绝缘材料又称电介质，其电阻率，包括体积电阻率和表面电阻率，是表征其绝缘性能的常用参数。许多非金属矿物具有良好的绝缘性能，在聚合物绝缘材料中采用非金属矿物粉体作填料不仅能降低成本，而且还能提高力学性能和热稳定性，减少收缩，在绝缘材料体系中发挥着不可替代的重要作用。
目前，对于致密固体块状材料电阻率的测试方法相对比较成熟。但矿物粉体和其它粉体材料电阻率的测试方法至今还是一个难题，主要原因是: ①粉体的表观电阻率不仅与粉体自身电阻率有关，而且还受到颗粒的接触状态、充填压力和空气等多种因素的影响; ②一些矿物粉体的电阻率不能由同一物质致密块状样品的电阻率来表征，比如白云母片的体积电阻率ρV在垂直于解离面的方向上为1013~1015 Ω·cm，比平行于解离面方向的( 108~1010Ω·cm) 大几个数量级; ③一些粘土矿物，如膨润土等，难以获得致密块状样品。
因此，研究和探索一种用于测试表征矿物粉体电阻率的方法，对于矿物绝缘性能研究，矿物材料开发利用，提高聚合物绝缘材料的综合性能，以及研制新型电绝缘材料都具有十分重要的意义。本工作根据粉体压坯样品中粉体与空气的分布规律建立理论模型并结合广义有效媒质方程( GEM) 推导得出了粉体体积电阻率的计算公式。
以微晶白云母为例，将矿物粉体样品电阻率测试结果与同一矿物致密块状样进行对比分析，获得了比较一致的实验结果，为矿物粉体和其它粉体材料电阻率的测试分析提供了新的理论和方法。
1 实验
实验样品: 微晶白云母，产自川西下震旦系开建桥组地层中，呈层状或似层状产出，由沉凝灰岩经沉积成岩作用或后期热液蚀变改造而成，矿石按照岩石类型可分为白云母岩、含石英白云母岩和石英白云母岩三种。本次工作采用的含石英白云母岩样品( WB01、WB03) 和白云母岩样品( WB02) 。
矿物粉体样品制备方法: ①分别将3 个样品在玛瑙乳钵中研磨至2 μm 左右; ②称取1. 5 g 粉体并加入适量蒸馏水做粘结剂，混匀后放入压片模具中压制成直径18 mm，厚约3 mm 的粉体压坯; ③将粉体压坯放入干燥箱中在110 ℃下干燥48 h 后密封冷却至室温待测。矿物致密块状样品制备方法: 将样品切割加工成与粉体样品完全相同的尺寸( 直径18 mm，厚约3 mm) ，然后对其表面抛光并干燥后待测。采用上海精密科学仪器仪表有限公司生产的PC68 型数字高阻计和自制测量电极，按照GB /T 1410-2006 分别测试粉体压坯样品和致密块状样品的体积电阻率和表面电阻率。测试条件: 温度t = 18 ℃，相对湿度RH = 68%，施加电压U = 100 V，所有数据均为3 次测试结果的平均值。
2 结果与讨论
2. 1 体积电阻率的确定
在粉体模压成形过程中，由于粉体颗粒之间的机械搭架使得粉体压坯中存在大量空隙，经过干燥处理后的粉体压坯可以看成是粉体颗粒和空气组成的二元复合系统，大量的粉体颗粒以点接触排列。于是粉体压坯的表观体积电租率ρT可以用广义有效媒质方程( GEM) 表示为: ρT-n =fρG-n + ( 1-f) ρP-n (李言荣和恽正中, 1999) 。其中f为孔隙率; ρG为空气体积电阻率( 1018 Ω·cm,李春胜和黄德彬,2006) ; ρP为粉体体积电阻率; n为结构因子，由空气在粉体压坯中的分布状态决定，当n = -1 时，相当于图1a 所示的串联状态; 当n = 1 时相当于图1b 所示的并联状态。可以近似认为空气在粉体压坯中均匀分散，其理论微观结构模型相当于如图1c 所示的混联模型，即n→0，则将广义有效媒质方程( GEM) 经过数学处理得出粉体体积电阻率的表达式为: ρP = exp[( lnρT -flnρG) /( 1 - f) ]。表1 列出了微晶白云母的体积电阻率的测试与换算结果。
由表1 可知，将粉体压坯表观体积电阻率经过换算得到的粉体样品体积电阻率与致密块状样品的体积电阻率相近，其数值略小于致密块状样品是因为在测试过程中压坯在空气中吸潮，水作为溶剂使颗粒表面处的阳离子溶于水中，这些阳离子在电场的作用下可以在溶液中定向移动，从而降低粉体压坯的表观体积电阻率，导致计算得到的粉体体积电阻率偏小。
  2. 2 表面电阻率的确定
实验分别测试了粉体压坯靠上模冲端面(靠近压杆面) 、靠下模冲端面以及致密块状样品的表面电阻率，结果如表2 所示。对比发现在相同测试条件下，粉体压坯靠上模冲端面的表面电阻率近似等于致密固体原矿的表面电阻率，其原因是粉体压坯是采用单向压制的加压方式成型的，靠上模冲端面颗粒分布密度较大( 熊春林等，2006) ，较接近固体原矿的致密程度。因此，实验证明粉体的表面电阻率可以用粉体压坯靠上模冲端面的表面电阻率来近似表征。
3 结论
采用粉体压片的方法，将粉体压坯样品看成是粉体和空气的混合物，建立空气在压坯中分布的微观结构模型并结合广义有效媒质方程得到粉体体积电阻率的计算公式，将粉体压坯的表观体积电阻率代入公式计算能够较准确地测定矿物粉体的体积电阻率; 由于粉体压坯靠近上模冲端面的颗粒密度分布较大，表面密度接近原矿，因此粉体的表面电阻率可以用粉体压坯靠上模冲端面的表面电阻率来近似表征。
作者：汪灵1，2，李自强1，罗柯1，关淞云1，葛伟1，张浚源1( 1. 成都理工大学材料与化学化工学院，四川成都610059;2. 成都理工大学金刚石薄膜实验室，四川成都610059)
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