专利名称：具有线性碳结构的准一维纤维半导体及其制备方法和装置,以及使用该纤维半导体的加 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有线性碳结构的准一维纤维半导体，更具体涉及一种具有线性碳结构的准一维纤维半导体，其中将产生强辐射热的半导体碳纤维贴附在金属板上以用作平面加热元件，还涉及该纤维半导体的制造方法和装置以及使用该纤维半导体的加热元件。
通常，准一维导体是一种导电性朝该晶体的垂直面的选定方向增加的晶体物质。这种各向异性导体涉及其晶体结构的特性，即电子是一维移动的。
这一现象可主要在含有过渡金属原子的复合物形成的晶格中观察到。
例如，有一种晶体R3Pt(CN4)B0.3·3H2O，其中Pt原子被分子CN围绕形成平行连接。由于Pt原子间的距离(2.88)短，Pt原子的电子云彼此交叉以便能在原子间运动。此外，作为另一个准一维导体的实例，有一种由包括四氰基-kino-二甲烷化合物的分子组成的物质。在该物质的结晶化过程中，复合物就以链引(linkage inviting)传导形式开始列成一排。
然而，由于包括金属原子的准一维半导体的晶格周期要改变瞬间的晶格变换，准一维导体就不稳定。结果，当其温度降低时，准一维导体转变成电解质。这就产生了如下问题，准一维导体的转变伴随着晶粒声谱(acoustic grain spectrum)、光学特性、导电性、电子的热容、顺磁性材料的磁化率等的改变。
此外，具有二维结晶层结构的导体可转变成类二维导体。作为实例，可举出石墨。石墨的各晶面间距为6.69，并且也具有六方结构，其中在六方晶面内其原子间的距离为2.4。层面和原子间的差异能产生一万倍电导。
因此，最近已经提出一种用新的线性聚合链(=C=C)n化合新的碳结晶体，称为“卡宾碳”。这种碳晶体具有n型半导体的特生并且在超过2500℃的高温下转变成石墨。具有这样的线性晶体结构的碳素纤维可通过在2200℃惰性气体状态下热解人造丝而获得。用人造丝可制造各种复合物，主要是坚固且有韧性的电加热元件。
在“卡宾碳”的结构中，原子间的距离为2.75，线生聚合链的面间距为8.34。此外，由于在石墨晶体的分子层间形成了大空间，卡宾碳的结构能吸收大量某些物质。如果向石墨中加入一种化合物，大多数化合物受到位于分子层间边界处的吸附物质的特异性限制。通常，位于边界处的吸附物质能阻止碳与其他元素结合，以便填隙化合物能远离碳网间的边界处。然而，在适当的条件下，吸附物质可以再生并以几乎完整的石墨结构形式提取出来。
同时，石墨化合物可分成两组。一组是通过提取氟化物和氧而获得的石墨化合物。这组化合物的特征在于碳原子与填隙化合物是共价键合的。这是为何其结构是扭曲的原因。在这组化合物中，含有位于边界处的吸附物质的材料基本类似于化合物。
另一组石墨化合物包括含有石墨的各种材料。这些材料类似于一般的副产物。由于材料颗粒与石墨层的极化不一致，在副产物中有一些差别。这种石墨化合物不受结构扭曲的影响。
因此，本发明的一个目的是提供一种新的具有线性碳结构的准一维碳纤维半导体，其中向碳纤维中加入受体填隙杂质(无机阴离子)。
本发明的另一目的是提供制造该准一维碳纤维半导体的方法，以便获得使用这种准一维碳纤维半导体的高效电热元件的方法。
本发明的另一目的是制造一种其侧面附连金属板，以便得到大面积电阻并且散发出大量热，同时整体电阻无任何改变的碳纤维。
本发明的另一目的是提供一种能用于加热元件的碳纤维，该碳纤维能发射出弱电磁波，从而在施加交流电时能保护人体不受电磁波的伤害。
为获得上述目的和其他的优点，本申请提供一种具有线性碳结构的准一维碳纤维半导体，其特征在于向碳纤维中加入类似于磷酸根离子(PO-34)的受体填隙杂质。
在本发明的一个方面，还提供一种制造具有线性碳纤维结构的准一维纤维半导体的方法，包括下列步骤电化学处理碳条、清洁电化学处理过的碳条、干燥清洁后的碳条、用硅酮溶液饱和经干燥过的碳条、形成细线(fine thread)形式的饱和碳条。
