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搪瓷放電管介電性能的簡(jiǎn)單測(cè)試比較
黃元生
[摘要]在電阻率、擊穿場(chǎng)強(qiáng)等參數(shù)能夠滿足使用條件的前提下，搪瓷介電體的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗系數(shù)是搪瓷臭氧放電室的研制者和使用這最關(guān)注的兩項(xiàng)參數(shù)。筆者曾對(duì)國(guó)內(nèi)四家企業(yè)生產(chǎn)的六種搪瓷放電管進(jìn)行介質(zhì)損耗系數(shù)tgδ及相對(duì)介電常數(shù)εr測(cè)試，同時(shí)測(cè)試的還有一種國(guó)外知名臭氧企業(yè)生產(chǎn)的搪瓷放電管，另有一種國(guó)產(chǎn)玻璃放電管（內(nèi)鍍導(dǎo)電膜）。由于條件所限，測(cè)試儀器和測(cè)試環(huán)境都很不理想，但筆者認(rèn)為在相同的條件下的得到的測(cè)試結(jié)果，對(duì)搪瓷放電管的研制者和使用者而言還是具有一定的對(duì)比參考價(jià)值，不揣冒昧公之于眾，但愿能拋磚引玉。
[關(guān)鍵字]搪瓷放電管；介電性能；測(cè)試
前言
眾所周知，在介電體屏障放電法（即電暈法）臭氧發(fā)生器中，介電體是最關(guān)鍵的材料。玻璃是傳統(tǒng)的介電材料，迄今在放電室介電材料中仍占有重要的地位，但因其質(zhì)脆易碎，在國(guó)內(nèi)又受加工精度不高，電極形成工藝（常用涂石墨、鍍導(dǎo)電膜等方法）不完善等因素影響，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。近年來陶瓷介電體在臭氧生產(chǎn)中得到了較大的發(fā)展，特別時(shí)采用表面放電法的陶瓷臭氧發(fā)生片在空氣消毒凈化領(lǐng)域占有了相當(dāng)?shù)姆蓊~，但受加工條件、成本等因素的制約，采用氣隙放電法的陶瓷介電臭氧發(fā)生器件開發(fā)還較緩慢。與此同時(shí)，另一種介電材料——搪瓷，以其與生俱來的特點(diǎn)（在金屬基材上涂復(fù)瓷料燒結(jié)而成）可以彌補(bǔ)玻璃、陶瓷等介電材料的某些固有缺點(diǎn)，因而在臭氧界引起了重視，國(guó)際上較先進(jìn)的俄羅斯、瑞士等國(guó)推出了采用搪瓷介電體的大型臭氧發(fā)生器；國(guó)內(nèi)則是由清華大學(xué)吳維韓、李漢忠等指導(dǎo)研究生于1996年研發(fā)出搪瓷介電體臭氧放電室，開創(chuàng)了搪瓷臭氧應(yīng)用之先河。此后搪瓷介電體在國(guó)內(nèi)臭氧界逐步得到推廣，目前如青島國(guó)林、廣州歐眾等企業(yè)形成了一定的搪瓷臭氧放電室的生產(chǎn)能力，并研制了較大型的臭氧發(fā)生器，推進(jìn)了臭氧產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
搪瓷傳統(tǒng)應(yīng)用于日常器皿、廚衛(wèi)潔具、建筑裝飾、化工設(shè)備、醫(yī)用、電工電子（如厚膜電路基板及電熱膜），在這些應(yīng)用領(lǐng)域研究比較深入，工藝也較成熟，但在臭氧行業(yè)應(yīng)用搪瓷則是近幾年的事，高壓電暈放電的特殊應(yīng)用場(chǎng)合與傳統(tǒng)的搪瓷應(yīng)用領(lǐng)域有較大的差別，因而對(duì)其性能由若干特有的要求，如介電常數(shù)、電阻率、擊穿場(chǎng)強(qiáng)、介質(zhì)損耗系數(shù)、基材與瓷材的膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱率等，此外幾何精度也比傳統(tǒng)應(yīng)用提出了高得多的要求。