常溫PTC熱控材料及其熱控方法研究.pdf

1、熱控系統(tǒng)是保障儀器設備正常工作的重要組成部分。隨著科技的進步和發(fā)展，某些精密設備對于其工作環(huán)境的控溫精度、熱控分系統(tǒng)的重量提出了更高的要求，而現(xiàn)有的熱控手段已經(jīng)越來越難以滿足這種需求。因此，探索新的熱控方法具有非常重要的現(xiàn)實意義。電加熱主動熱控是高精度熱控的常用手段之一，采用PTC（正溫度系數(shù)）熱敏材料取代目前普遍使用的普通電阻，有可能實現(xiàn)溫度的自適應控制以減少熱控系統(tǒng)的重量，并可以進一步提高控溫精度。但目前的PTC材料居里溫度普遍較高

2、，對PTC材料控溫的研究和應用主要局限于高溫領域，這對于大多數(shù)在常溫段工作的儀器設備而言是不合適的;此外，由于PTC材料與普通電阻的特性具有很大差異，使得PTC材料的主動控溫方法也不同于常規(guī)電阻。因此，本文在對適合于常溫熱控的新型PTC材料的制備方法和PTC性質(zhì)進行研究的基礎上，對PTC材料的自適應控溫特性以及高精度控溫的方法和理論進行了深入研究。
　　本文首先對新型常溫高分子基PTC材料和陶瓷基PTC材料的制備方法進行了研究。通

3、過大量對比分析發(fā)現(xiàn)，在高分子基PTC材料中加入少量炭黑可以大大降低其低溫電阻率，據(jù)此，確定了石蠟/LDPE/炭黑為主要組分的高分子基PTC材料的制備方案，給出了高分子基常溫PTC材料各組分的最佳比例和制備方法，測試結(jié)果表明，在PTC強度變化不大的情況下，其低溫電阻率得到了有效降低。此外，還制備出鈦酸鋇基陶瓷常溫PTC材料，其PTC強度約為1.4，但低溫電阻率較高，研究發(fā)現(xiàn)一些實驗條件控制不到位是制約陶瓷基常溫PTC材料性能進一步提升的主

4、要原因，但該研究成果也為今后制備出性質(zhì)更好的常溫PTC材料奠定了基礎。綜合上述分析，由于制備的高分子基常溫PTC材料具有更高的PTC強度、更低的低溫電阻率，本文將研制的高分子基常溫PTC材料作為后續(xù)研究的基礎。
　　針對所研制的幾種典型高分子基常溫PTC材料的阻溫性質(zhì)進行了測定和表征，并對其穩(wěn)定性進行分析。結(jié)果表明共混基質(zhì)中石蠟的純度對PTC材料的阻溫性質(zhì)有重要影響，采用正十八烷和正二十烷，其溫度系數(shù)相較于工業(yè)石蠟增大1個量級左右

5、(1.57/℃，2.06/℃，0.21/℃)。通過熱循環(huán)試驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過約15次循環(huán)后，該材料的PTC強度略有下降，之后達到一個穩(wěn)定值，這表明該PTC材料具有較好PTC性質(zhì)及穩(wěn)定性。
　　基于新型常溫居里點PTC材料，對其自適應控溫特性及機理進行了系統(tǒng)的理論和實驗研究。所謂PTC自適應溫控，是指當被控溫度超過居里點時，由于電阻急劇上升導致加熱功率急劇下降，從而使系統(tǒng)在不采用任何控溫方法下自動實現(xiàn)控溫。本文分別建立了PTC材料自適應控

6、溫實驗平臺和理論模型，研究發(fā)現(xiàn):相較于普通電阻，PTC材料具有較強的自適應控溫能力;PTC材料的溫度系數(shù)越大，受控部件的平衡溫度波動越小，自適應溫控能力越強;在初始加熱功率不超過失效功率條件下，初始加熱功率對自適應溫控性能也有重要影響，初始加熱功率越大，自適應控溫的穩(wěn)定性越好。該研究成果為常溫居里點PTC材料的自適應溫控奠定了理論和實驗基礎。
　　基于新型常溫PTC材料的阻溫特性，提出了PID算法的比例、積分、微分系數(shù)的優(yōu)化方法，

7、得出了一種適用于PTC材料高精度溫控的PID新算法，并對PTC材料高精度溫控特性進行了系統(tǒng)的理論和實驗研究。通過與普通電阻高精度溫控進行對比，發(fā)現(xiàn):開關(guān)溫控下PTC材料較普通電阻能獲得更高的控溫精度，最高控溫精度可達±0.01℃;采用本文所提出的PID算法，可以有效減小PTC材料的控溫超調(diào)，但PTC材料的溫度調(diào)節(jié)過程變得更為緩慢;給出了PID控制器KP、T1、TD三參數(shù)的范圍分別為5-10、15-30、0.1-10時，此時PTC材料PI

8、D控溫超調(diào)小、控溫精度高，其最高控溫精度可達±0.001K且基本消除控溫超調(diào);溫度系數(shù)越高，PTC材料對其PID溫控性能提升越明顯。該研究成果對常溫領域的高精度溫控具有重要價值。
　　本文進一步研究通過外部手段來強化PTC材料控溫特性的可能性，設計出一種應用于PTC電阻溫控的優(yōu)化電路，利用放大電路等效地將PTC材料的溫度系數(shù)放大。在對該方案進行了初步理論分析的基礎上，對優(yōu)化電路進行了設計、仿真、制作，并用于了實際控溫實驗。理論分析

9、發(fā)現(xiàn)，該方案可以有效提高PTC材料的溫度系數(shù);在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，由于PTC電阻加熱過快及乘法器芯片增益過小等問題，導致負載電阻的電壓過小而無法有效加熱。本文針對上述問題提出了相應的改進措施。該研究為基于外部優(yōu)化電路的PTC材料溫控方案提供了經(jīng)驗和思路。
　　高精度溫控的一個主要目的是抑制由于溫度變化所導致的形變對儀器性能的影響。為了研究熱控精度對形變的影響，本文最后設計并研制了一套具有40個溫度通道及60個形變通道的溫度-熱形變測