线热源的制作方法

专利名称：线热源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种线热源，尤其涉及一种基于碳纳米管的线热源。
背景技术：
热源在人们的生产、生活、科研中起着重要的作用。线热源是常用的热 源之一，被广泛应用于电加热器、红外治疗仪、电暖器等领域。
请参见图l,现有技术提供一种线热源IO,其包括一中空圓柱状支架102; 一加热元件104设置于该支架102表面， 一绝缘保护层106设置于该加热元件 104表面；两个电极110分别设置于支架102两端，且与加热元件104电连接； 两个夹紧件108分别将两个电极110与加热元件104卡固在支架102两端。其中， 加热元件104通常采用一碳纤维纸通过缠绕或包裹的方式形成。当通过两个电 极110对该线热源10施加一电压时，所述加热元件104产生焦耳热，并向周围 进行热辐射。所述碳纤维纸包括纸基材和杂乱分布于该纸基材中的沥青基碳 纤维。其中，纸基材包括纤维素纤维和树脂等的混合物，沥青基碳纤维的直 径为3 6毫米，长度为5 20微米。
然而，采用碳纤维纸作为加热元件具有以下缺点第一，碳纤维纸厚度 较大， 一般为几十微米，使线热源不易做成微型结构，无法应用于微型器件 的加热。第二，由于该碳纤维纸中包含了纸基材，所以该碳纤维纸的密度较 大，重量较大，使得采用该碳纤维纸的线热源使用不便。第三，由于该碳纤 维纸中的沥青基碳纤维杂乱分布，所以该碳纤维纸的强度较小，柔性较差， 容易破裂，限制了其应有范围。第四，碳纤维纸的电热转换效率较低，不利 于节能环保。

发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种线热源，该线热源重量较小，强度大，可 以做成微型结构，应用于微型器件的加热，且电热转换效率较高，利于节能 环保。一种线热源，其包括一线状支撑结构， 一加热元件设置于线状支撑结构 的表面，以及至少两个电极间隔设置，所述的至少两个电极与该加热元件电 连接，其中，所述的加热元件包括至少一碳纳米管膜，且同一碳纳米管膜中 的碳纳米管沿同 一方向择优取向排列。
与现有技术相比较，所述的线热源具有以下优点第一，碳纳米管的直 径较小，使得碳纳米管结构具有较小的厚度，可以制备微型线热源，应用于 微型器件的加热。第二，碳纳米管比碳纤维具有更小的密度，所以，采用碳 纳米管结构的线热源具有更轻的重量，使用方便。第三，所述的碳纳米管结 构包括至少 一碳纳米管膜，同 一碳纳米管膜中的碳纳米管沿同 一方向排列， 具有较低的电阻，且碳纳米管的电热转换效率高，热阻率低，所以该线热源 具有升温迅速、热滞后小、热交换速度快的特点。


图1为现有技术的线热源的结构示意图。 图2为本发明实施例的线热源的结构示意图
图3为图2的线热源沿线ni-m的剖面示意图。
图4为图3的线热源沿线IV-IV的的剖面示意图。
图5为本发明实施例的线热源中的碳纳米管膜的扫描电镜照片。
图6为图5的碳纳米管膜的局部结构示意图。
图7为本发明实施例的线热源中的非扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。
图8为本发明实施例的线热源中的扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。 图9为本发明实施例的线热源的表面温度与加热功率的关系图。
具体实施例方式
以下将结合附图详细说明本发明提供的线热源。
请参阅图2至图4，本发明实施例提供一种线热源20，该线热源20包 括一线状支撑结构202; —反射层210设置于该线状支撑结构202的表面； 一加热元件204设置于所述反射层210表面；两个电极206间隔设置，且与 该加热元件204电连接；以及一绝缘保护层208设置于该加热元件204的表面。所述线热源20的长度与直径不限，优选地，所述线热源20的直径为0.1 孩丈米~1.5厘米。本实施例的线热源20的直径为1.1毫米 1.1厘米。
所述线状支撑结构202用于支撑加热元件204，其材料可为硬性材料或 柔性材料。所述硬性材料包括陶瓷、玻璃、树脂以及石英等中的一种或多种。 所述柔性材料包括塑料、树脂以及柔性纤维等中的一种或多种。所述线状支 撑结构202可采用柔性材料，此时，所述线热源20在使用时根据需要弯折 成任意形状。所述线状支撑结构202的长度、直径以及形状不限，可依据实 际需要进行选择。本实施例的线状支撑结构202为一陶瓷杆，其直径为l毫 米~1厘米。