這些性能直接影響臭氧發(fā)生器的效率。然而據(jù)筆者所知，目前國(guó)內(nèi)尚未有科研院所、大專院校等對(duì)此進(jìn)行深入的研究，如何改進(jìn)設(shè)計(jì)、配方及加工制造工藝，提高搪瓷介電體放電室的綜合性能，難于找到成熟的系統(tǒng)的理論依據(jù)和實(shí)用的技術(shù)支持方案，因而搪瓷臭氧放電室研發(fā)生產(chǎn)者多是“摸著石頭過河”，盡管眼下已經(jīng)取得了可喜的成績(jī)，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比尚有相當(dāng)大的差距。
1.搪瓷放電管介電參數(shù)測(cè)試報(bào)告
在電阻率、擊穿場(chǎng)強(qiáng)等參數(shù)能夠滿足使用條件的前提下，搪瓷介電體的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗系數(shù)是搪瓷臭氧放電室的研制者和使用這最關(guān)注的兩項(xiàng)參數(shù)。筆者曾對(duì)國(guó)內(nèi)四家企業(yè)生產(chǎn)的六種搪瓷放電管進(jìn)行介質(zhì)損耗系數(shù)tgδ及相對(duì)介電常數(shù)εr測(cè)試，同時(shí)測(cè)試的還有一種國(guó)外知名臭氧企業(yè)生產(chǎn)的搪瓷放電管，另有一種國(guó)產(chǎn)玻璃放電管（內(nèi)鍍導(dǎo)電膜）。由于條件所限，測(cè)試儀器和測(cè)試環(huán)境都很不理想，但筆者認(rèn)為在相同的條件下的得到的測(cè)試結(jié)果，對(duì)搪瓷放電管的研制者和使用者而言還是具有一定的對(duì)比參考價(jià)值，不揣冒昧公之于眾，但愿能拋磚引玉。以下是測(cè)試報(bào)告摘要：
1.1 測(cè)試時(shí)間：2003/07/02
1.2 測(cè)試環(huán)境：26℃，RH42%
1.3 主要測(cè)試儀器：LCR自動(dòng)測(cè)量?jī)xBD2811
1.4 測(cè)試目的：測(cè)量臭氧放電管得介質(zhì)損耗系數(shù)tgδ及相對(duì)介電常數(shù)εr
1.5
測(cè)試對(duì)象：被測(cè)管號(hào)1、2、3為同一企業(yè)產(chǎn)的三種搪瓷放電管，被測(cè)管號(hào)4、5、6分別為另三家企業(yè)生產(chǎn)的搪瓷放電管，被測(cè)管號(hào)7為國(guó)外企業(yè)產(chǎn)的搪瓷放電管，被測(cè)管號(hào)8位國(guó)產(chǎn)玻璃放電管。
1.6 測(cè)試計(jì)算方法：被測(cè)放電管表面擦凈后緊裹上定寬的鋁箔一圈，盡可能不留氣隙（可用塑料帶纏繞），并引出導(dǎo)線接在LCR自動(dòng)測(cè)量?jī)x的一個(gè)測(cè)試端子上，另一測(cè)試端子用導(dǎo)線接于被測(cè)放電管的管坯金屬基材上，可直接測(cè)出鋁箔與被測(cè)放電管所形成的電容器的電容量C及介質(zhì)損耗系數(shù)tgδ；再根據(jù)被測(cè)放電管的幾何尺寸可計(jì)算出介電體的相對(duì)介電常數(shù)εr。
鋁箔與被測(cè)放電管所形成的電容器的電容量C應(yīng)為C=2πLε/㏑(Da/Db) (1)
上式中L為鋁箔寬度，Da為放電管介電體外徑，Db為放電管介電體內(nèi)徑，ε是被測(cè)管介電體的介電常數(shù)，其值為該介電體的相對(duì)介電常數(shù)εr與真空介電常數(shù)ε0之積，即ε=εr*ε0
（2）
