沿面放电陶瓷片的工作原理、应用、问题与对策 倪国年 眭英
沿面放电陶瓷片是小型臭氧发生器的核心部件。当前陶瓷片的应用范围有逐步扩大的趋势：由小型向中型，由空气向水处理拓展。在陶瓷片的使用中，也遇到了一些问题。为了用好沿面放电陶瓷片，制造出性能优良的臭氧发生器，本文在介绍沿面放电陶瓷片工作的基本原理之后，将我们多年来生产、考核、检测的体会，以及跟用户合作中遇到的一些问题列举于后，并有针对地提供一些业已采取的有效解决办法，供与会同行参考。
沿面放电陶瓷片是利用陶瓷绝缘介质表面上的沿面放电，产生低温等离子体来实现臭氧发生功能的器件。 沿面放电陶瓷片的结构特点是：电极分别布置在陶瓷基片的两边，如图所示：
正面为放电电极（一般为线状），背面为感应电极（通常为板状），并接地。将不十分高的电压作用在两极上时，由于陶瓷基片的良好绝缘，很难出现放电通道。只有两极间的电压大于某临界值，并以高频正弦交流电作用时，在放电电极附近有限的表面上进行电晕放电。这时，陶瓷绝缘介质表面相当于一个极板，在高频高压正弦交流电的作用下，放电电极附近表面处不断地俘获和发射电荷。当电压达到正半周临界起晕电压Uth时，开始放电，正电荷聚向放电极附近的介质表面，即电子被加速到很高能量从介质表面传输到放电电极。随着电压升高，放电继续，更多的正电荷被束缚在介质表面，这一过程一直持续到峰值电压U。放电过程停止，介质表面正电荷并不消失。
当电压开始下降时，介质表面正电荷仍不动，放电并不发生，一直持续降到负半周临界起晕电压-Uth，这时放电开始，介质表面的正电荷离开，负电荷积聚于表面，即电子被加速到很高能量从放电电极传输到介质表面，这一过程持续到负半周峰值电压-Up，放电过程停止。
当电压再次升高到正半周临界起晕电压Uth时，正电晕放电又开始，整个放电过程就是这样交替进行的，因此，沿面放电过程就是介质表面的静电平衡状态反复建立和破坏，表面气体的反复击穿而介质表面上反复充放异性电荷的过程。
根据沿面放电陶瓷片的工作原理，影响其放电的因素很多，例如，介质材料的绝缘性能、电极的结构配置、电极表面的气体条件以及激励电源的性能参数等。七、八十年代日本人研究表明，沿面放电器件的材料选用钨电极和AL203陶瓷基片较好，因为钨的热膨胀系数与AL203陶瓷相近，受热后电极不会与陶瓷脱开，同时，陶瓷基片具有较好的绝缘性和机械强度。所以，这种沿面放电器件有良好的电、机械、热和化学性能。然而，制造性能优良的臭氧发生器，除合理选用臭氧陶瓷器件外，还必须注重各方面的影响因素。 实验证明：
l、放电能量随供电电压峰值Upp的增大而增大，同时放电发光长度也随Upp的增大而加长，一般在空气中，当Upp为6-8KV时，放电发光长度为2.5-3.4mm，所以，Upp越高，臭氧产量越高。
2、沿面放电器件的临界起晕电压Uth值是供电频率f的函数，f越大，Uth越低，即在高频条件下，沿面放电陶瓷片具有更低的起始工作电压，有利于臭氧产率的提高。临界起晕电压Uth还与气体条件有关，不同的气源和工作环境，会影响Uth的大小和放电过程进行的完善程度，可直接影响臭氧产量。
3、沿面放电陶瓷片在未放电时，表现为纯电容性质，介质表面充电面积越大，则电容越大。当放电时，器件可表现出电阻和电容二重性，它的特性除与充电面积有关，还受放电过程气源和工作环境(温度、湿度等)的影响，所以，沿面放电器件的阻容特性是动态的，在配置供电电源时，必须注意要适应它在不同使用条件下的阻容特性。下面列举使用中的问题和对策。
一、陶瓷片使用过程中，放电电极变细变短，臭氧产率下降的问题。
在高频高压放电的情况下，即使放电电极是钨烧结体，也难免电极材料的氧化和迁移。解决的办法是在放电电极上覆盖一层纳米氧化铝保护层。国外资料表明，氧化铝可大幅提高钨的抗氧化性。我们所做的考核证明了带纳米氧化铝保护层的沿面放电陶瓷片寿命长，臭氧产率稳定。 二、陶瓷片工作时温度升高，臭氧产率下降、氮氧化物增加的问题。
由于陶瓷片放电时能量密度较高，温升快，会使臭氧产率迅速下降。解决的办法，正如大家熟知的：贴散热器，强制风冷或水冷，这就对陶瓷片的平整度提出了严格的要求。由于我们生产的沿面放电陶瓷片的电极是钨烧结体，它的烧结温度高，使陶瓷片难免有或大或小的翘曲变形，对此，我们采取了整平的工序，以确保片子的平整度能满足用户的使用要求。
另外，要特别指出的是，随陶瓷片工作温度升高，还存在氮氧化物增高的问题。我们应用美国Beckmen Industrial公司的Model 955 NO／NOx Analyzer仪器分析，对我们的钨电极陶瓷片和某种材料电极的陶瓷片进行测试，其结果如下：
室温25℃ 钨陶电瓷极片 室内空气NOx浓度(PPM)1.56 陶瓷片工作 室温25℃ 某种陶材瓷料片电极 室内空气NOx浓度(PPM)1.4 陶瓷片工作 温度 NOx浓度(PPM) 25℃ 35℃ 46℃ 3.23 3.63 3.74 55℃ 4.04 62℃ 4.28 温度 NOx浓度(PPM) 25℃ 35℃ 50℃ 60℃ 76℃ 3.52 4.71 11.81 86.76 163.46
沿面放电陶瓷片的工作原理
