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。线热源是热源的一种，在工业 领域、科研领域或生活领域等有着广泛的应用，如电热管、电热毯、红外治疗仪及电暖器等。现有线热源通常包括一线状发热体(如电阻丝等)以及两个电极，该两个电极间 隔设置，并与该线状发热体两端电连接。当通过所述两个电极向该线状发热体施加一电压 或通入电流时，该线状发热体产生焦耳热，且热量是以普通波长向外辐射。通常，用作线热 源的线状发热体为采用金属、合金或碳纤维制成的电热丝。然而，采用金属、合金或碳纤维制成的电热丝具有以下不足第一，该电热丝所产 生的热量均以普通波长向外辐射，其电热转换效率不高，不利于节省能源，需加入粘涂有远 红外涂料的棉线以提高电热转换效率。第二，碳纤维尺寸不够小，不利于应用于微型热源， 而金属丝直径很小的时候，强度很低，容易折断，也不利于应用于微型热源。第三，该电热丝 的质量均较大，不利于热源的轻型化。另外，金属电热丝与合金电热丝容易被氧化，且多次 弯曲或绕折成一定角度时易产生疲劳，因此，其应用受到限制。自九十年代初以来，以碳纳米管(请参见Helical microtubules of graphiticcarbon, Nature, Sumio Iijima, vol 354，p56 (1991))为代表的纳米材料以其独 特的结构和性质引起了人们极大的关注。近几年来，随着碳纳米管及纳米材料研究的不断 深入，其广阔的应用前景不断显现出来。2006年10月25日，范守善等公告的CN1282216C中国专利中揭示了一种灯丝及其 制备方法。该灯丝包括一碳纳米管丝。该碳纳米管丝包括多个通过范德华力首尾相连的碳 纳米管束，且每个碳纳米管束包括多个平行排列且长度基本相等的碳纳米管。该灯丝的制 备方法包括如下步骤制备碳纳米管阵列；从上述碳纳米管阵列中拉出碳纳米管丝；用均 勻外力将上述步骤得到的碳纳米管丝缠绕在作为电极使用的导线上，得到灯丝。当所述碳 纳米管丝通入电流时，碳纳米管丝发出焦耳热，并向周围辐射电磁波。然而，该专利文献中 的碳纳米管丝是用于发光，由于这种直接获得的纯碳纳米管丝的机械强度与韧性不够好， 使用时较容易被破坏，从而限制了碳纳米管丝的使用范围，无法直接用于热源。

发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种机械强度比较大，使用时不易被破坏的线热源。一种线热源，其包括一加热元件；以及两电极，该两电极间隔设置且与该加热元 件电连接；其中，所述加热元件包括至少一线状碳纳米管复合结构，该线状碳纳米管复合结 构包括一基体及至少一碳纳米管线状结构复合于该基体中。一种线热源，其包括一加热元件；以及两电极，该两电极间隔设置且与该加热元 件电连接；所述的加热元件包括至少一线状碳纳米管复合结构，所述线状碳纳米管复合结构包括至少一碳纳米管线状结构以及基体材料复合于该碳纳米管线状结构中。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； 以及两个电极，该两个电极间隔设置且与该加热元件电连接；所述加热元件包括至少一线 状碳纳米管复合结构，该线状碳纳米管复合结构包括一基体及至少一碳纳米管线状结构与 该基体相复合。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； 以及两个电极，该两个电极间隔设置且与该加热元件电连接；其中，所述加热元件包括至少 一线状碳纳米管复合结构，该线状碳纳米管复合结构包括一碳纳米管线状结构以及基体材 料，所述基体材料复合于该碳纳米管线状结构中。与现有技术相比较，由于所述线热源中加热元件包括碳纳米管线状结构以及与该 碳纳米管线状结构复合的基体材料，所以该加热元件机械强度与韧性较大，使用时不易被 破坏。