所述反射层210的材料为一白色绝缘材料，如金属氧化物、金属盐及 陶瓷等中的一种或多种。本实施例中，所述反射层210的材料优选为三氧化 二铝，其厚度为100孩￡米~0.5毫米。该反射层210可以通过物理气相沉积法 或化学气相沉积法等方法制备。所述物理气相沉积法包括溅射或蒸镀等。本 实施例中，通过溅射的方法沉积三氧化二铝于该线状支撑结构202表面。所 述反射层210用来反射所述加热元件204所发的热量，使其有效的散发到外 界空间去。可以理解，该反射层210为一可选择结构。
所述加热元件204包括一碳纳米管结构。该碳纳米管结构可以包裹或缠 绕于所述反射层210的表面。该碳纳米管结构可以利用本身的粘性与该反射 层210连接，也可通过粘结剂与反射层210连接。本实施例中，所述的粘结 剂为硅胶。可以理解，当该线热源20不包括反射层210时，加热元件204 可以直接包裹或缠绕于所述线状支撑结构202的表面。
所述碳纳米管结构为一自支撑结构。所谓"自支撑结构"即该碳纳米管 结构无需通过一支撑体支撑，也能保持自身特定的形状。该自支撑结构的碳 纳米管结构包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管通过范德华力相互吸引，从 而使碳纳米管结构具有特定的形状。所述碳纳米管结构中的碳纳米管包括单 壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述单壁碳纳 米管的直径为0.5纳米~50纳米，所述双壁碳纳米管的直径为1.0纳米~50纳 米，所述多壁碳纳米管的直径为1.5纳米 50纳米。所述碳纳米管的长度不 限，优选地，碳纳米管的长度大于IOO微米。该碳纳米管结构可以为面状或 线状结构。由于该碳纳米管结构具有自支撑性，故该碳纳米管结构在不通过支撑体支撑时仍可保持面状或线状结构。所述碳纳米管结构的单位面积热容
小于2x 10"焦耳每平方厘米开尔文。优选地，所述碳纳米管结构的单位面 积热容小于等于1.7xl0-s焦耳每平方厘米开尔文。由于该碳纳米管结构中的 碳纳米管结构具有很好的柔韧性，使得该碳纳米管结构具有很好的柔韧性， 可以弯曲折叠成任意形状而不石皮裂。
本实施例中，所述碳纳米管结构包括至少一碳纳米管膜。该碳纳米管膜
可以包裹或缠绕于所述反射层210的表面。所述碳纳米管膜为从碳纳米管阵
列中直接拉取获得的一种具有自支撑性的碳纳米管膜。每一碳纳米管膜包括 多个沿同一方向择优取向且平行于碳纳米管膜表面排列的碳纳米管。所述碳
纳米管之间通过范德华力首尾相连。请参阅图5及图6,具体地，每一碳纳
米管膜包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段143。该多个碳纳米管片段
143通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段143包括多个相互平行的碳
纳米管145，该多个相互平行的碳纳米管145通过范德华力紧密结合。该碳
纳米管片段143具有任意的宽度、厚度、均匀性及形状。所述碳纳米管膜的
厚度为0.5纳米 100微米，宽度与拉取该碳纳米管膜的碳纳米管阵列的尺寸
有关，长度不限。所述碳纳米管膜及其制备方法请参见范守善等人于2007
年2月9日申请的，于2008年8月13日公开的第CN101239712A号中国公
开专利申请"碳纳米管膜结构及其制备方法，，，申请人清华大学，鸿富锦精 密工业(深圳)有限公司。当该碳纳米管结构由碳纳米管膜组成，且碳纳米 管结构的厚度比较小时，例如小于IO微米，该碳纳米管结构有很好的透明度， 其透光率可以达到96%，可以用于制造一透明热源。所述vf友纳米管膜的单位 面积热容可小于等于1.7xl0-s焦耳每平方厘米开尔文。