由（1）、（2）式可得εr=C·㏑(Da/Db)/2πLε0
1.7測(cè)試結(jié)果
表1
1.8討論
1.8.1測(cè)試頻率（100Hz、1kHz）及電壓（約2V）與放電管實(shí)際工況相差較大，這是限于現(xiàn)有儀器的條件不得已而為之，因而測(cè)試結(jié)果只能作為比較參考。（2000年曾在清華大學(xué)高壓實(shí)驗(yàn)室測(cè)試過上述放電管中的三支，使用儀器為西林電橋、高壓靜電表及工頻高壓發(fā)生器，電壓1kV時(shí)測(cè)得的εr與本次測(cè)試較接近，而tgδ偏大。）
1.8.2測(cè)試環(huán)境濕度對(duì)測(cè)試結(jié)果影響極大，以7號(hào)被測(cè)管為例：
表2
同一測(cè)管用西林電橋以50Hz、1kV測(cè)試：
表3
 由此可見環(huán)境濕度影響之大，而對(duì)tgδ值的影響尤甚。如有條件應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度下進(jìn)行測(cè)試，至少應(yīng)在相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境條件下測(cè)試。不同的被測(cè)管在相同環(huán)境下測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較才有意義，否則難以相比。
1.8.3
我們過去曾憑經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為國(guó)產(chǎn)玻璃介電常數(shù)較低，介質(zhì)損耗系數(shù)偏大，高頻性能比搪瓷差（以前因便于選材而經(jīng)常使用的化工玻璃確有這些缺陷）。此次測(cè)試中8號(hào)被測(cè)管采用電子行業(yè)用玻璃管作基材，內(nèi)鍍導(dǎo)電膜，測(cè)試結(jié)果εr與搪瓷放電管相近，tgδ值也優(yōu)于多數(shù)國(guó)產(chǎn)搪瓷放電管，由此可見如果選材得當(dāng)，加工工藝和精度能有保證，則玻璃放電管也應(yīng)能與中、高頻電源匹配，組成性能不錯(cuò)的臭氧發(fā)生器。
1.8.4此次測(cè)試中的數(shù)種國(guó)產(chǎn)搪瓷放電管與國(guó)外搪瓷放電管相比，相對(duì)介電常數(shù)相差不大，且有高有低，但介質(zhì)損耗系數(shù)國(guó)產(chǎn)管全都比國(guó)外管差，最好的也大一倍以上，有的超過五倍。實(shí)際組成臭氧發(fā)生器時(shí)tgδ大則發(fā)熱量大，高頻適應(yīng)性差，因此有的國(guó)產(chǎn)搪瓷放電管不得不限制使用頻率。筆者認(rèn)為如何改進(jìn)配方，降低tgδ是搪瓷放電管研制者應(yīng)著重關(guān)注的問題之一。
1.8.5
國(guó)產(chǎn)搪瓷放電管基材坯料普遍較后，直觀印象是較笨重，進(jìn)一步分析坯料厚則熱容量大，且導(dǎo)熱性能較差，不利于介電體散熱，制約了臭氧產(chǎn)率的提高。
1.8.6國(guó)產(chǎn)搪瓷放電管的基材與瓷材的膨脹系數(shù)如何作到盡可能接近，也是搪瓷放電管研制者應(yīng)充分重視的問題。（我們近期使用的國(guó)產(chǎn)搪瓷放電管，一般使用效果不錯(cuò)，但在冬季發(fā)運(yùn)往東北的臭氧設(shè)備中，屢次發(fā)現(xiàn)崩瓷現(xiàn)象，應(yīng)是運(yùn)輸途中受凍所致。）
以上測(cè)試方法及筆者之孔見當(dāng)否，望專家與同道不吝賜教，批評(píng)指正。⑦
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