GB3960硫化橡胶介电常数和介质损耗角

正切值的测定方法

警告：使用本标准的人员应有正规实验室工作的实践经验。本标准并未指出所有可能的安全问题。使用者有责任采取适当的安全和健康措施，并保证符合有关法规规定的条件。

1、范围：

本标准规定了介电常数和介质损耗角正切值的两种测定方法。方法A为工频（50Hz）下的测定方法，方法B为高频电场下的测定方法。

本标准适用于硫化橡胶。

2、规范性引用文件：

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的新版本。凡是不注日期的引用文件，其版本适用于本标准。

GB/T 2941 橡胶物理试验方法试样制备和调节通用程序（GB/T 2941-2006，ISO 23529：2004，IDT）

3、术语和定义：

下列术语和定义适用于本标准。

3.1

介质损耗 dielectric loss

绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。

3.2

损耗角 δloss angleδ

在交变电场下，电介质内流过的电流向量和电压向量之间的夹角（功率因数角φ）的余角（δ）。

3.3

损耗角正切 tanδ loss tangentδ

介质损耗因数 dielectric loss factor

介质损耗角正切值。

3.4

介电常数 εdielectric constant

绝缘材料在电场作用下产生极化，电容器极板间有电介质存在时的电容量C、与同样形状和尺寸的真空电容量C₀之比。

注：不同试样、不同电极的真空电容和边缘校正的计算参见附录A。

4、测试电极：

4.1 电极材料

见表1。

表 1 电极材料

4.2 电极尺寸

4.2.1 板状试样电极

4.2.1.1 方法A：板状电极尺寸见表2，电极如图1所示。

表 2 板状试样电极尺寸 单位为毫米

1——测量电极；

2——保护电源；

3——试样；

4——高压电极。

图 1 板状试样电极配置（工频）

4.2.1.2 方法B：采用二电极系统。电极尺寸大小与试样尺寸相等，或电极小于试样尺寸。板状试样电极直径为φ38.0mm±0.1mm、φ50.0mm±0.1mm、φ70.0mm±0.1mm。

4.2.2 管状试样电极

4.2.2.1 方法A：管状试样电极尺寸见表3，电极如图2所示。

表 3 管状试样电极尺寸

1——保护电极；

2——测量电极；

3——高压电极；

4——试样。

图 2 管状试样电极配置（工频）

4.2.2.2 方法B：管状试样电极尺寸，电极如图3所示。

管状试样的电极长度为50.0mm±0.1mm或70.0mm±0.1mm。

1——试样；

2——上电极；

3——下电极。

图 3 管状试样电极配置（高频）

4.3 电极装置

在进行高频测试时，根据测试频率与测试要求可用支架电极（如图4），当频率大于或等于1MHz且小于10MHz时，宜用测微电极（如图5）；当频率大于或等于10MHz时，应用测微电极。