图1为本发明第一实施例提供的线热源的结构示意图。图2为图1的线热源沿线II-II的剖面示意图。图3为图2的线热源沿线III-III的剖面示意图。图4为本发明第一实施例的线热源包括层状碳纳米管复合结构设置于线状支撑 结构表面的示意图，其中基体材料渗透于碳纳米管结构中。图5为本发明第一实施例的线热源包括层状碳纳米管复合结构设置于线状支撑 结构表面的示意图，其中碳纳米管结构复合于基体材料中。图6为本发明第一实施例的线热源包括单个线状碳纳米管复合结构设置于线状 支撑结构表面的示意图。图7为本发明第一实施例的线热源包括多个线状碳纳米管复合结构设置于线状 支撑结构表面的示意图。图8为本发明第一实施例的线热源中的碳纳米管拉膜结构的扫描电镜照片。图9为图8中的碳纳米管拉膜结构中的碳纳米管片段的结构示意图。图10为本发明第一实施例的线热源中的碳纳米管碾压膜结构中的碳纳米管沿同 一方向择优取向排列的扫描电镜照片。图11为本发明第一实施例的线热源中碳纳米管碾压膜结构中的碳纳米管沿不同 方向择优取向排列的扫描电镜照片。图12为本发明第一实施例的线热源中的碳纳米管絮化膜结构的扫描电镜照片。图13为本发明第一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14为本发明第一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15为本发明第一实施例的线热源中碳纳米管拉膜与环氧树脂复合结构的断面 扫描电镜照片。图16为本发明第一实施例线热源的一种制备方法的流程图。图17为本发明实施例的线热源的碳纳米管絮状结构的照片。图18为本发明第一实施例将设置于线状支撑结构表面的碳纳米管结构与高分子
5材料复合的方法的流程图。图19为本发明第一实施例线热源的另一种制备方法的流程图。图20为本发明第二实施例提供的线热源的结构示意图。
具体实施例方式以下将结合附图及具体实施例详细说明本发明提供的线热源及其制备方法。请参阅图1至图3，本发明第一实施例提供一种线热源20，该线热源20为一维结 构。该线热源20包括一线状支撑结构202 ；—热反射层210设置于该线状支撑结构202的 表面；一加热元件204设置于所述热反射层210表面；两个电极206间隔设置于该加热元 件204的表面，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1.1毫米 1.1厘米。该电极206用于与外部加热电源电连接。所述线状支撑结构202为一维结构，用于支撑加热元件204。所述线状支撑结构 202的材料可为硬性材料，如陶瓷、玻璃、树脂及石英等中的一种或多种，亦可以选择柔性 材料，如塑料及柔性纤维等中的一种或多种，用以使该线热源20在使用时根据需要弯折 成任意形状。优选地，所述线状支撑结构202的材料为绝缘材料。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。优选地，所述线状支撑结构202的 直径为1毫米 1厘米。本实施例中，该线状支撑结构202为一陶瓷杆，其直径为1毫米。所述热反射层210的材料为一对热辐射具有较好反射效果的绝缘材料，如金属 氧化物、金属盐及陶瓷等中的一种或多种。所述热反射层210的厚度为100微米 0. 5毫米 本实施例中，热反射层210的材料优选为三氧化二铝，其厚度为100微米。该热反射层210 通过溅射的方法沉积于该线状支撑结构202表面。所述热反射层210可用来进一步反射加 热元件204所发出的热量，使其有效的散发到外界空间中去。该热反射层210为一可选择 结构。所述加热元件204包括一碳纳米管复合结构。所述碳纳米管复合结构包括一碳纳 米管结构以及基体材料。该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。本发明 中，该碳纳米管结构为层状或线状结构。由于该碳纳米管结构具有自支撑性，在不通过支撑 体支撑时仍可保持层状或线状结构。该碳纳米管结构中碳纳米管之间具有大量间隙，从而 使该碳纳米管结构具有大量微孔，所述基体材料渗入该微孔中，与所述碳纳米管结构紧密 结合。所述碳纳米管结构的单位面积热容小于2X10—4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可以小于等于1. 7X10—6焦耳每平方厘米开尔文。具体地， 所述碳纳米管结构可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。所述碳纳米管复合结构可包括一层状碳纳米管复合结构或至少一线状碳纳米管 复合结构设置在线状支撑结构202的表面。
