一种粉末相对介电常数测试方法与装置的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华中科技大学机械学院 作者:邹大军

  相对介电常数是粉末的重要物理特性,针对这一问题,研究了一种测量低频条件下粉末相对介电常数的方法及其实现装置。分析了以Bruggeman 模型和Maxwell-Garnett 模型为基础的粉末相对介电常数测量原理; 在有限元分析的基础上,设计并搭建了一种测量由粉末与空气组成的二元介质混合物电容值的装置; 运用所述方法及装置分别测试了3 种粉末材料的相对介电常数。实验结果表明,所设计的装置能够有效避免边缘效应对测量结果的影响,具有良好的重复性,所得电容值可达到10 -3 pF量级,与现有文献相比,所得粉末相对介电常数最大误差小于10%,测量结果在合理范围之内。本系统结构简单,测量结果具有较高的精度,是一种获取低频条件下粉末相对介电常数的有效手段。

引言

  介电特性是粉末的重要物理参数之一,它与外加频率相关,在低频或直流条件下,对特定的材料而言其值是恒定的,随着频率的增加,介电常数将变为复数形式。诸多科学研究及工业应用都是以物质的介电常数为基础,例如应用于气固体系的矩形电容层析成像技术、粉末混合物均匀度的判定、气固两相流浓度测量、溶液浓度检测等,因此,精确地测量粉末的介电常数具有重要的理论及实践意义。

  获得粉末介电常数最常规的方法是将其与空气一起填充,在测得填充床相对介电常数的基础上,借助两相混合模型求得粉末的相对介电常数。此后还出现了置换法和浸液法,传统方法及置换法所得粉末介电常数都受到混合模型精度以及填充床均匀度的影响,浸液法将一定体积分数的粉末侵入到具有不同介电常数的背景液体中,所得粉末介电常数精度更高。在国内,张冶文等人研究了粉末相对介电常数的测量方法及装置,由于电极定位、试样厚度等因素的影响,测量结果存在一定程度的分散性。文献分析了粉末与空气混合物的等效介电常数,但未完成粉末相对介电常数的测量。此外,国内外学者对粉末的复介电常数也做了大量的研究,较新的进展见文献。

  根据粉末无固定形状的特点,本文提出了一种简便的、以空气为周围介质的测量低频条件下粉末相对介电常数的方法,设计并构建了一种定位精确、重复性好的电容测量装置,在精确获得粉末与空气混合物等效介电常数的基础上,分别采用Bruggeman 模型和Maxwell-Garnett模型获得了3 种粉末的相对介电常数。

结论

  针对粉末的特性,提出了一种测量低频条件下粉末相对介电常数的方法及其实现装置。首先介绍了混合物等效介电常数的计算模型; 随后针对边缘效应以及粉末无固定形状这一特点,设计并构建了一种电容测量装置,借助有限元方法研究了该装置的特性; 最后,为验证所述方法及装置的有效性,采用几种介电常数已知的物质对电容测量装置进行了标定,随后以此为基础测量了3 种粉末的相对介电常数。实验结果表明,本文所设计的电容测量装置具有良好的重复精度,能够有效消除边缘效应对测量的结果的影响,所得实验结果处于合理范围之内,在低频条件下,是一种有效的、获得较高精度粉末相对介电常数的方法。

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