搪瓷放电管介电性能的简单测试比较

                                      黄元生

[摘要]在电阻率、击穿场强等参数能够满足使用条件的前提下，搪瓷介电体的介电常数和介质损耗系数是搪瓷臭氧放电室的研制者和使用这最关注的两项参数。笔者曾对国内四家企业生产的六种搪瓷放电管进行介质损耗系数tgδ及相对介电常数εr测试，同时测试的还有一种国外知名臭氧企业生产的搪瓷放电管，另有一种国产玻璃放电管（内镀导电膜）。由于条件所限，测试仪器和测试环境都很不理想，但笔者认为在相同的条件下的得到的测试结果，对搪瓷放电管的研制者和使用者而言还是具有一定的对比参考价值，不揣冒昧公之于众，但愿能抛砖引玉。

[关键字]搪瓷放电管；介电性能；测试

前言

    众所周知，在介电体屏障放电法（即电晕法）臭氧发生器中，介电体是最关键的材料。玻璃是传统的介电材料，迄今在放电室介电材料中仍占有重要的地位，但因其质脆易碎，在国内又受加工精度不高，电极形成工艺（常用涂石墨、镀导电膜等方法）不完善等因素影响，限制了其进一步的发展。近年来陶瓷介电体在臭氧生产中得到了较大的发展，特别时采用表面放电法的陶瓷臭氧发生片在空气消毒净化领域占有了相当的份额，但受加工条件、成本等因素的制约，采用气隙放电法的陶瓷介电臭氧发生器件开发还较缓慢。与此同时，另一种介电材料——搪瓷，以其与生俱来的特点（在金属基材上涂复瓷料烧结而成）可以弥补玻璃、陶瓷等介电材料的某些固有缺点，因而在臭氧界引起了重视，国际上较先进的俄罗斯、瑞士等国推出了采用搪瓷介电体的大型臭氧发生器；国内则是由清华大学吴维韩、李汉忠等指导研究生于1996年研发出搪瓷介电体臭氧放电室，开创了搪瓷臭氧应用之先河。此后搪瓷介电体在国内臭氧界逐步得到推广，目前如青岛国林、广州欧众等企业形成了一定的搪瓷臭氧放电室的生产能力，并研制了较大型的臭氧发生器，推进了臭氧产业的发展。

    搪瓷传统应用于日常器皿、厨卫洁具、建筑装饰、化工设备、医用、电工电子（如厚膜电路基板及电热膜），在这些应用领域研究比较深入，工艺也较成熟，但在臭氧行业应用搪瓷则是近几年的事，高压电晕放电的特殊应用场合与传统的搪瓷应用领域有较大的差别，因而对其性能由若干特有的要求，如介电常数、电阻率、击穿场强、介质损耗系数、基材与瓷材的膨胀系数及导热率等，此外几何精度也比传统应用提出了高得多的要求。这些性能直接影响臭氧发生器的效率。然而据笔者所知，目前国内尚未有科研院所、大专院校等对此进行深入的研究，如何改进设计、配方及加工制造工艺，提高搪瓷介电体放电室的综合性能，难于找到成熟的系统的理论依据和实用的技术支持方案，因而搪瓷臭氧放电室研发生产者多是“摸着石头过河”，尽管眼下已经取得了可喜的成绩，但与国际先进水平相比尚有相当大的差距。

1.搪瓷放电管介电参数测试报告

    在电阻率、击穿场强等参数能够满足使用条件的前提下，搪瓷介电体的介电常数和介质损耗系数是搪瓷臭氧放电室的研制者和使用这最关注的两项参数。笔者曾对国内四家企业生产的六种搪瓷放电管进行介质损耗系数tgδ及相对介电常数εr测试，同时测试的还有一种国外知名臭氧企业生产的搪瓷放电管，另有一种国产玻璃放电管（内镀导电膜）。由于条件所限，测试仪器和测试环境都很不理想，但笔者认为在相同的条件下的得到的测试结果，对搪瓷放电管的研制者和使用者而言还是具有一定的对比参考价值，不揣冒昧公之于众，但愿能抛砖引玉。以下是测试报告摘要：