所述层状碳纳米管复合结构为一二维结构。该层状碳纳米管复合结构可包裹或缠 绕在线状支撑结构202的表面。依据碳纳米管结构与基体材料的复合方式的不同，该层状 碳纳米管复合结构的具体结构包括以下两种情形第一种情形，请参阅图4，所述层状碳纳米管复合结构包括一层状的碳纳米管结构 2044以及一基体材料2042渗透于该层状的碳纳米管结构2044中。该层状的碳纳米管结构 2044中具有大量的微孔，该基体材料2042渗透于该层状的碳纳米管结构2044的微孔中。 也可以理解为，此时，碳纳米管结构2044作为母体，基体材料2042作为填充材料填充至作 为母体的碳纳米管结构2044内的孔隙中。当该层状的碳纳米管结构2044包括多个碳纳米 管膜时，该多个碳纳米管膜可以层叠设置。当该层状的碳纳米管结构2044包括单个碳纳米 管线状结构时，该单个碳纳米管线状结构折叠或盘绕成一层状自支撑结构。当该层状的碳 纳米管结构2044包括多个碳纳米管线状结构时，该多个碳纳米管线状结构可以平行紧密 设置、交叉设置或编织成一层状自支撑结构。当该层状的碳纳米管结构2044同时包括碳纳 米管膜和碳纳米管线状结构时，所述碳纳米管线状结构设置于至少一碳纳米管膜的至少一 表面。第二种情形，请参阅图5，所述层状碳纳米管复合结构包括一基体2046以及一碳 纳米管结构2044复合于该基体2046中。该基体2046为层状结构，且该碳纳米管结构2044 分布于该基体2046中，优选地，该碳纳米管结构2044在基体2046中均勻分布。该基体 2046可以将该碳纳米管结构2044完全包覆，且该基体2046的至少部分嵌入该碳纳米管结 构2044中。当该碳纳米管结构2044为多个平行且间隔设置的碳纳米管线状结构时，该碳 纳米管线状结构由线状支撑结构202的一端延伸至另一端。所述线状碳纳米管复合结构为一一维结构。所述线状碳纳米管复合结构包括两 种情形。第一种，所述线状碳纳米管复合结构包括一碳纳米管线状结构以及一基体材料渗 透于该碳纳米管线状结构中。该碳纳米管线状结构中具有大量的微孔，且基体材料渗透于 该碳纳米管线状结构的微孔中。第二种，所述线状碳纳米管复合结构包括一基体以及至少 一碳纳米管线状结构复合于该基体中。请参阅图6，当该加热元件204为单个线状碳纳米 管复合结构时，该单个线状碳纳米管复合结构可以直接缠绕于所述线状支撑结构202的表 面。请参阅图7，当该加热元件204包括多个线状碳纳米管复合结构时，该多个线状碳纳米 管复合结构可以交叉设置或编织成一层状结构，然后缠绕或包裹于所述线状支撑结构202 表面。所述碳纳米管膜可包括碳纳米管拉膜、碳纳米管絮化膜或碳纳米管碾压膜。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。所述碳纳米管膜包括均勻分布的碳纳米管，碳纳米管之间通过范德华力紧密结 合。该碳纳米管膜中的碳纳米管为无序或有序排列。这里的无序指碳纳米管的排列无规则， 这里的有序指至少多数碳纳米管的排列方向具有一定规律。具体地，当碳纳米管膜包括无 序排列的碳纳米管时，碳纳米管相互缠绕或者各向同性排列；当碳纳米管结构包括有序排 列的碳纳米管时，碳纳米管沿一个方向或者多个方向择优取向排列。本实施例中，优选地， 所述碳纳米管结构包括多个层叠设置的碳纳米管膜，且该碳纳米管结构的厚度优选为0. 5 纳米 1毫米。可以理解，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 就可以达到最高温度。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。所述碳纳米管拉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。每一碳纳米管拉膜包括多个沿同一方向择优取向且平行于碳纳米管拉膜表面排 列的碳纳米管。所述碳纳米管通过范德华力首尾相连。请参阅图8及图9，具体地，每一碳 纳米管拉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、 均勻性及形状。所述碳纳米管拉膜的厚度为0. 5纳米 100微米，宽度与拉取该碳纳米管 拉膜的碳纳米管阵列的尺寸有关，长度不限。所述碳纳米管拉膜及其制备方法具体请参见 范守善等人于2007年2月9日申请的第CN101239712A号中国公开专利申请“碳纳米管膜 结构及其制备方法”。