一种用于材料低温表面特性研究的温控装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于材料低温表面特性研究的温控装置，所述温控装置由半导体制冷系统、冷循环系统和制冷片控制系统组成，其中：所述半导体制冷系统分为两级，由第一级半导体制冷系统和第二级半导体制冷系统组成；所述冷循环系统由第一级冷循环系统和第二级冷循环系统组成；所述制冷片控制系统由温度传感器和主板构成。本发明专利技术的装置具有体积小、功率小、成本低的优点，因而具有实现较为简单的好处，仅仅需要电源即可以方便地创造低温环境，可以为没有环境可控原子力显微镜的实验室提供低温条件。

A Temperature Control Device for the Study of Low Temperature Surface Properties of Materials

【技术实现步骤摘要】
一种用于材料低温表面特性研究的温控装置
本专利技术属于低温表面特性研究
，涉及一种用于为面向石墨烯等材料低温表面特性研究而创造低温环境的温控装置。
技术介绍
石墨烯是一种新型的功能材料，其在摩擦磨损领域具有广泛的应用前景。然而，在低温条件下石墨烯的摩擦特性仍不明晰，其主要的原因是缺少合适的高精度、高可靠性的低温环境实验装置。当前，在南极等极端低温条件下建设天文望远镜已经成为各国竞相开展的技术竞争点，建设天文望远镜对高精度微位移促动器的研制提出了要求，而低温促动器中低温润滑技术又是一项十分关键的技术。近些年基于石墨烯的表面改性和复合处理技术已经获得应用，使得石墨烯在极地环境中的润滑有较好的应用前景。而且，根据美国阿贡国家实验室的研究，石墨烯在减少摩擦和磨损方面与大气条件的潮湿或者干燥无关，与钢接触还可以形成抑制腐蚀和磨损的完美钝化层，是一种十分优秀的固体润滑材料。由于实验条件的限制，无法达到接近绝对零度的温度，来自高雄大学和昆山科技大学的学者对原子力显微镜探针进行扫描石墨烯表面的分子动力学模拟发现，在较高的温度下，石墨烯表面的皱纹变得更明显，而在较低的温度和较慢的扫描速度下，粘滑摩擦更明显，系统的摩擦系数约为0.001。我国东南大学的实验更是证明了这一点，分别在288K、323K、348K、373K和388K的温度下，使用原子力显微镜研究剥离到弱粘附二氧化硅基底上的石墨烯的纳米摩擦特性，发现同一针尖在石墨烯表面滑动的摩擦力随着温度升高而增加，他们通过探索石墨烯悬浮状态和支撑状态下的形态，发现表面波动导致摩擦力随温度升高。所以有理由认为，石墨烯润滑是一种适用于低温下的润滑技术，需要采用微观尺度的实验去验证其微观机理和有效性。低温条件是实现这个验证的必备条件。由于实验中使用的石墨烯主要是在金属薄膜上制备的，面积都在1平方厘米左右，厚度也在毫米到微米量级，所以不需要大功率大体积制冷的装置，同时为配合原子力显微镜的使用，制冷装置的体积需要尽可能小、并且便于移动。目前市面上已经成型的低温试验装置存在着体积庞大、价格昂贵、功耗巨大的缺点，并不适用于石墨烯等材料表面特性的研究。
技术实现思路
为了解决低温条件下石墨烯表面特性研究的问题，本专利技术提供了一种小型且易于使用的用于材料低温表面特性研究的温控装置。该装置用于给材料表面的石墨烯提供低温环境以进一步研究其低温下的表面特性。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于材料低温表面特性研究的温控装置，主要由半导体制冷系统、冷循环系统和制冷片控制系统组成，其中：所述半导体制冷系统分为两级，由第一级半导体制冷系统和第二级半导体制冷系统组成；所述第一级制冷系统由三片一级半导体制冷片、一级导冷板A和一级导冷板B组成；所述第二级制冷系统由一片二级半导体制冷片和二级导冷板组成；所述冷循环系统由第一级冷循环系统和第二级冷循环系统组成；所述第一级冷循环系统由两个水管穿板头、三个一级水冷头和四个水管构成，第一个一级水冷头与第二个一级水冷头之间连接有第二水管，第一个一级水冷头与第三个一级水冷头之间连接有第四水管，第二个一级水冷头通过第一水管与第一水管穿板头连接，第三个一级水冷头通过第三水管与第二水管穿板头连接；所述第二级冷循环系统由水泵、水箱和二级水冷头构成；所述制冷片控制系统由温度传感器和主板构成；所述一级半导体制冷片设置在一级导冷板A的下方，一级导冷板A的上方设置有一级导冷板B；所述一级半导体制冷片的下方对应设置有一级水冷头；所述二级半导体制冷片设置在二级导冷板的下方；所述二级水冷头设置在二级半导体制冷片的下方；所述水箱设置在二级水冷头和一级导冷板B之间；所述水泵设置在水箱内部；所述温度传感器用于监测室温、一级制冷温度以及二级制冷温度；所述主板用于控制一级半导体制冷片和二级半导体制冷片开关。相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：1、本专利技术提供了一种用于研究为石墨烯表面特性研究创造低温环境的装置，该装置主要由半导体制冷片组成的两级制冷进行降温，并由两组冷循环系统和半导体制冷片控制系统组成，其最大功率为300W。2、二级制冷利用一级制冷制造的水箱进行散热，而不直接将一级制冷和二级制冷相连，减小了对一级制冷系统功率的要求，可以将一级制冷的制冷量储存在水箱内，在水箱内的水温足够低之后再开启第二级制冷，使得第二级制冷能够达到更低的温度。3、第一级制冷系统使用了三片半导体制冷片，采用了三角形布局方式，节约空间，提高制冷效率。