核电站事故现场除了出现大量射线外,还会伴随高温、高湿、粉尘、酸性等恶劣条件,核救灾机器人是能代替人类进入事故现场实施紧急任务的唯一选择。核救灾机器人除了要有极高的耐辐射性能,对热防护也提出了很高的要求。机器人需要携带大量的电子器件,为了减轻本体重量,其内部空间极为紧凑,器件还会受到高温和金属辐照热效应的影响,导致电子器件温度过高使系统过早失效。因此建立可靠有效的热防护系统是核救灾机器人进入现场开展工作的前提。本论文针对核事故环境下的特殊温度条件,以伺服电机驱动器为例,提出一种基于相变材料被动吸热的核救灾机器人电子器件热防护方法,考察了基于相变材料的电子器件热防护系统中相变材料、系统相关尺寸、器件发热功率等参数,探讨了纳米掺杂对相变材料热物性的影响,分别针对常温和高温两种情况进行了系统防护方案的考察与评估。论文主要研究内容与结论如下：(1)常温环境双驱动器热防护系统设计、实验与数值模拟研究针对双驱动器的热防护要求,设计了由金属支架和填装相变材料的散热器组成,采用滑槽式安装方式的热防护系统。通过对相变温度、潜热、耐辐射性能的考察,确定选用44#相变材料作为实验用相变材料的方案。对防护系统结构参数与热控时间关系的考察发现,与在散热器中添加翅片相比,基于相变材料的无翅片散热器在热防护过程中能使器件保持更低温度,保证器件在最佳工作温度范围保持最长时间(延长12倍工作时长)。系统的热控时间随相变材料质量的增加基本呈线性增长趋势。器件的安全工作时长与发热输出功率(5.57 W、6.28 W、7.04 W、7.85 W和8.7 W)呈线性递减关系。通过热阻模型分析以及Fluent软件模拟相变系统固-液熔化过程,发现空气层的存在延缓了相变材料的熔化,阻碍了相变材料的吸热,通过相变材料导热增强可以弥补空气层的传热抑制作用。(2)热防护系统导热增强对热控效果的研究对比三种孔隙率相似、孔密度不同(5 PPI、10 PPI、20 PPI)的铜泡沫金属的添加效果,发现在散热器中的泡沫金属强化了传热,并且泡沫金属孔密度越大传热增强效果越明显,但是热防护效果较差。孔密度为5 PPI的泡沫金属系统拥有长于只有相变材料的散热器的温控时间,而20 PPI的泡沫金属系统温控时间短于相变材料散热器的温控时间。此外,实验对比了多壁碳纳米管掺杂的复合相变材料(质量分数为0%、0.08%、2%和5%)对系统的热控效果,发现添加2%碳纳米管的相变材料热控结果最好,可使安全工作时间控制在97 min,比未添加碳纳米管的相变材料系统延长了30 min。由于碳纳米管质量更轻,所占体积更小,因此,对于设计的双驱动器热防护系统,碳纳米掺杂的导热增强方式优于添加泡沫金属的方式。(3)高温环境热防护系统设计与实验研究针对高温环境下驱动器的热防护需求,以隔热和吸热双重防护的思路设计了驱动器的热防护系统,并对多驱动器温度均匀性、发热功率、环境温度等参数进行考察。该热防护系统可以使驱动器的发热表面温差控制在1℃以内,器件最佳工作时长和相变时长均随输入功率增加而呈下降趋势。实验结果表明,相比单纯使用铝合金支撑架结构,实验环境温度为100℃时,填装相变材料使双驱动器的工作时间有效延长了34 min,6驱动器的工作时间可达164.3 min。当环境温度小于50℃时,可以保证驱动器工作长达180 min以上。热量评估计算发现,相变材料在180 mmin内在热防护系统中起决定性作用,可以吸收系统内总热量的56%。而通过隔热层进入到系统内的热量会随着时间的增加逐渐积累,传入系统的热量达63%。因此隔热层的绝热特性提升将使热控系统的温控效果更佳。(4)多壁碳纳米管掺杂的复合相变材料性能研究采用两步法制备了不同质量分数(0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%、5%)多壁碳纳米管复合的44#相变材料,沉降实验、DSC曲线和温度—时间曲线测试评定表明该多壁碳纳米管掺杂的复合相变材料热稳定性和热分散性良好。不同的碳纳米管掺杂量对复合相变材料的相变温度影响不大,相变潜热值则随碳纳米管质量分数的增加而线性减小,在0.1%处出现潜热增强现象。固体复合相变材料的导热系数随着掺杂量的提高而逐渐上升,较纯相变材料导热系数最多提高了61.7%。复合相变材料的液态导热系数要低于固态时,但当温度在3℃和45℃时材料出现导热系数增高的现象,最高值相对固体导热系数分别增长了104.8%和49.0%。(5)被动热防护系统的应用评估针对多驱动器高温热防护系统开展了应用评估。针对隔热材料在高温环境下对热防护系统的重要性,从导热系数、使用温度、材料密度、抗辐照性等角度分析说明材料选用原则。此外,由于重金属屏蔽层在伽马射线辐照条件下的热效应,确定将隔热材料安装在射线屏蔽层内部以减少对电子器件带来的额外的热负担。根据常温下机器人各部分电子器件的实际发热规律,提出相应的整机热防护对策,并对6足机器人的被动热防护系统的质量和价格评估表明,热控制系统的相变材料和隔热材料重量轻,材料和加工费用低。为了满足更长时间的任务需求,提出了恢复性任务方案和自适应环境方案两种增加被动热防护系统工作效率的策略。本论文针对核灾变现场恶劣环境提出了由隔热和吸热结构组成的核救灾机器人的热防护方案,实现了高温(100℃)环境下多驱动器安全工作的目标,且该热防护系统可以在核环境和高温环境多场耦合的条件下实现热控功能。除了针对在核救灾方面的应用,本研究还可以对核电站日常维护机器人、焊接机器人及消防救灾机器人实施热保护,为恶劣环境工作对象的温度防护研究提供了理论依据和解决方法。