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明 申请技术揭露的一部分。当该碳纳米管结构由碳纳米管拉膜组成，且碳纳米管结构的厚度 比较小时，例如小于10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。当所述碳纳米管结构包括层叠设置的多层碳纳米管拉膜时，相邻两层碳纳米管拉 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° < a <90° )。所述多个碳纳米管拉膜之间或一个碳纳米管拉膜之中的相邻的碳 纳米管之间具有一定间隙，从而在碳纳米管结构中形成多个微孔，微孔的孔径约小于10微米。本发明实施例的碳纳米管结构包括多个沿相同方向层叠设置的碳纳米管拉膜，从 而使碳纳米管结构中的碳纳米管均沿同一方向择优取向排列。所述碳纳米管碾压膜包括均勻分布的碳纳米管，碳纳米管沿同一方向或不同方向 择优取向排列。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管相互部分交叠，并通过范德华力相互吸 引，紧密结合，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破 裂。且由于碳纳米管碾压膜中的碳纳米管之间通过范德华力相互吸引，紧密结合，使碳纳 米管碾压膜为一自支撑的结构。所述碳纳米管碾压膜可通过碾压一碳纳米管阵列获得。所 述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管与形成碳纳米管阵列的生长基底的表面形成一夹角0，其 中，0大于等于0度且小于等于15度0 <15° )，该夹角0与施加在碳纳米管阵 列上的压力有关，压力越大，该夹角越小，优选地，该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管平行于 该生长基底排列。该碳纳米管碾压膜为通过碾压一碳纳米管阵列获得，依据碾压的方式不 同，该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管具有不同的排列形式。具体地，请参阅图10，当沿同一 方向碾压时，碳纳米管沿一固定方向择优取向排列；请参阅图11，当沿不同方向碾压时，碳 纳米管沿不同方向择优取向排列；当沿垂直于碳纳米管阵列的方向碾压时，碳纳米管膜各 向同性。该碳纳米管碾压膜中碳纳米管的长度大于50微米。所述碳纳米管碾压膜及其制 备方法具体请参见范守善等人于2007年6月1日申请的，于2008年12月3日公开的第 CN101314464A号中国专利申请“碳纳米管薄膜的制备方法”。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。该碳纳米管碾压膜的面积和厚度不限，可根据实际需要选择。该碳纳米管碾压膜 的面积与碳纳米管阵列的尺寸基本相同。该碳纳米管碾压膜厚度与碳纳米管阵列的高度以 及碾压的压力有关，可为1微米 1毫米。可以理解，碳纳米管阵列的高度越大而施加的 压力越小，则制备的碳纳米管碾压膜的厚度越大；反之，碳纳米管阵列的高度越小而施加的 压力越大，则制备的碳纳米管碾压膜的厚度越小。所述碳纳米管碾压膜之中的相邻的碳纳 米管之间具有一定间隙，从而在碳纳米管碾压膜中形成多个微孔，微孔的孔径约小于10微 米。所述碳纳米管结构可包括至少一碳纳米管絮化膜，该碳纳米管絮化膜包括相互缠 绕且均勻分布的碳纳米管。碳纳米管的长度大于10微米，优选地，碳纳米管的长度大于等 于200微米且小于等于900微米。所述碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网 络状结构。所述碳纳米管絮化膜中的碳纳米管为均勻分布，无规则排列，使得该碳纳米管絮 化膜各向同性。所述碳纳米管絮化膜中的碳纳米管形成大量的微孔结构，微孔孔径约小于 10微米。所述碳纳米管絮化膜的长度和宽度不限。请参阅图12，由于在碳纳米管絮化膜中， 碳纳米管相互缠绕，因此该碳纳米管絮化膜具有很好的柔韧性，且为一自支撑结构，可以弯 曲折叠成任意形状而不破裂。