同时第一级导冷板采用了两片叠加的方式，可以方便地更换第二级制冷系统或者是水箱等中间部件。4、半导体制冷片控制系统通过OLED显示屏对温度值进行显示的同时也通过TTL串口输出数据，配合上位机软件可在计算机上实时显示测试区域的温度曲线。5、本专利技术的装置具有体积小、功率小、成本低的优点，因而具有实现较为简单的好处，仅仅需要电源即可以方便地创造低温环境，可以为没有环境可控原子力显微镜的实验室提供低温条件。附图说明图1是本专利技术温控装置的整体结构布局图。图2是本专利技术温控装置的一级制冷的冷循环系统。图中：1-一级半导体制冷片、2-一级半导体制冷片固定板、3-一级水冷头、4-第一水管、5-第一水管穿板头、6-一级导冷板A、7-一级导冷板B、8-水泵、9-水箱、10、外壳、11-水箱盖、12-二级水冷头、13-二级导冷板、14-第二水管、15-第二水管穿板头、16-第三水管、17-第四水管、18-NTC温度传感器接口。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。本专利技术提供了一种用于材料低温表面特性研究的温控装置，该装置应用于低温条件下的石墨烯表面特性研究，主要功能是达到在表面特性测试之前将石墨烯降温到合适的低温下。如图1所示，所述装置主要由半导体制冷系统、冷循环系统和制冷片控制系统组成，其中：所述半导体制冷系统分为两级，由第一级半导体制冷系统和第二级半导体制冷系统组成；所述第一级制冷系统由三片一级半导体制冷片1、一级导冷板A6和一级导冷板B7组成；所述第二级制冷系统由一片二级半导体制冷片和二级导冷板13组成；所述冷循环系统由第一级冷循环系统和第二级冷循环系统组成；所述第一级冷循环系统由两个水管穿板头、三个一级水冷头3和四个水管构成，第一个一级水冷头与第二个一级水冷头之间连接有第二水管14，第一个一级水冷头与第三个一级水冷头之间连接有第四水管17，第二个一级水冷头通过第一水管4与第一水管穿板头5连接，第三个一级水冷头通过第三水管16与第二水管穿板头15连接；所述第二级冷循环系统由水泵8、水箱9和二级水冷头12构成；所述制冷片控制系统由NTC温度传感器18和主板构成；所述一级半导体制冷片1设置在一级导冷板A6的下方，一级导冷板A6的上方设置有一级导冷板B7；所述一级半导体制冷片1采用三角形布局方式；所述一级半导体制冷片1的下方对应设置有一级水冷头3；所述二级半导体制冷片设置在二级导冷板13的下方；所述二级水冷头12设置在二级半导体制冷片的下方；所述水箱9设置在二级水冷头12和一级导冷板B7之间；所述水泵8设置在水箱9内部；所述NTC温度传感器18用于监本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于材料低温表面特性研究的温控装置，其特征在于所述温控装置由半导体制冷系统、冷循环系统和制冷片控制系统组成，其中：所述半导体制冷系统分为两级，由第一级半导体制冷系统和第二级半导体制冷系统组成；所述第一级制冷系统由三片一级半导体制冷片、一级导冷板A和一级导冷板B组成；所述第二级制冷系统由一片二级半导体制冷片和二级导冷板组成；所述冷循环系统由第一级冷循环系统和第二级冷循环系统组成；所述第一级冷循环系统由两个水管穿板头、三个一级水冷头和四个水管构成，第一个一级水冷头与第二个一级水冷头之间连接有第二水管，第一个一级水冷头与第三个一级水冷头之间连接有第四水管，第二个一级水冷头通过第一水管与第一水管穿板头连接，第三个一级水冷头通过第三水管与第二水管穿板头连接；所述第二级冷循环系统由水泵、水箱和二级水冷头构成；所述制冷片控制系统由温度传感器和主板构成；所述一级半导体制冷片设置在一级导冷板A的下方，一级导冷板A的上方设置有一级导冷板B；所述一级半导体制冷片的下方对应设置有一级水冷头；所述二级半导体制冷片设置在二级导冷板的下方；所述二级水冷头设置在二级半导体制冷片的下方；所述水箱设置在二级水冷头和一级导冷板B之间；所述水泵设置在水箱内部；所述温度传感器用于监测室温、一级制冷温度以及二级制冷温度；所述主板用于控制一级半导体制冷片和二级半导体制冷片开关。...

【技术特征摘要】
1.一种用于材料低温表面特性研究的温控装置，其特征在于所述温控装置由半导体制冷系统、冷循环系统和制冷片控制系统组成，其中：所述半导体制冷系统分为两级，由第一级半导体制冷系统和第二级半导体制冷系统组成；所述第一级制冷系统由三片一级半导体制冷片、一级导冷板A和一级导冷板B组成；所述第二级制冷系统由一片二级半导体制冷片和二级导冷板组成；所述冷循环系统由第一级冷循环系统和第二级冷循环系统组成；所述第一级冷循环系统由两个水管穿板头、三个一级水冷头和四个水管构成，第一个一级水冷头与第二个一级水冷头之间连接有第二水管，第一个一级水冷头与第三个一级水冷头之间连接有第四水管，第二个一级水冷头通过第一水管与第一水管穿板头连接，第三个一级水冷头通过第三水管与第二水管穿板头连接；所述第二级冷循环系统由水泵、水箱和二级水冷头构成；所述制冷片控制系统由温度传感器和主板构成；所述一级半导体制冷片设置在一级导冷板A的下方，一级导冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：白清顺，张祎晨，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23