柔性薄膜加热器的设计和应用研究

摘要

柔性薄膜加热器是一种在一定程度下可弯曲，能折叠，通电后可发热的膜状器件。
　　 它具有发热效率高、散热好、表面功率密度大、不易烧蚀等优点。由于它被覆在绝缘基体上，因而可以制成各种复杂的薄膜加热器件。近年来，柔性薄膜加热器广泛应用于建筑、工业、农业、军事、家庭用品等领域来解决加热除冰或取暖问题。本文对柔性薄膜加热器进行了设计和研究，包括模拟了薄膜加热器表面温场分布，设计了电热丝的布局，制备了绝缘导热薄膜及绝缘隔热薄膜，设计和测试了薄膜加热器的控制系统。
　　 采用ANSYS软件模拟了柔性薄膜加热器处于一定环境和转速下其表面的温场分布。根据薄膜加热器表面温场分布及空气动力学原理，设计了合金电热丝的布局，采用干式复合和凹版印刷工艺技术制作成柔性薄膜加热器。
　　 采用溶液共混法制备了聚偏二氟乙烯/氮化铝（PVDF/AlN）复合薄膜，用点温度计测试了薄膜的导热性能。研究结果表明：PVDF/AlN 复合薄膜的厚度越小，AlN的含量越大，薄膜的导热能力越强。复合薄膜的厚度最小为0.10 mm，AlN 最大固含量为60 wt%。采用流延法制备了聚酰亚胺（PI）薄膜及二氧化硅/聚酰亚胺（SiO2/PI）复合薄膜，用提拉机对薄膜进行拉力测试，用点温度计测试其导热性能。结果表明：
　　 掺杂SiO2后的PI 薄膜拉伸强度及导热性能都比未掺杂的PI 薄膜有所提高。随着SiO2掺杂量的增加，复合薄膜拉伸性能增强，当SiO2 质量比为15%时，拉伸长度比为0.95，可承受82 N 拉力，当SiO2 质量比超过15%时，薄膜拉伸性能开始变差；导热性能测试表明SiO2 质量比为15%，厚度为0.05 mm时薄膜的传热效率最高。用30%氢氟酸溶液腐蚀SiO2/PI 复合薄膜制备了多孔聚酰亚胺薄膜。采用真空蒸发镀膜法制备了镀有金属铝膜的聚酰亚胺薄膜。同样的方法对两种薄膜进行导热性能测试，结果表明多孔PI 薄膜的隔热效果不明显，而镀有厚度小于5 um 金属铝膜的PI 薄膜能够将表面温度为210 ℃的电热膜隔热到170 ℃。研究结果表明：PVDF/AlN 复合薄膜的耐温只有140 ℃，不适合作导热薄膜，而 PI、SiO2/PI 都可用做绝缘导热薄膜；多孔聚酰亚胺薄膜在微米级厚度隔热效果得不到体现；厚度接近的情况下，镀有金属铝膜的PI 薄膜隔热效果比纳米多孔PI 薄膜要好得多。
　　 采用C 语言编写了脉冲产生程序，将程序烧写至89s52系列单片机中，用产生的脉冲信号控制大功率密度的薄膜加热器加热，通过在线编程改变脉冲高低电平宽度比来调整薄膜加热器通电加热的时间。测试结果表明：薄膜加热器两端电压为205.2 V，脉冲信号高低电平宽度比为3:200，在25 ℃的环境条件下，薄膜加热器悬空，其功率密度达到7.02 W/cm2，薄膜加热器表面温度为54.0-68.2 ℃，满足课题的要求。