所述碳纳米管絮化膜的面积及厚度均不限，厚度为1微米 1 毫米，优选为100微米。所述碳纳米管絮化膜及其制备方法具体请参见范守善等人于2007 年4月13日申请的，于2008年10月15日公开的第CN101284662A号中国专利申请“碳纳 米管薄膜的制备方法”。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发 明申请技术揭露的一部分。 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13，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14，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具体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”，以及于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”。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明 申请技术揭露的一部分。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。另外，该碳纳米管线中相邻碳纳 米管间存在间隙，故该碳纳米管线具有大量微孔，且微孔的孔径约小于10微米。所述基体材料可以选择为高分子材料以及无机非金属材料等中的一种或多种。该 基体材料或形成该基体材料的前驱体在一定温度下为液态或气态，从而使该基体材料或该基体材料的前驱体在线热源20的加热元件204的制备过程中能够渗透到该碳纳米管结构 的间隙或微孔中，与所述碳纳米管结构紧密结合，固化后形成一复合结构。该基体材料应具 有一定的耐热性能，使其在该线热源20的工作温度内不致破坏、变形、熔化、气化或分解。具体地，该高分子材料可以包括热塑性聚合物及热固性聚合物的一种或多种，如 纤维素、聚对苯二甲酸乙酯、压克力树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂、 环氧树脂及聚酯等中的一种或多种。该非金属材料可以包括玻璃、陶瓷及半导体材料中的 一种或多种。本实施例中，该基体材料为环氧树脂。该基体材料可以为柔性高分子基底材 料。该柔性高分子基底材料可选自硅橡胶弹性体、聚氨脂及聚甲基丙烯酸甲酯中之一或其 组合物。由于所述碳纳米管结构中具有多个微孔，液态或气态的基体材料或形成该基体材 料的前驱体可以渗入该碳纳米管结构的微孔内部，与该碳纳米管结构紧密结合，固化后形 成碳纳米管复合结构。请参阅图15，为沿垂直于碳纳米管拉膜中碳纳米管的排列方向拉断 该碳纳米管复合结构得到的断面照片。可以发现，与环氧树脂复合后，该碳纳米管结构仍能 基本保持复合前的形态，碳纳米管在环氧树脂内基本沿同一方向择优取向排列。所述基体材料可只填充于所述碳纳米管结构的微孔中，也可以进一步完全包覆整 个碳纳米管结构。当该加热元件204包括多个碳纳米管结构时，该多个碳纳米管结构可相 互间隔或相互接触的设置于该基体材料中。当该碳纳米管结构为层状结构，如为碳纳米管 膜时，碳纳米管结构可相互间隔或相互接触的并排设置或层叠设置在基体材料中；当该碳 纳米管结构为线状结构，如为碳纳米管线时，该线状结构可相互间隔或相互接触的并排设 置在基体材料中。当该碳纳米管线或碳纳米管膜间隔设置于基体材料中时，可以节省制备 该加热元件204所需的碳纳米管结构的用量。另外，可视实际需要将碳纳米管膜或碳纳米 管线设置在基体材料的特定位置，从而使该加热元件204在不同位置具有不同的加热温 度。可以理解，所述基体材料渗透于碳纳米管结构的微孔中，可以起到固定该碳纳米 管结构中的碳纳米管的作用，使该线热源在使用过程中碳纳米管结构中的碳纳米管不致因 外力摩擦或刮划而脱落。当所述基体材料包覆整个碳纳米管结构时，该基体材料可进一步 保护该碳纳米管结构，同时保证该加热元件204与外部绝缘。另外，该基体材料可进一步起 到导热及使热量分布均勻的目的。进一步地，当该碳纳米管结构急剧升温时，该基体材料可 以起到缓冲热量的作用，使该加热元件204的温度变化较为柔和。