常温PTC热控材料及其热控方法研究

摘要

热控系统是保障仪器设备正常工作的重要组成部分。随着科技的进步和发展，某些精密设备对于其工作环境的控温精度、热控分系统的重量提出了更高的要求，而现有的热控手段已经越来越难以满足这种需求。因此，探索新的热控方法具有非常重要的现实意义。电加热主动热控是高精度热控的常用手段之一，采用PTC（正温度系数）热敏材料取代目前普遍使用的普通电阻，有可能实现温度的自适应控制以减少热控系统的重量，并可以进一步提高控温精度。但目前的PTC材料居里温度普遍较高，对PTC材料控温的研究和应用主要局限于高温领域，这对于大多数在常温段工作的仪器设备而言是不合适的;此外，由于PTC材料与普通电阻的特性具有很大差异，使得PTC材料的主动控温方法也不同于常规电阻。因此，本文在对适合于常温热控的新型PTC材料的制备方法和PTC性质进行研究的基础上，对PTC材料的自适应控温特性以及高精度控温的方法和理论进行了深入研究。
　　本文首先对新型常温高分子基PTC材料和陶瓷基PTC材料的制备方法进行了研究。通过大量对比分析发现，在高分子基PTC材料中加入少量炭黑可以大大降低其低温电阻率，据此，确定了石蜡/LDPE/炭黑为主要组分的高分子基PTC材料的制备方案，给出了高分子基常温PTC材料各组分的最佳比例和制备方法，测试结果表明，在PTC强度变化不大的情况下，其低温电阻率得到了有效降低。此外，还制备出钛酸钡基陶瓷常温PTC材料，其PTC强度约为1.4，但低温电阻率较高，研究发现一些实验条件控制不到位是制约陶瓷基常温PTC材料性能进一步提升的主要原因，但该研究成果也为今后制备出性质更好的常温PTC材料奠定了基础。综合上述分析，由于制备的高分子基常温PTC材料具有更高的PTC强度、更低的低温电阻率，本文将研制的高分子基常温PTC材料作为后续研究的基础。
　　针对所研制的几种典型高分子基常温PTC材料的阻温性质进行了测定和表征，并对其稳定性进行分析。结果表明共混基质中石蜡的纯度对PTC材料的阻温性质有重要影响，采用正十八烷和正二十烷，其温度系数相较于工业石蜡增大1个量级左右(1.57/℃，2.06/℃，0.21/℃)。通过热循环试验发现，经过约15次循环后，该材料的PTC强度略有下降，之后达到一个稳定值，这表明该PTC材料具有较好PTC性质及稳定性。
　　基于新型常温居里点PTC材料，对其自适应控温特性及机理进行了系统的理论和实验研究。所谓PTC自适应温控，是指当被控温度超过居里点时，由于电阻急剧上升导致加热功率急剧下降，从而使系统在不采用任何控温方法下自动实现控温。本文分别建立了PTC材料自适应控温实验平台和理论模型，研究发现:相较于普通电阻，PTC材料具有较强的自适应控温能力;PTC材料的温度系数越大，受控部件的平衡温度波动越小，自适应温控能力越强;在初始加热功率不超过失效功率条件下，初始加热功率对自适应温控性能也有重要影响，初始加热功率越大，自适应控温的稳定性越好。该研究成果为常温居里点PTC材料的自适应温控奠定了理论和实验基础。
　　基于新型常温PTC材料的阻温特性，提出了PID算法的比例、积分、微分系数的优化方法，得出了一种适用于PTC材料高精度温控的PID新算法，并对PTC材料高精度温控特性进行了系统的理论和实验研究。通过与普通电阻高精度温控进行对比，发现:开关温控下PTC材料较普通电阻能获得更高的控温精度，最高控温精度可达±0.01℃;采用本文所提出的PID算法，可以有效减小PTC材料的控温超调，但PTC材料的温度调节过程变得更为缓慢;给出了PID控制器KP、T1、TD三参数的范围分别为5-10、15-30、0.1-10时，此时PTC材料PID控温超调小、控温精度高，其最高控温精度可达±0.001K且基本消除控温超调;温度系数越高，PTC材料对其PID温控性能提升越明显。该研究成果对常温领域的高精度温控具有重要价值。
　　本文进一步研究通过外部手段来强化PTC材料控温特性的可能性，设计出一种应用于PTC电阻温控的优化电路，利用放大电路等效地将PTC材料的温度系数放大。在对该方案进行了初步理论分析的基础上，对优化电路进行了设计、仿真、制作，并用于了实际控温实验。理论分析发现，该方案可以有效提高PTC材料的温度系数;在实验过程中发现，由于PTC电阻加热过快及乘法器芯片增益过小等问题，导致负载电阻的电压过小而无法有效加热。本文针对上述问题提出了相应的改进措施。该研究为基于外部优化电路的PTC材料温控方案提供了经验和思路。
　　高精度温控的一个主要目的是抑制由于温度变化所导致的形变对仪器性能的影响。为了研究热控精度对形变的影响，本文最后设计并研制了一套具有40个温度通道及60个形变通道的温度-热形变测试平台。利用该平台对某一待测部件进行了实际测量，表明该平台可以实现了全场多点的温度、热形变和应力应变的瞬时精密测量;静态全通道测温一致性（最大值与最小值之差）小于2℃;形变测量精度能达到±0.01mm，热形变测试结果与理论计算值相吻合，具有较高精度。该平台为今后开展高精度温控及热固耦合的相关研究提供了实验基础。