搪瓷放電管介電性能的簡單測試比

　

                                  黃元生

[摘要]在電阻率、擊穿場強等參數能夠滿足使用條件的前提下，搪瓷介電體的介電常數和介質損耗系數是搪瓷臭氧放電室的研制者和使用這最關注的兩項參數。筆者曾對國內四家企業生產的六種搪瓷放電管進行介質損耗系數tgδ及相對介電常數εr測試，同時測試的還有一種國外知名臭氧企業生產的搪瓷放電管，另有一種國產玻璃放電管（內鍍導電膜）。由于條件所限，測試儀器和測試環境都很不理想，但筆者認為在相同的條件下的得到的測試結果，對搪瓷放電管的研制者和使用者而言還是具有一定的對比參考價值，不揣冒昧公之于眾，但愿能拋磚引玉。

[關鍵字]搪瓷放電管；介電性能；測試

前言

    眾所周知，在介電體屏障放電法（即電暈法）臭氧發生器中，介電體是最關鍵的材料。玻璃是傳統的介電材料，迄今在放電室介電材料中仍占有重要的地位，但因其質脆易碎，在國內又受加工精度不高，電極形成工藝（常用涂石墨、鍍導電膜等方法）不完善等因素影響，限制了其進一步的發展。近年來陶瓷介電體在臭氧生產中得到了較大的發展，特別時采用表面放電法的陶瓷臭氧發生片在空氣消毒凈化領域占有了相當的份額，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生器件開發還較緩慢。與此同時，另一種介電材料——搪瓷，以其與生俱來的特點（在金屬基材上涂復瓷料燒結而成）可以彌補玻璃、陶瓷等介電材料的某些固有缺點，因而在臭氧界引起了重視，國際上較先進的俄羅斯、瑞士等國推出了采用搪瓷介電體的大型臭氧發生器；國內則是由清華大學吳維韓、李漢忠等指導研究生于1996年研發出搪瓷介電體臭氧放電室，開創了搪瓷臭氧應用之先河。此后搪瓷介電體在國內臭氧界逐步得到推廣，目前如青島國林、廣州歐眾等企業形成了一定的搪瓷臭氧放電室的生產能力，并研制了較大型的臭氧發生器，推進了臭氧產業的發展。

    搪瓷傳統應用于日常器皿、廚衛潔具、建筑裝飾、化工設備、醫用、電工電子（如厚膜電路基板及電熱膜），在這些應用領域研究比較深入，工藝也較成熟，但在臭氧行業應用搪瓷則是近幾年的事，高壓電暈放電的特殊應用場合與傳統的搪瓷應用領域有較大的差別，因而對其性能由若干特有的要求，如介電常數、電阻率、擊穿場強、介質損耗系數、基材與瓷材的膨脹系數及導熱率等，此外幾何精度也比傳統應用提出了高得多的要求。這些性能直接影響臭氧發生器的效率。然而據筆者所知，目前國內尚未有科研院所、大專院校等對此進行深入的研究，如何改進設計、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的理論依據和實用的技術支持方案，因而搪瓷臭氧放電室研發生產者多是“摸著石頭過河”，盡管眼下已經取得了可喜的成績，但與國際先進水平相比尚有相當大的差距。

1.搪瓷放電管介電參數測試報告

    在電阻率、擊穿場強等參數能夠滿足使用條件的前提下，搪瓷介電體的介電常數和介質損耗系數是搪瓷臭氧放電室的研制者和使用這最關注的兩項參數。筆者曾對國內四家企業生產的六種搪瓷放電管進行介質損耗系數tgδ及相對介電常數εr測試，同時測試的還有一種國外知名臭氧企業生產的搪瓷放電管，另有一種國產玻璃放電管（內鍍導電膜）。由于條件所限，測試儀器和測試環境都很不理想，但筆者認為在相同的條件下的得到的測試結果，對搪瓷放電管的研制者和使用者而言還是具有一定的對比參考價值，不揣冒昧公之于眾，但愿能拋磚引玉。以下是測試報告摘要：

1.1 測試時間：2003/07/02

1.2 測試環境：26℃，RH42%

1.3 主要測試儀器：LCR自動測量儀BD2811

1.4 測試目的：測量臭氧放電管得介質損耗系數tgδ及相對介電常數εr

1.5 測試對象：被測管號1、2、3為同一企業產的三種搪瓷放電管，被測管號4、5、6分別為另三家企業生產的搪瓷放電管，被測管號7為國外企業產的搪瓷放電管，被測管號8位國產玻璃放電管。

1.6 測試計算方法：被測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），并引出導線接在LCR自動測量儀的一個測試端子上，另一測試端子用導線接于被測放電管的管坯金屬基材上，可直接測出鋁箔與被測放電管所形成的電容器的電容量C及介質損耗系數tgδ；再根據被測放電管的幾何尺寸可計算出介電體的相對介電常數εr。

    鋁箔與被測放電管所形成的電容器的電容量C應為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為放電管介電體內徑，ε是被測管介電體的介電常數，其值為該介電體的相對介電常數εr與真空介電常數ε0之積，即ε=εr*ε0 （2）

由（1）、（2）式可得εr=C·㏑(Da/Db)/2πLε0

1.7測試結果

表1

1.8討論

1.8.1測試頻率（100Hz、1kHz）及電壓（約2V）與放電管實際工況相差較大，這是限于現有儀器的條件不得已而為之，因而測試結果只能作為比較參考。（2000年曾在清華大學高壓實驗室測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生器，電壓1kV時測得的εr與本次測試較接近，而tgδ偏大。）

1.8.2測試環境濕度對測試結果影響極大，以7號被測管為例：

表2

同一測管用西林電橋以50Hz、1kV測試：

表3
 

由此可見環境濕度影響之大，而對tgδ值的影響尤甚。如有條件應在標準環境溫度下進行測試，至少應在相對穩定的環境條件下測試。不同的被測管在相同環境下測得的數據進行比較才有意義，否則難以相比。

1.8.3 我們過去曾憑經驗認為國產玻璃介電常數較低，介質損耗系數偏大，高頻性能比搪瓷差（以前因便于選材而經常使用的化工玻璃確有這些缺陷）。此次測試中8號被測管采用電子行業用玻璃管作基材，內鍍導電膜，測試結果εr與搪瓷放電管相近，tgδ值也優于多數國產搪瓷放電管，由此可見如果選材得當，加工工藝和精度能有保證，則玻璃放電管也應能與中、高頻電源匹配，組成性能不錯的臭氧發生器。

1.8.4此次測試中的數種國產搪瓷放電管與國外搪瓷放電管相比，相對介電常數相差不大，且有高有低，但介質損耗系數國產管全都比國外管差，最好的也大一倍以上，有的超過五倍。實際組成臭氧發生器時tgδ大則發熱量大，高頻適應性差，因此有的國產搪瓷放電管不得不限制使用頻率。筆者認為如何改進配方，降低tgδ是搪瓷放電管研制者應著重關注的問題之一。

1.8.5 國產搪瓷放電管基材坯料普遍較后，直觀印象是較笨重，進一步分析坯料厚則熱容量大，且導熱性能較差，不利于介電體散熱，制約了臭氧產率的提高。

1.8.6國產搪瓷放電管的基材與瓷材的膨脹系數如何作到盡可能接近，也是搪瓷放電管研制者應充分重視的問題。（我們近期使用的國產搪瓷放電管，一般使用效果不錯，但在冬季發運往東北的臭氧設備中，屢次發現崩瓷現象，應是運輸途中受凍所致。）

以上測試方法及筆者之孔見當否，望專家與同道不吝賜教，批評指正。