该基体材料还可以增强 整个碳纳米管复合结构的柔性与韧性。可以理解，通过将基体材料与自支撑的碳纳米管结构直接复合形成加热元件204， 可使碳纳米管在加热元件204中均勻分布，且碳纳米管的含量可为 99%，提高了热 源10的发热温度。由于该碳纳米管结构为一自支撑结构，且碳纳米管在碳纳米管结构中均 勻分布，将该自支撑的碳纳米管结构与基体材料直接复合，可使复合后形成的加热元件204 中碳纳米管仍相互结合保持一碳纳米管结构的形态，从而使加热元件204中碳纳米管既能 均勻分布形成导电网络，又不受碳纳米管在溶液中分散浓度的限制，使碳纳米管在加热元 件中的质量百分含量可以达到99%。所述电极206的设置位置不限，只要与所述加热元件204电连接即可。所述电极 206可设置在加热元件204的同一表面上也可以设置在加热元件204的不同表面上。所述
10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。具体地，该导电粘结剂可以为银胶。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之间相隔设置，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，由于线状支撑结 构202直径较小，两个电极206间隔设置于线状支撑结构202的两端，并环绕设置于加热元 件204的表面。具体地，当该加热元件204的基体材料只填充于该碳纳米管结构的微孔中时，由 于该碳纳米管结构中部分碳纳米管的部分暴露于该碳纳米管复合结构表面，该电极206可 以设置在加热元件204的表面上，从而使电极206与碳纳米管结构电连接。该电极206可以 设置在加热元件204的同一表面上也可以设置在加热元件204的不同表面上。另外，当该 碳纳米管复合结构的基体材料包覆整个碳纳米管结构时，为使该电极206与该碳纳米管结 构电连接，该电极206可设置于碳纳米管复合结构中，并直接与碳纳米管结构接触。此时， 为使该电极206与外部电源导通，该电极206可部分暴露于碳纳米管复合结构之外；或者， 该线热源20可进一步包括两条引线，分别与该两个电极206电连接，并从该碳纳米管复合 结构内部引出。当该碳纳米管结构中的碳纳米管有序排列时，优选地，该碳纳米管的排列方向沿 从一个电极206至另一电极206方向延伸。具体地，当该碳纳米管结构包括至少一碳纳米 管拉膜时，所述两个电极206分别设置于该碳纳米管拉膜的两端，使碳纳米管拉膜中的碳 纳米管从一个电极206至另一电极206的方向首尾相连定向排列。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(IT0)、锑锡氧化物(AT0)、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。该金属片或者 金属引线的材料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还可以为一碳纳米管结构。该碳纳米管结构可通过其自身的粘性或 导电粘结剂固定于热反射层210或线状支撑结构202的表面。该碳纳米管结构包括定向排 列且均勻分布的金属性碳纳米管。具体地，该碳纳米管结构包括至少一碳纳米管拉膜或至 少一碳纳米管线。本实施例中，优选地，将两个碳纳米管拉膜分别设置于沿线状支撑结构202长度 方向的两端作为电极206。该两个碳纳米管拉膜环绕于加热元件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也采用碳纳米管结构，所以电极206与加热元件204之间具有较小的欧姆接 触电阻，可以提高线热源20对电能的利用率。可以理解，电极206的结构和材料均不限，只要能向所述碳纳米管复合结构中输 入电流的方式都在本发明的保护范围内。所述绝缘保护层208的材料为一绝缘材料，如橡胶及树脂等中的一种或多种。所 述绝缘保护层208厚度不限，可以根据实际情况选择。所述绝缘保护层208的厚度为0. 5 2毫米。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毫米。