电极之间的间隙应保持均匀，间隙过小易造成表面爬电与加工困难，过大则边缘效应增强，工程上常见的*小间隙在 1 mm 量级，具体尺寸以所用标准与电极规格为准。
图1 三电极系统剖面与体积、表面电流路径
图2 三电极系统俯视布局（同心圆）
三、常用电极类型及适用场合
按试样形态、测试对象和是否便于加压，可根据需要选择不同类型的电极，见表 1。
表1 绝缘材料电阻率测试常用电极类型
电极类型 | 结构 / 形式 | 适用试样与测试对象 | 常用材料 | 选用提示 |
同心圆环（三电极） | 测量电极 + 保护电极 + 环电极 | 平板、片材，测 ρv 与 ρs | 不锈钢、黄铜 | 标配方案，几何尺寸确定后计算*规范 |
平板金属电极 | 上下两块平板夹持试样 | 柔软、可压缩材料（橡胶、薄膜叠层） | 铜、铝、黄铜 | 靠压力建立可靠接触，需控制压强 |
平行条形电极 | 两根平行条形电极 | 薄片、带材的表面电阻率 | 铜、黄铜 | 条宽与间距须，用于 ρs |
导电橡胶电极 | 片状导电橡胶贴合试样 | 曲面、异形件及不便加压的试样 | 导电硅橡胶 | 柔软贴合、装卸方便，须定期检查老化 |
金属箔 / 导电漆电极 | 铝箔粘贴或银浆涂覆 | 软质片材、管材、规则曲面 | 铝箔、银浆 | 适合无法夹持的试样，须均匀、无气泡 |
接线柱 / 锥形销电极 | 凸起接线柱或锥形销 | 刚性绝缘材料、模拟实际接线状态 | 黄铜、不锈钢 | 接触面小，仅用于特定产品试验 |
液体金属电极 | 液态金属围成电极区 | 扁平实心试样（现已较少使用） | 液态金属 | 接触充分但操作不便，注意密封与安全 |
图 3 给出其中四类常用电极（平板、平行条形、接线柱、导电橡胶）的结构示意，可以看出不同电极的加压方式与接触形式差别较大，选用时需与试样形态匹配。
图3 常用电极类型示意
四、体积与表面电阻率的电极配置差异
测量体积电阻率与表面电阻率时，电极的接法、电流路径和保护电极的作用都不相同，两者的对应关系见表 2。
表2 体积电阻率与表面电阻率的电极配置对比
对比项目 | 体积电阻率 ρv | 表面电阻率 ρs |
电流路径 | 垂直穿过试样本体 | 沿试样表面横向流动 |
参与电极 | 测量电极、保护电极、底（对侧）电极 | 测量电极、保护电极、环电极（同面） |
测量电极接法 | 上测量电极接高阻计电流输入端 | 测量电极接高阻计电流输入端 |
对侧／同面电极 | 底电极接电源侧（对侧） | 环电极接电源侧（同面） |
保护电极作用 | 旁路表面漏电，仅让体积电流进入测量回路 | 旁路本体电流，仅让表面电流进入测量回路 |
计算式 | ρv = Rv·A/t | ρs = Rs·p/g |
几何量含义 | A 为测量电极有效面积，t 为试样厚度 | p 为环电极内周长，g 为电极间隙宽度 |
五、电极材料与技术要求
电极材料应导电良好、性能稳定且不污染试样；与试样接触的表面应平整、清洁。常用电极材料及其特点见表 3。
表3 常用电极材料及注意事项
电极材料 | 主要特点 | 适用场合 | 注意事项 |
不锈钢 | 硬度高、耐腐蚀、易清洁 | 同心圆环、平板电极 | 与试样贴合面应平整、无毛刺 |
黄铜 | 导电性好、易加工 | 条形、接线柱、平板电极 | 表面易氧化，需定期清洁 |
铜 / 铝箔 | 柔软、随形贴合 | 软质片材、管材表面 | 粘贴须均匀，避免褶皱与气泡 |
银浆（导电漆） | 可涂覆成任意形状 | 规则曲面、异形试样 | 涂覆均匀并充分干燥后再测量 |
导电硅橡胶 | 弹性好、可重复使用 | 曲面、异形件、需加压贴合 | 体积电阻率应足够低，老化后及时更换 |
液态金属 | 与试样接触充分 | 扁平实心试样 | 注意密封、防泄漏，操作需谨慎 |
除材料本身外，电极还需满足以下技术要求。
一是接触良好。电极与试样应紧密贴合，接触电阻应远小于试样的电阻，否则接触电阻会串入测量结果。使用导电橡胶等软质电极时，可通过施加适当压力（约 2 kPa 量级）改善贴合。
二是材料电阻率足够低。以导电橡胶电极为例，其体积电阻率通常要求不大于 1000 Ω·cm，并应保持柔软与弹性，使用一段时间后需检查是否老化、变形或污染。
三是几何尺寸准确。测量电极的有效面积、环电极内径与电极间隙宽度都会直接代入 ρv、ρs 的计算式，尺寸偏差会按比例影响结果，因此电极应定期，加工与装配时也应控制好同心度。
四是屏蔽与接地合适。保护电极、屏蔽箱与电缆屏蔽层应按仪器应接地，避开空间干扰和表面泄漏电流进入测量回路。
六、装配与使用
一是试样准备。试样表面应清洁、干燥、无油污与粉尘，尺寸应大于电极外形，并按要求在的温湿度下进行状态调节。
二是安装与加压。放置试样时应避开折皱、气泡与偏心，需要加压的电极应使压力均匀分布，同一批对比试验保持压力一致。
三是间隙与边缘。保护电极与测量电极之间的间隙应均匀一致，试样边缘与环电极之间留出足够距离，减少边缘电场畸变带来的误差。
四是环境控制。测量应在规定的温度、相对湿度下进行，使用屏蔽箱或干燥环境，以制表面吸湿造成的电阻率下降。
五是读数时机。施加直流电压后应待电流趋于稳定再读数，并记录电化时间，使不同批次数据具有可比性。
七、参考与结
电极的型式、尺寸与接线方式在各标准中都有相应规定，测试时应按测试对象选择对应标准：体积电阻率按 GB/T 31838.2-2019（对应 IEC 62631-3-1），表面电阻率按 GB/T 31838.3-2019（对应 IEC 62631-3-2），绝缘电阻按 GB/T 31838.4-2019
绝缘材料体积电阻率与表面电阻率的测试以三电极系统为核心：保护电极负责旁路杂散电流，测量电极负责收集目标电流，对电极（底电极或环电极）负责构成回路。按试样形态选用同心圆环、平板、平行条形、导电橡胶、金属箔或接线柱等电极，并做到接触合适、尺寸准确、间隙均匀、环境受控，才能分别测得的 ρv 与 ρs。