本发明另一方面还提供了用于制造具有线性碳结构的准一维纤维半导体的装置，包括用于储放碳条的贮槽、多个用于从槽中连续传送碳条的辊、在辊之间设置并电化学处理从贮槽中传送出来的碳条的电解槽、用于清洗通过电解槽后的碳条的水容器、用于干燥在水容器中清洗过的碳条的干燥器和用于储放包括二氯甲烷的硅酮电解溶液，碳条被用硅酮电解液饱和。
本发明另一方面提供一种使用具有线性碳结构的准一维纤维半导体的加热元件，包括由一对上下薄板形成的基座；金属板，该板具有所需表面积且纵向和横向以规则间隔排列在基座的相应表面上；分别在金属板的上面和下面的中央部分按次序重复的碳纤维线；位于基座的侧面以便向碳纤维线提供能量的导体；加热座，它有一对第一和第二电极板，向碳纤维线提供来自基座之外的能量，第一电极板与碳纤维线连接，位于金属板的上面，第二电极板与碳纤维线连接，位于金属板的下面。
通过参考附图详述本发明的优选实施方案可以更清楚本发明的上述目的和其他优点，其中
图1说明本发明具有线生碳结构的准一维纤维半导体制造方法；图2曲线说明在半导体碳纤维在电解槽中用作AC电场的电负荷的情况下的cosΦ值，也就是本发明的功率因数的变化；图3对照曲线说明碳条有效电阻随磷酸盐基团浓度的变化；图4对照曲线说明碳条有效电阻随碳条通过电解槽的迁移率的变化；图5说明本发明加热元件中碳条的连接状况；
图6说明在本发明加热元件中碳纤维被连接到电极板；图7是说明使用本发明的加热元件的加热板的透视图；与8是说明本发明加热座的其他实施方案的透视图。
下面将参考附图更详细地描述本发明，其中表明了本发明的优选实施方案。
在本发明的准一维纤维半导体中，向碳纤维中加入了受体填隙杂质(无机阴离子)，从而提供一种具有准一维导电性的P-型半导体。
下面将参见图1详述描述本发明的具有线性碳结构的准一维纤维半导体的制造方法。
a)将2200条纤丝、约100股细条线，一个11到13Ω/m的电阻器和一个在2200℃下热处理的碳条以0.015m/min的速度从槽1开始经过电解槽进行电化学处理。这一步骤可以在辊7的控制下进行。
与此同时，碳条是通过水冷阴极提供到电解槽中的。电解液的组成如下H3PO495～25g/lCrO3 25～75g/lH2O 余量。
此时，100股细条线纵向的电流强度是2～10A，电解液的温度在40～45℃的范围内。
b)将电解碳条移到容器3中，并通过注入水清洗。同时，控制注入水量以均匀保持电解槽中的电解液位。
c)用干燥器4干燥清洗过的化学处理碳条。
d)为了稳定和改善碳条并强化碳丝，将碳条移动到含硅酮电解液的槽5中，用单体硅酮和二氯乙烷进行饱和。
这时，溶液的组成如下硅酮70-80g/l二氯乙烷余量，并使溶液保持在室温。
这时，在较高浓度的硅酮中，碳丝的电物理特性改变，其有效电阻增加约10倍。如果硅酮的浓度低于其优化条件，碳丝的机械物理特性就缓慢改变。接着，将碳条用已知的路径过滤器(way filter)500拆成细线，并把它们排到外面。
e)在硅酮聚合处理后，碳条就形成细线，并用卷筒6缠绕。
如上所述，制造具有空穴导电的(P-型)半导体的碳纤维的方法与形成杂质半导体的类似。
在本说明书中所指的杂质是指加入到半导体基团中形成电物理特性的材料。结果，杂质在围绕半导体价带最上层的禁区上就形成了一种另外的能级。
在碳纤维价带中的电子因热激励而被热激发，并被转移到杂质的自由电子能级(杂质层)。电子并不影响电流的传导。
在半导体中的空穴浓度比传到价带的电子浓度要高。
为了把一种受体杂质(无机阴离子)注入碳纤维中的取代空间，需要一种有强酸性的化合物例如CrO3。
在这种情况下，热和化学稳定的受体杂质，例如就是磷酸根阴离子(PO-34)。在本说明书中，将不涉及其它的阴离子。
然而，如果有CrO3，在线形结构的碳原子和受体杂质之间的相互作用就非常缓慢，分别形成的碳纤维就具有不同的特性。
