【摘 要】
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随着科学技术的飞速发展,热控问题已经逐渐成为制约电子器件等领域发展的主要问题。正温度系数（Positive Temperature Coefficiant,PTC）材料因其无需借助控制电路即可实现自适应热控的特点,在航空航天、电动汽车、家用电器等领域的热控系统中具有广泛的应用前景。其中,高分子基PTC材料因其具有更高的PTC强度而受到广泛关注,然而,对于适用于电子器件的常温区高分子基PTC材料及其
【基金项目】
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国家自然科学基金（NO.51876198）； 安徽省重点研发计划（NO.202004a07020053）；
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随着科学技术的飞速发展,热控问题已经逐渐成为制约电子器件等领域发展的主要问题。正温度系数（Positive Temperature Coefficiant,PTC）材料因其无需借助控制电路即可实现自适应热控的特点,在航空航天、电动汽车、家用电器等领域的热控系统中具有广泛的应用前景。其中,高分子基PTC材料因其具有更高的PTC强度而受到广泛关注,然而,对于适用于电子器件的常温区高分子基PTC材料及其热控性能的研究还较不充分。本文针对现有高分子基PTC材料缺乏柔性、薄膜化困难等问题,研究常温区高分子基柔性PTC材料的制备方法,制备出新型柔性PTC热控材料;通过引入PTC材料的热物理参数与内部传热,进一步完善PTC材料自适应热控的理论模型;基于高分子基PTC材料等效热容较大的特性,提出主被动结合的PTC热控方案,并以建筑围护结构为例研究其热控特性。本文以烯烃嵌段共聚物（Olefin Block Copolymer,OBC）为基体研制出常温区高分子基柔性PTC复合材料,研究表明,PTC材料的柔性与复合物中OBC和石蜡的含量有关,并随着温度的升高而增强。PTC的低温电阻率随石墨（Graphite Powder,GP）含量的增加而降低,但其PTC强度随着GP含量的减小而增大;石蜡含量的影响则反之。当材料中GP的质量分数为40%,OBC/石蜡质量分数比为30:70时,制备出柔性PTC材料居里温度为22℃,杨氏模量为26 MPa,其PTC强度和低温电阻率分别为2.9和1800 Ω·cm。此外,通过高分子基柔性PTC材料与传统高分子基PTC材料的性能对比实验,证实了高分子基柔性PTC材料在低温电阻率、接触热阻等方面具有明显的优点。通过引入PTC材料的内部传热及其热物性参数的影响,对现有PTC材料自适应热控理论模型进行了修正和完善,建立了新型PTC材料自适应热控理论模型,并通过实验验证了理论模型的准确性。在建立的模型的基础上,研究了 PTC材料热物性参数对自适应热控的影响。分析结果表明,受控部件的平衡温度随着界面间的接触热阻的增大而降低。PTC材料的热容对受控部件的平衡温度不会产生影响,但当材料热容较大时受控部件的平衡时间显著延长。具有较低热导率的PTC材料在自适应热控中受控部件的平衡温度较低且平衡时间较长。此外,基于新模型研究了环境温度动态变化对PTC材料自适应热控性能的影响。研究结果表明,在不同动态环境温度条件下,PTC材料均表现出较好的热控性能,受控部件温度波动幅度不超过环境温度波动幅度的1/10。最后基于PTC材料自适应热控的理论分析,提出了表示PTC材料加热特性的无量纲数,通过拟合得出了 PTC材料自适应热控中受控部件平衡温度的无量纲准则关系式,并验证了该准则关系式的准确性。基于PTC材料自适应热控特性并结合高分子基PTC材料高等效热容的特点,提出了高分子基PTC材料主被动一体的热控方法,并进行了理论和实验研究。首先通过实验验证了 PTC材料的被动热控性能。研究表明,采用PTC材料进行被动热控的受控部件温度明显低于无PTC材料的受控部件,起到维持受控部件工作温度的作用。其次通过理论分析揭示了 PTC材料主被动热控一体的机理:PTC材料在相变时宏观结构的改变使其具有自适应的主动热控特性,材料相变时吸收大量潜热使其具有被动热控特性。基于前文PTC材料主被动热控的研究,设计了基于PTC材料的建筑外围护结构,并制备了 PTC墙体材料,通过理论研究了不同气候条件下PTC墙体材料的热控性能。研究结果表明,在夏季工况条件下,PTC墙体材料可有效降低围护结构室内表面温度和进入室内传的热流,热流整月最高可降低28%。冬季工况下,PTC墙体材料对建筑围护结构进行加热,维持围护结构室内侧表面温度高于室内环境温度,且温度波动相较于普通围护结构降低超过50%。
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