当所述碳纳米管结构包括重叠设置的多层碳纳米管膜时，相邻两层碳纳 米管膜中的择优取向排列的碳纳米管之间形成一交叉角度a，且a大于等于 0度小于等于90度(0°^^90°)。所述多个碳纳米管膜之间或一个碳纳米管 膜之中的相邻的碳纳米管之间具有一定间隙，当交叉角度a大于O度时，在 碳纳米管结构中形成多个微孔，微孔的孔径约小于IO微米。可以理解，通过 控制碳纳米管膜的层数可以控制碳纳米管结构的厚度。碳纳米管结构的热响 应速度与其厚度有关。在相同面积的情况下，碳纳米管结构的厚度越大，热 响应速度越慢；反之，碳纳米管结构的厚度越小，热响应速度越快。当所述碳纳米管结构的厚度为1微米 1毫米，碳纳米管结构在小于1秒的时间内就 可以达到最高溫度。而碳纳米管单层膜在0.1毫秒时间内就可以达到最高温
度。所以，该线热源20可适用于对物体快速加热。
本实施例中，加热元件204采用重叠且交叉设置的IOO层碳纳米管膜， 相邻两层碳纳米管膜中的碳纳米管之间的交叉角度为90度。该碳纳米管结 构的长度为5厘米，碳纳米管结构的宽度为3厘米，碳纳米管结构的厚度为 50微米。利用碳纳米管结构本身的粘性，将该碳纳米管结构包裹于所述反射 层210的表面。
所述两个电极206的设置方式不限，只需确保其间隔设置，且与该加热 元件204电连接即可。具体地，所述电极206可设置在所述加热元件204的 同一表面上也可以设置在所述加热元件204的不同表面上。所述电极206可 通过碳纳米管结构的粘性或导电粘结剂(图未示)设置于该加热元件204的表 面上。导电粘结剂在实现电极206与碳纳米管结构电接触的同时，还可将电 极206更好地固定于碳纳米管结构的表面上。通过该两个电极206可以对加 热元件204施加电压。其中，两个电极206之间间隔设置，以使采用碳纳米 管结构的加热元件204通电发热时接入一定的阻值避免短路现象产生。优选 地，将电极206环绕设置于加热元件204的表面。由于加热元件204中的碳 纳米管膜在沿碳纳米管的方向具有较低的电阻率，所以，该加热元件204的 设置与所述电极206的设置有关。优选地，该加热元件204中部分碳纳米管 的排列方向沿着中一个电极206向另一个电极206的方向延伸。
所述电极206为导电薄膜、金属片或者金属引线。该导电薄膜的材料可 以为金属、合金、铟锡氧化物(ITO)、锑锡氧化物(ATO)、导电银胶、导 电聚合物等。该导电薄膜可以通过物理气相沉积法，化学气相沉积法或其它 方法形成于加热元件204表面。该金属片可以为铜片或铝片等。该金属片可 以通过导电粘结剂固定于加热元件204表面。
所述电极206还可以为一金属性碳纳米管结构。该碳纳米管结构设置于 加热元件204的表面。该碳纳米管结构可通过其自身的粘性或导电粘结剂固 定于加热元件204的表面。该碳纳米管结构包括定向排列且均匀分布的多个 金属性碳纳米管。具体地，该碳纳米管结构可以包括至少一碳纳米管膜、至 少一碳纳米管线状结构或其组合。所述碳纳米管线状结构可以包括至少一个碳纳米管线、多个碳纳米管线平行排列组成的束状结构或多个碳纳米管线相 互扭转组成的绞线结构。
所述碳纳米管线包括多个沿碳纳米管线轴向定向排列的碳纳米管。所述 碳纳米管线可以为非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线。该非扭转的碳
纳米管线为将碳纳米管拉膜通过有机溶剂处理得到。请参阅图7,该非扭转
的碳纳米管线包括多个沿碳纳米管线长度方向排列的碳纳米管。该扭转的碳 纳米管线为采用一机械力将所述碳纳米管拉膜两端沿相反方向扭转获得。请
参阅图8,该扭转的碳纳米管线包括多个绕碳纳米管线轴向螺旋排列的碳纳 米管。该非扭转的碳纳米管线与扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳 米 100微米。所述碳纳米管线及其制备方法请参见范守善等人于2002年9 月16日申请的，于2008年8月20日公告的第CN100411979C号中国公告专 利"一种碳纳米管绳及其制造方法，，，申请人清华大学，鸿富锦精密工业(深 圳)有限公司，以及于2005年12月16日申请的，于2007年6月20日公开 的第CN1982209A号中国公开专利申请"碳纳米管丝及其制作方法，，，申请 人清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司。
进一步地，可采用一挥发性有机溶剂处理该扭转的碳纳米管线。在挥发 性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，处理后的扭转的碳纳米管线中 相邻的碳纳米管通过范德华力紧密结合，使扭转的碳纳米管线的直径及比表 面积减小，密度及强度增大。由于该碳纳米管线为采用有机溶剂或机械力处 理上述碳纳米管拉膜获得，该碳纳米管拉膜为自支撑结构，所以该碳纳米管 线为自支撑结构。