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层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，且作为一理想的黑体结构，具有比 较高的热辐射效率。将本实施例的线热源20的两个电极206连接导线后接入电源，施加一 定电压于所述碳纳米管复合结构，线热源20中的碳纳米管复合结构即可辐射出一定波长 范围的电磁波。该线热源20在碳纳米管结构的面积大小一定时，通过调节电源电压大小和 碳纳米管结构的厚度，可以辐射出不同波长范围的电磁波。电源电压的大小一定时，碳纳米 管结构的厚度和线热源20辐射出电磁波的波长的变化趋势相反。即当电源电压大小一定 时，碳纳米管结构的厚度越厚，线热源20辐射出电磁波的波长越短；碳纳米管结构的厚度 越薄，线热源20辐射出电磁波的波长越长。具体地，该碳纳米管结构可以产生一红外线热 辐射。碳纳米管结构的厚度一定时，电源电压的大小和线热源20辐射出电磁波的波长成反 比。即当碳纳米管结构的厚度一定时，电源电压越大，线热源20辐射出电磁波的波长越短； 电源电压越小，线热源20辐射出电磁波的波长越长。可以理解，该线热源20在应用时应根据基体材料的耐热性限制施加在两个电极 206两端的电压大小，使碳纳米管复合结构的发热温度控制在该基体材料能耐受的温度范 围内。例如，当该基体材料为有机高分子聚合物时，该电压小于等于10伏，该热源的发热温 度为120°C以下。当该基体材料为陶瓷时，该电压范围为10伏 30伏，该热源的发热温度 可为 120°C 500°C。当该线热源20的碳纳米管复合结构中的基体材料为柔性的聚合物材料，且线状 支撑结构202也由柔性材料制作时，该线热源20为一柔性线热源20。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体间隔设置，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排列或编织成各种预定的图形使用。该柔 性的线热源20可以用于制造自发热的取暖服、取暖手套或取暖鞋、电加热器、红外治疗仪、 电暖器等，具有广泛的应用范围。请参阅图16，本发明第一实施例进一步提供一种线热源20的制备方法，其具体包 括以下步骤步骤S101，提供一碳纳米管结构。根据碳纳米管结构的不同，所述碳纳米管结构的制备方法包括直接拉膜法、碾压 法、絮化法等。下面将对上述几种碳纳米管结构的制备方法进行分别叙述。(一 )当该碳纳米管结构包括至少一碳纳米管拉膜，该碳纳米管结构的制备方法 包括以下步骤首先，提供一碳纳米管阵列形成于一生长基底，该阵列优选为超顺排的碳纳米管 阵列。该碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括(a)提供一 平整生长基底，该生长基底可选用P型或N型硅生长基底，或选用形成有氧化层的硅生长基 底，本发明实施例优选为采用4英寸的硅生长基底；(b)在生长基底表面均勻形成一催化剂 层，该催化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一；(c)将上述 形成有催化剂层的生长基底在700°C 900°C的空气中退火约30分钟 90分钟；(d)将处 理过的生长基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500°C 740°C，然后通入碳源气体反应约5分钟 30分钟，生长得到碳纳米管阵列。该碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂 直于生长基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件，该定向排 列的碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。本发明实施例提供的碳纳米管阵列为单壁碳纳米管阵列、双壁碳纳米管阵列及多 壁碳纳米管阵列中的一种。所述碳纳米管的直径为1 50纳米，长度为50纳米 5毫米。 本实施例中，碳纳米管的长度优选为100 900微米。本发明实施例中碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等化学性质较活泼的碳氢化合物， 本发明实施例优选的碳源气为乙炔；保护气体为氮气或惰性气体，本发明实施例优选的保 护气体为氩气。