因此，把受体杂质注入碳纤维结构中的优化方法是使用电化学电解质加工。
在硅酮电解质溶液中的碳纤维最终处理步骤中，每一步需要分别固定纤丝。
在此情况下，因为纤丝是机械强化的，碳纤维的抗拉强度就增强。另外，由于碳纤维的内部和外部处配备的纤丝中静电的释放，可以预防纤丝的腐蚀，并且电磁波(最大1.5mG)的辐射就可以降低，从而可以保护人体免受电磁波的损害。
图2曲线说明在半导体碳纤维在电解槽中用作AC电场的电负荷的情况下的cosΦ值，也就是本发明的功率因数。电流密度优选在2～10A的范围。
与在AC或DC电源下的功率消耗相比，有较大量的辐射热辐射到准一维半导体上。
这一现象可以用一个事实解释，由于供应负栽例如变电站、各种马达和变压器的特性改变，连接使用者和供应者的电源线就有高电感。
如果用一个电容器负栽补偿由于通常的电感造成的损失，就不可能获得象本发明中这样的辐射热。
众所周知电感是在交流电中相位延迟的主要原因。
这就造成如下所述的功率损失W=Ⅵcosθ(θ是功率因数)。
如图中所述，碳纤维的聚合物链在一个功率因数(cosθ=0.7)之处改变。
如果准一维半导体被用作在交流电中的负栽，电流就是均匀的，没有任何改变。因为通过降低电压与电流相应的增量可以降低相位差，功率因数(cosθ)就可以增加。
图3说明碳条有效电阻与磷酸根浓度的关系；优化浓度是150～300g/l，电阻在较低的浓度下改变，但在较高的浓度下成几何增加。
图4说明碳条有效电阻随碳条通过电解槽的迁移率关系。
在迁移率为0.015m/min时，物理特性并不改变。
在有准一维碳结构的半导体纤维中提供一块金属板而不改变整个电阻，以便辐射大量的热并增加表面电阻。在这种情况下，碳纤维的内阻是整个电阻的10～20％，然而，表面电阻增加约1000倍。
根据制造有准一维碳结构的纤维半导体的方法，可以应用到有平面结构的电流加热元件中。
如图5和图6所示，金属板20的一端与碳纤维10的另一端交叠在一起。在碳纤维的两端有电极板30彼此相对。
金属板20和电极板30由铝、铜、铜合金、或铁制成。金属板20自身通过碳纤维10辐射热量。
金属板20之间的距离是2～3mm。提供的尺寸是1cm×1cm～5cm×5cm。
如图5所示，碳纤维10与金属板20表面通过能提供较好接触的胶合或熨烫连接。电极板30由铜或黄铜板制成。所有的碳纤维10的一端都与电极板30的另一端接触。每一个单独的元件都通过一个电极板30彼此连接。
在这种情况下，电流以各自不同的方向通过各个元件的界面。
加热元件如上所述，具有如下特性碳纤维10长度1.5m金属板11的数量20额定AC电压220V碳纤维的有效电阻1500Ω/m总电阻40Ω电流0.49A全电动势220瓦特电磁辐射功率最大1.5毫高斯在AC电场下的起始功率因数(cosθ)0.8在接通一个元件时的后续功率因数(cosθ)0.98有效能量增加率18％表面温度72～76℃。
如图7和图8所示，加热元件被安装在加热座中以迅速加热金属板，这样加热板的薄板就均匀辐射热量，由于金属板迅速的热传递，因此能以小的功率消耗而有效获得所需的温度。
图7是说明使用本发明的加热元件的加热座，其中提供了一对薄板型基基座40，该座是由耐热塑料材料制成以避免电流泄露。
在基基座40的每一个对应的表面，以有规律的间隔安装有具有所需表面积的金属板20。
另外，其表面被硅酮涂布的碳纤维线10，沿纵向和横向被重复安置在金属板20的上表面和下表面的中央部分，以使得金属板20彼此电连接在一起。
碳纤维10配置在与上基基座40a相连的金属板上侧面中央部分，以及与下基基座40b的上部相连的金属板20的中央部分。
在碳纤维线10的一端，配备一个导体50，以连接各对相应的基座40，从而允许施加功率。
导体50主要由铜制成。优选导体50以铜板形式提供。
另外，在基座40的另一端，提供有一对第一和第二电极板30a，30b，以使得功率能加到碳纤维线10上。