本实施例中，将两个碳纳米管膜分别设置于线状支撑结构202沿长度方 向的两端作为电极206。该两个碳纳米管膜环绕于加热元件204的内表面， 并通过导电粘结剂与加热元件204之间形成电接触。所述导电粘结剂优选为 银胶。由于本实施例中的加热元件204采用重叠且交叉设置的碳纳米管膜， 所以电极206与加热元件204均采用碳纳米管结构，可以降低电极206与加 热元件204之间的欧姆接触电阻，从而提高线热源20对电能的利用率。
所述绝缘保护层208的材料为一绝缘材料，如橡胶、树脂等。所述绝 缘保护层208厚度不限，可以根据实际情况选择。本实施例中，该绝缘保护 层208的材料采用橡胶，其厚度为0.5-2毫米。该绝缘保护层208可通过涂敷或包裹的方法形成于加热元件204的外表面。所述绝缘保护层208用来防 止该线热源20在使用时与外界形成电接触，同时还可以防止加热元件204 中的碳纳米管结构吸附外界杂质。可以理解，该绝缘保护层208为一可选择结构。
碳纳米管具有良好的导电性能以及热稳定性，作为一理想的黑体结构， 具有比较高的热辐射效率。本实施例中，对上述由IOO层碳纳米管交叉膜组 成的碳纳米管结构进行了电热性能测量。该碳纳米管结构长5厘米，宽3厘 米。将该碳纳米管结构包裹于一直径为1厘米的线状支撑结构202上，且其 位于两个电极206之间的长度为3厘米。电流沿着线状支撑结构202的长度 方向流入。所述测量仪器分别为红外测温4义RAYTEK RAYNER IP-M与红外 测温仪AZ-8859。请参见图9，当加热功率为36瓦时，其表面温度已经达到 370°C。可见，该碳纳米管结构具有较高的电热转换效率。
将该线热源20连接导线接入电源电压后，通过在10伏 30伏调节电源 电压的大小，该线热源20可以辐射出波长较长的电磁波。通过温度测量仪 发现该线热源20的温度为50°C~500°C。对于具有黑体结构的物体来说，其 所对应的温度为200。C 450。C时就能发出人眼看不见的热辐射(红外线)，此 时的热辐射最稳定、效率最高，所产生的热辐射热量最大。
该线热源20在使用时，可以将其设置于所要加热的物体表面或将其与 被加热的物外间隔设置，利用其热辐射即可进行加热。另外，还可以将多个 该线热源20排列成各种预定的图形使用。该线热源20可以应用于电加热器、 红外治疗仪、电暖器等领域。
本实施例中，由于碳纳米管具有纳米级的直径，使得制备的碳纳米管结 构可以具有较小的厚度，故，采用小直径的线状支撑结构可以制备微型线热 源。碳纳米管具有较强的抗腐蚀性，使其可以在酸性环境中工作。而且，碳 纳米管具有极强的稳定性，即使于3000。C以上高温的真空环境下工作也不会 分解，使该线热源20适合于真空高温下工作。另外，碳纳米管的强度比同 体积的钢的强度高IOO倍，重量却只有其1/6,所以，采用碳纳米管的线热 源20具有更高的强度和更轻的重量。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依 据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
权利要求
1.一种线热源，其包括一线状支撑结构；一加热元件设置于线状支撑结构的表面，以及；至少两个电极间隔设置，所述至少两个电极与该加热元件电连接；其特征在于，所述的加热元件包括至少一碳纳米管膜，且该碳纳米管膜中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列。
2. 如权利要求l所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管膜包括多个首尾相 连且择优取向排列的碳纳米管片段，相邻的碳纳米管片段之间通过范德华力 紧密连接。
3. 如权利要求2所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管片段包括多个长度 基本相同且基本相互平行排列的碳纳米管。
4. 如权利要求3所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管的长度为200微米 ~900微米，直径小于50纳米。