1——上盖螺钉；

2——上盖板；

3——升降螺杆；

4——上电极导轨；

5——螺帽；

6——导筒；

7——导槽螺钉；

8——绝缘杆；

9——高压电极；

10——试样；

11——测量电极；

12——保护电极；

13——绝缘板（聚四氟乙烯板）；

14——绝缘支脚；

15——有机玻璃板。

图 4 支架电极

1——微调管形电容器；

2——测试样品电容器；

3——上支撑板；

4——上电极；

5——试样；

6——下电极；

7——底板。

图 5 测微电极

5、测试仪器：

5.1 方法A

5.1.1 测试仪器为工频高压电桥，其原理图如图6所示。

T  试验变压器；

C₃  标准电容器；

C₅  试样；

R₃  可变电阻；

C₂、C₄ 可变电容；

R₄  固定电阻；

G-  电桥平衡指示器；

P  放电器。

图 6 工频高压电桥原理图

5.1.2 测量范围

损耗角正切（tanδ）：0.001～1；电容（C）：40pF～2000pF。

5.1.3 电桥测量误差

测量时误差不超过10%，当试样tanδ小于0.001时测量误差不超过0.0001，电容的测量误差不超过5%，标准电容器的tanδ应小于0.0001。

5.1.4 电桥必须有良好的屏蔽接地装置。

5.2 方法B

5.2.1 方法B的测试仪器有两种：一种是谐振升高法（Q表），另一种时变电钠法。

5.2.1.1 谐振升高法（Q表）

其测试原理图如图7所示。

A  电流表；

R₀  耦合电阻；

L  辅助线圈；

C  标准电容；

C₀  试样；

V、V₁ 电压表（用Q值表示）。

图 7 Q表原理图

5.2.1.1.1 测量范围

频率为50Hz～50MHz，电容40pF～500pF，Q值10～600。

5.2.1.1.2 测量误差

电容误差：±（0.5%C+0.1pF），Q值±10%；有关仪器的测量误差均为±10%。

5.2.1.2 变电钠法

其测试原理如图8所示。

C——可调电容；

L——谐振线圈；

C_T——管形微调电容；

C_u——主电容；

C_x——试样。

图 8 高频介质损耗仪原理图

6、试样：

6.1 试样尺寸

6.1.1 方法A试样尺寸见表4。

表 4 试样尺寸 单位为毫米

6.1.2 方法B试样尺寸见表5。

表 5 试样尺寸 单位为毫米

6.2 试样的制备

试样的制备应符合GB/T 2941的规定，也可以在符合试样厚度尺寸的胶板上用旋转刀进行裁切，制样方法的不同，其试验结果无可比性。

6.3 试样数量

试样的数量不少于3个。

7、硫化与试验之间的时间间隔：

试样在硫化与试验之间的时间间隔按GB/T2941的规定执行。

8、试验条件：

8.1 试样表面应清洁、平滑，无裂纹、气泡和杂质等，试样表面应用蘸有无水乙醇的布擦洗。

8.2 试样应在标准实验室温度及湿度下至少调节24h。

8.3当试样处理有特殊要求时，可按其产品标准规定的进行。

9、试验步骤：

9.1 方法A

9.1.1 试验电压为1000V～3000V，一般情况下为1000V，电源频率为50Hz。

9.1.2 按设备说明书正确的连接。

9.1.3 接通电源预热30min。

9.1.4 将试样接人电桥C、的桥臂中，加上试验电压，根据电桥使用方法进行平衡，读取R3和tanδ或C4的值。

9.2 方法B—谐振升高法（Q表法）

9.2.1 按照Q表的操作规程调整仪器，选定测量频率，测定C1和Q1的值。

9.2.2 将试样放入测试电极中，并调节电容器C，使电路谐振，达到大Q值记下调谐电容量C2和Q2的值。

9.2.3 将试样从测试电极中取出，调节C或测试电极的距离，使电路重新谐振，记下C、或测试电极的校正电容值与Q值，并根据测试值计算出损耗角tanδ与介电常数ε。

9.2.4 其他高频测试仪器按其说明书进行操作，通过测试值计算出损耗角tanδ和介电常数ε。

10、试验结果：

10.1 方法A

10.1.1 介质损耗角正切值（tanδ）可在电桥上直接读数，按式（1）进行计算：

tanδ=2πfR₄C₄×10^-6…………………………（1）

式中：

π——3.14；

f——频率50Hz；

R₄——固定电阻阻值，单位为欧姆（Ω）；

C₄——可变电容值，单位为微法（μF）；

10.1.2 介电常数（ε）的计算见表6。

表 6 介电常数的计算

10.2 方法B

10.2.1 电容的计算

10.2.1.1 谐振升高法

应用支架电极时按式（7）计算：

C_x=C₁-C₂+C_a…………………………………（7）

应用测微电极时按式（8）计算：

C_x=C’₁-C’₂+C_a……………………………（8）

10.2.1.2 变电纳法（配用测微电极）：

按式（9）、式（10）计算：

C_x=C₁-C₂+C_a…………………………………（9）

其中：C_a= …………………………（10）

当电极直径为38mm时，则Ca=1/d

式中：

Cx——试样的并联等值电容，单位为皮法（pF）；

C₁——电极间距为试样厚度d，且无试样时谐振电容量，单位为皮法（pF）；

C₂——有试样时谐振电容量，单位为皮法（pF）；

C'₁——极的校正电容值，单位为皮法（pF）；

C'——有试样时，测微电极间距等于试样厚度时，测微电极的校正电容值，单位为皮法（pF）；

C——试样的几何电容量，单位为皮法（pF）；

S——电极面积单位为平方厘米（cm²）；

d——试样厚度，单位为厘米（cm）。

10.2.2 介电常数ε的计算

按式（11）计算：

………………………（11）

式中：

C_x——试样的并联等值电容，单位为皮法（pF）；

d——试样的厚度，单位为厘米（cm）；

D——电极的直径，单位为厘米（cm）。

10.2.3介质损耗角正切tanδ值的计算

10.2.3.1谐振升高法（Q表法）按式（12）计算：

……………………（12）

10.2.3.2 变电纳法：各种高频损耗测试仪配用测微电极使用时按式（I3）计算：

………………………（13）

式中：

C’——无电极时，谐振回路标准电容器指示值单位为皮法（pF）；

Q₁——无试样时，电极间距为d时，谐振Q值；

Q₂——电极间有试样时的谐振Q值；

△C_i—有试样时两次衰减至谐振峰0.707时，微调电容变化量，单位为皮法（pF）；

△C₀——无试样时两次衰减至谐振峰0.707时，微调电容变化量，单位为皮法（pF）；

C_x——试样的并联等值电容，单位为皮法（pF）。

10.2.4 管状试样测试结果计算

10.2.4.1 试样电容量按式（14）计算：

C_x=C₁-C₂…………………………（14）

式中：

C₁——无试样时，谐振电容量；

C₂——有试样时，谐振电容量。

10.2.4.2试样介电常数按式（15）式（16）计算：

…………………………（15）

其中：…………………（16）

式中：

L——电极长度，单位为厘米（cm）；

D₁、D₂——管外径和内径，单位为厘米（cm）。

10.2.4.3 损耗角正切值的计算

与Q表接线柱直接连线时按式（17）计算：

………………………（17）

当高频介质损耗角测试仪与测微电极连接时按式（l8）计算：

………………………（18）

式中：

C1、Q1——无试样时，谐振电容量及Q值；

C2、Q2——有试样时，谐振电容量及Q值；

△Ci——有试样时两次衰减至谐振峰0.707时，微调电容变化量，单位为皮法（pF）；

△C0——无试样时两次衰减至谐振峰0.707时，微调电容变化量，单位为皮法（pF）。

注：不同试验环境对试验结果的影响因素参见附录B。

10.3 试验结果以每组试验结果的中位数表示，取两位有效数字。

11、介电常数仪试验报告：

介电常数仪试验报告应包括以下内容：

a） 介电常数仪试样编号；

b） 本标准编号或本标准名称；

c） 介电常数仪试验结果

d） 实验室温度、湿度；

e） 介电常数仪试样的规格；

f） 测元件及电极尺寸；

g） 试样和测试条件的调节；

h） 介电常数仪测量方法和测量电路；

i） 介电常数仪试验电压及频率；

j） 试验者；

k） 试验日期。

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