1.1 测试时间：2003/07/02

1.2 测试环境：26℃，RH42%

1.3 主要测试仪器：LCR自动测量仪BD2811

1.4 测试目的：测量臭氧放电管得介质损耗系数tgδ及相对介电常数εr

1.5 测试对象：被测管号1、2、3为同一企业产的三种搪瓷放电管，被测管号4、5、6分别为另三家企业生产的搪瓷放电管，被测管号7为国外企业产的搪瓷放电管，被测管号8位国产玻璃放电管。

1.6 测试计算方法：被测放电管表面擦净后紧裹上定宽的铝箔一圈，尽可能不留气隙（可用塑料带缠绕），并引出导线接在LCR自动测量仪的一个测试端子上，另一测试端子用导线接于被测放电管的管坯金属基材上，可直接测出铝箔与被测放电管所形成的电容器的电容量C及介质损耗系数tgδ；再根据被测放电管的几何尺寸可计算出介电体的相对介电常数εr。

    铝箔与被测放电管所形成的电容器的电容量C应为C=2πLε/㏑(Da/Db) (1)

    上式中L为铝箔宽度，Da为放电管介电体外径，Db为放电管介电体内径，ε是被测管介电体的介电常数，其值为该介电体的相对介电常数εr与真空介电常数ε0之积，即ε=εr*ε0 （2）

由（1）、（2）式可得εr=C·㏑(Da/Db)/2πLε0

1.7测试结果

表1

1.8讨论

1.8.1测试频率（100Hz、1kHz）及电压（约2V）与放电管实际工况相差较大，这是限于现有仪器的条件不得已而为之，因而测试结果只能作为比较参考。（2000年曾在清华大学高压实验室测试过上述放电管中的三支，使用仪器为西林电桥、高压静电表及工频高压发生器，电压1kV时测得的εr与本次测试较接近，而tgδ偏大。）

1.8.2测试环境湿度对测试结果影响极大，以7号被测管为例：

表2

同一测管用西林电桥以50Hz、1kV测试：

表3
 由此可见环境湿度影响之大，而对tgδ值的影响尤甚。如有条件应在标准环境温度下进行测试，至少应在相对稳定的环境条件下测试。不同的被测管在相同环境下测得的数据进行比较才有意义，否则难以相比。

1.8.3 我们过去曾凭经验认为国产玻璃介电常数较低，介质损耗系数偏大，高频性能比搪瓷差（以前因便于选材而经常使用的化工玻璃确有这些缺陷）。此次测试中8号被测管采用电子行业用玻璃管作基材，内镀导电膜，测试结果εr与搪瓷放电管相近，tgδ值也优于多数国产搪瓷放电管，由此可见如果选材得当，加工工艺和精度能有保证，则玻璃放电管也应能与中、高频电源匹配，组成性能不错的臭氧发生器。

1.8.4此次测试中的数种国产搪瓷放电管与国外搪瓷放电管相比，相对介电常数相差不大，且有高有低，但介质损耗系数国产管全都比国外管差，最好的也大一倍以上，有的超过五倍。实际组成臭氧发生器时tgδ大则发热量大，高频适应性差，因此有的国产搪瓷放电管不得不限制使用频率。笔者认为如何改进配方，降低tgδ是搪瓷放电管研制者应着重关注的问题之一。

1.8.5 国产搪瓷放电管基材坯料普遍较后，直观印象是较笨重，进一步分析坯料厚则热容量大，且导热性能较差，不利于介电体散热，制约了臭氧产率的提高。

1.8.6国产搪瓷放电管的基材与瓷材的膨胀系数如何作到尽可能接近，也是搪瓷放电管研制者应充分重视的问题。（我们近期使用的国产搪瓷放电管，一般使用效果不错，但在冬季发运往东北的臭氧设备中，屡次发现崩瓷现象，应是运输途中受冻所致。）

以上测试方法及笔者之孔见当否，望专家与同道不吝赐教，批评指正。⑦

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