5. 如权利要求l所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管结构包括至少两个 层叠设置的碳纳米管膜，且相邻两个碳纳米管膜之间通过范德华力紧密连 接。
6. 如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管膜的单位面积热容 小于等于2x 10-4焦耳每平方厘米开尔文。
7. 如权利要求6所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管膜的单位面积热容 小于等于1.7xl0"焦耳每平方厘米开尔文。
8. 如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述破纳米管膜的厚度为0.5纳 米 100微米。
9. 如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管膜缠绕或包裹设置 于线状支撑结构的表面。
10. 如权利要求9所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管膜通过其自身的粘 性或导电粘结剂固定于线状支撑结构的表面。
11. 如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述两个电极间隔设置于加热元件的表面，且位于线状支撑结构的两端。
12. 如权利要求11所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管膜中的碳纳米管 /人一个电才及向另 一个电才及延伸。
13. 如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述电极为一碳纳米管结构，该 碳纳米管结构包括定向排列且均匀分布的多个金属性碳纳米管，该碳纳米管 结构设置于加热元件的表面。
14. 如权利要求13所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管结构包括至少一 碳纳米管膜、至少一碳纳米管线状结构或其组合。
15. 如权利要求14所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管线状结构包括至 少一非扭转的碳纳米管线、至少一扭转的碳纳米管线或其组合。
16. 如权利要求15所述的线热源，其特征在于，所述非扭转的碳纳米管线包括 多个碳纳米管沿该非扭转的碳纳米管线长度方向平行排列，所述扭转的碳纳 米管线包括多个碳纳米管沿该扭转的碳纳米管线长度方向呈螺旋状排列。
17. 如权利要求15所述的线热源，其特征在于，所述非扭转的碳纳米管线或扭 转的碳纳米管线的直径为0.5纳米 100微米。
18. 如权利要求l所述的线热源，其特征在于，所述线状支撑结构的材料为柔性 材料或硬性材料，且所述柔性材料包括塑料及柔性纤维中的一种或多种，所 述硬性材料包括陶瓷、玻璃、树脂及石英中的一种或多种。
19. 如权利要求l所述的线热源，其特征在于，所述线热源进一步包括一反射层 设置于所述加热元件与线状支撑结构之间，所述反射层的材料包括金属氧化 物、金属盐及陶资中的一种或多种。
20. 如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述线热源进一步包括一绝缘保 护层设置于所述加热元件的外表面。
全文摘要
一种线热源，其包括一线状支撑结构，一加热元件设置于线状支撑结构的表面，以及至少两个电极间隔设置，所述的至少两个电极与该加热元件电连接，其中，所述的加热元件包括至少一碳纳米管膜，且同一碳纳米管膜中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列。
文档编号B82B1/00GK101610613SQ20091013834
公开日2009年12月23日 申请日期2009年4月24日 优先权日2008年6月18日
发明者辰 冯, 锴 刘, 姜开利, 范守善 申请人:清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司