基于四探针法 | 测定钛基复合材料的电导率

 

钛基金属复合材料因其优异的力学性能、轻质高强、耐高温和耐磨性，在航空航天领域具有广阔的应用前景。与纯金属不同，Ti 基复合材料的电导率受微观结构、制备工艺及几何形态影响显著。Xfilm埃利四探针通过分离电流与电压测量路径，可有效消除接触电阻，结合几何修正与环境控制，成为 Ti 基复合材料电导率测定的理想技术。下文将系统阐述基于四探针法的钛基复合材料电导率测定方法与实验装置开发。

 

四探针法是一种广泛应用于高导电材料电阻率测量的方法。其基本原理如下：

使用四个排列在一条直线上的探针接触样品表面；

外侧两个探针通入恒定电流；

内侧两个探针测量电势差；

通过电压与电流的比值计算电阻，进而得到电阻率和电导率。

该方法能有效消除探针与样品接触电阻的影响，提高测量精度。

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电导率测量装置的三维模型

为适应钛基复合材料圆柱状样品（直径约10 mm，厚度约5–6 mm）的测量需求，研究设计的电导率测量系统主要包括：

四探针系统：采用弹簧加载的金包覆钢探针，探针间距为2 mm，确保接触压力均匀；

样品夹具：可调节的样品座，适用于不同直径（7–11 mm）和厚度（4–20 mm）的样品；

温控系统：集成帕尔贴模块，可在–55°C至83°C范围内控制样品温度；

自动化控制：通过Arduino控制液压缸实现探针的平稳接触，避免因样品表面粗糙导致的探针损坏；

测量设备：使用Keithley 2614b源表进行脉冲电流激励和电压测量，支持四线制测量模式。

 

 

采用四探针法的共线电位图

为验证四探针测量方法的准确性，研究使用COMSOL软件对纯钛样品进行了电学-结构耦合仿真。仿真结果表明：

未经几何修正的电阻率计算值误差较大（约24%）；

引入厚度与侧向尺寸修正因子 F1F1和F2F2后，四探针测量误差降至10%以内；

修正后的电阻率公式为：

 

 

通过仿真分析发现：

当单个探针接触力低于8 N时，电阻率测量值显著偏离真实值；

当接触力达到8 N以上时，测量结果趋于稳定，与理想接触状态一致；

实际探针尖端半径较小（0.02 mm），所需接触力可能更低，但需实验进一步验证。

本研究成功设计并验证了一套适用于钛基复合材料电导率测量的四探针实验系统。通过仿真与实验结合，明确了几何修正与接触力对测量结果的重要性。

采用四探针法测量了六种不同成分的钛基复合材料样品，得出结论：

钛基复合材料的电导率低于纯钛，与微观结构（孔隙、相组成）有关。

温度升高时，钛基复合材料的电阻率下降，与铜样品行为相反；

N7 样品与Ti₃AlC₂的电阻率最为接近，仅相差 1.2 倍。

 

 

Xfilm埃利四探针方阻仪用于测量薄层电阻（方阻）或电阻率，可以对最大230mm 样品进行快速、自动的扫描， 获得样品不同位置的方阻/电阻率分布信息。

超高测量范围，测量1mΩ~100MΩ

高精密测量，动态重复性可达0.2%

全自动多点扫描，多种预设方案亦可自定义调节

快速材料表征，可自动执行校正因子计算

本文使用基于四探针法的Xfilm埃利四探针方阻仪，凭借智能化与高精度的电导率测量优势，助力钛基复合材料的电导率测定，推动电子器件领域的材料检测技术升级。

 

#四探针 #电导率测量 #方阻测量 #表面电阻测量

原文参考：《Development of Determination Methodology of Electrical Conductivity of Titanium-Based Composites》

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