第一电极板30a与提供在金属板30的上侧面的碳纤维线10连接。第二电极板30b与提供在金属板30的下端的碳纤维线10连接。因此，加热座能迅速辐射热量。
此外，还提供一个由同样的金属材料制成的耐热绝缘箔60以绝缘第一和第二电极板30a，30b。
还有，为了避免碳纤维线10的压降，也为了均匀辐射热量，在第一和第二电极板30a，30b和导体50之间平行提供碳纤维10。
因此，当从外界施加功率时，碳纤维10就能均匀辐射。
因为提供的功率在碳纤维10上流动的电流很微弱，焦耳热在金属板20的内部产生。
参照图8将更充分地描述加热座的其他实施方案。
在基座40一侧面裸露的碳纤维线10的两端，分别配备供应功率的能源线。
为了以Z字型方向把功率引入基座40，提供多个导体50以连接碳纤维线10的两端。
因此，加热元件降低了功率消耗，并且也降低了电磁波辐射。
此外，当交流电通过碳纤维时，应当认为通过加热元件的功率因数的改变，不能被利用的功率就变成可以利用的功率。如果碳纤维的表面积增加以及不能被利用的功率数量级较大，该操作的效果就更加明显。
因此，本发明的准一维碳纤维半导体可以用在供电线的电抗器或稳压装置中。
并且该加热元件也可以在水分配器和加热座中稳定应用。
对本领域技术人员而言，在不背离本发明精神和范围的情况下，很明显可以对本发明进行各种改进和改变。因此，要害是本发明覆盖了源自附属待批权利要求书及其等效物范围的所有改进和改变。
权利要求
1．一种具有线性碳结构的准一维纤维半导体，其特征在于向碳纤维中加入类似于磷酸根离子(PO-34)的受体填隙杂质。
2．一种制造具有线生碳结构的准一维纤维半导体的方法，包括步骤电化学处理碳条；清洁电化学处理过的碳条；干燥清洁后的碳条；用硅酮溶液饱和干燥过的碳条；形成细线形式的饱和碳条。
3．根据权利要求2所述的方法，其特征在于碳条包括2200条纤丝、约100股细条线，一个11到13Ω/m的电阻和在2200℃氮气氛下热解的碳条。
4．根据权利要求2所述的方法，其特征在于在电化学处理碳条的步骤中，碳条在含有H3PO495～250g/l，CrO325～75g/l和其余为H2O的电解槽中处理。
5．根据权利要求3所述的方法，其特征在于碳条以0.015m/min的速度经过电解槽，电解槽的温度为40～45℃。
6．根据权利要求2所述的方法，其特征在于硅酮溶液含有70-80g/l的硅酮且其余为二氯乙烷。
7．一种制造具有线性碳结构的准一维纤维半导体的装置，包括用于储放碳条的贮槽；多个用于从槽中连续传送碳条的辊；在辊之间提供且电化学处理从贮槽中传送出来的碳条的电解槽；用于清洗通过电解槽碳条的水容器；用于干燥在水容器中清洗过的碳条的干燥器；和用于储放包括二氯甲烷的硅酮电解溶液的硅酮贮槽，碳条被用硅酮电解溶液饱和。
8．一种使用具有线性碳结构的准一维纤维半导体的加热元件，包括由一对上和下的薄板形成的基座；金属板，具有所需表面积且纵向和横向以规则间隔排列在基座的相应表面上；碳纤维线，分别按次序在金属板的上面和下面的中央部分重复；导体，位于基座的一个侧面以便向碳纤维线提供能量；加热座，有一对第一和第二电极板，向碳纤维线提供来自基座之外的能量，第一电极板与位于金属板的上面的碳纤维线连接，第二电极板与位于金属板的下侧面的碳纤维线连接。
9．根据权利要求8所述的加热元件，其特征在于碳纤维线分别位于安装在基座内部的金属板一侧，在基座一个侧面裸露的碳纤维线的两端上分别配备多个导体，使得在施加功率时以Z字型方向把功率引入基座。
全文摘要
本发明涉及一种具有线性碳结构的准一维纤维半导体,制造它的方法和装置,和使用该纤维半导体的加热元件。具有线性碳结构的准一维纤维半导体特征在于向碳纤维中加入类似于磷酸根离子(PO
文档编号H05B3/14GK1287466SQ00129048
公开日2001年3月14日 申请日期2000年8月22日 优先权日1999年8月23日
发明者权相喜, 亚历山大·德米特里耶维奇·措伊 申请人:株式会社Koros