可以理解，本发明实施例提供的碳纳米管阵列不限于上述制备方法，也可为石墨 电极恒流电弧放电沉积法、激光蒸发沉积法等。其次，采用一拉伸工具从碳纳米管阵列中拉取碳纳米管获得至少一碳纳米管拉 膜，其具体包括以下步骤(a)从所述超顺排碳纳米管阵列中选定一个或具有一定宽度的 多个碳纳米管，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带、镊子或夹子接触碳纳米管阵列 以选定一个或具有一定宽度的多个碳纳米管；(b)以一定速度拉伸该选定的碳纳米管，从 而形成首尾相连的多个碳纳米管片段，进而形成一连续的碳纳米管膜。该拉取方向沿基本 垂直于碳纳米管阵列的生长方向。在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离生长 基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管片段分别与其它碳纳米管片段首 尾相连地连续地被拉出，从而形成一连续、均勻且具有一定宽度的碳纳米管膜。该碳纳米管 膜包括多个首尾相连的碳纳米管，该碳纳米管基本沿拉伸方向排列。请参阅图8及图9，该 碳纳米管膜包括多个择优取向排列的碳纳米管145。进一步地，所述碳纳米管膜包括多个 首尾相连且定向排列的碳纳米管片段143，碳纳米管片段143两端通过范德华力相互连接。 该碳纳米管片段143包括多个相互平行排列的碳纳米管145。该直接拉伸获得碳纳米管膜 的方法简单快速，适宜进行工业化应用。该碳纳米管膜的宽度与碳纳米管阵列的尺寸有关，该碳纳米管膜的长度不限，可 根据实际需求制得。当该碳纳米管阵列的面积为4英寸时，该碳纳米管膜的宽度为0. 5纳 米 10厘米，该碳纳米管膜的厚度为0. 5纳米 100微米。最后，利用上述碳纳米管拉膜制备碳纳米管结构。该碳纳米管拉膜可以直接作为一碳纳米管结构使用。进一步，还可以将至少两个 碳纳米管拉膜平行无间隙或/和重叠铺设得到一碳纳米管结构。由于该碳纳米管拉膜具有 较大的比表面积，因此该碳纳米管拉膜具有较大粘性，故多层碳纳米管膜可以相互紧密结 合形成一碳纳米管结构。该碳纳米管结构中，碳纳米管拉膜的层数不限，且相邻两层碳纳米 管拉膜之间具有一交叉角度a，0° < a <90°，具体可依据实际需求制备。本实施例中，进一步包括用有机溶剂处理碳纳米管结构的步骤，该有机溶剂为挥 发性有机溶剂，可选用乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷和氯仿中一种或者几种的混合，本实施例 中的有机溶剂采用乙醇。该使用有机溶剂处理的步骤具体为将该碳纳米管结构设置于一 基底表面或一框架结构上，通过试管将有机溶剂滴落在碳纳米管结构表面浸润整个碳纳米 管结构，或者，也可将上述碳纳米管结构浸入盛有有机溶剂的容器中浸润。所述的碳纳米管
13结构经有机溶剂浸润处理后，当碳纳米管膜的层数较少时，在表面张力的作用下，碳纳米管 膜中相邻的碳纳米管会收缩成间隔分布的碳纳米管线。而当碳纳米管膜的层数较多时，有 机溶剂处理后的多层碳纳米管膜为一均勻的膜状结构。有机溶剂处理后，碳纳米管结构的 粘性降低，更便于使用。所述碳纳米管拉膜及其制备方法具体请参见范守善等人于2007年2月9日申请 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”。为节省篇幅，仅 引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。(二)当该碳纳米管结构包括至少一碳纳米管碾压膜，该碳纳米管结构的制备方 法包括以下步骤首先，提供一碳纳米管阵列形成于一生长基底，该阵列为定向排列的碳纳米管阵 列。所述碳纳米管阵列优选为一超顺排的碳纳米管阵列。所述碳纳米管阵列与上述碳 纳米管阵列的制备方法相同。其次，采用一施压装置，挤压上述碳纳米管阵列获得一碳纳米管碾压膜，其具体过 程为该施压装置施加一定的压力于上述碳纳米管阵列上。在施压的过程中，碳纳米管 阵列在压力的作用下会与生长基底分离，从而形成由多个碳纳米管组成的具有自支撑结构 的碳纳米管碾压膜，且所述的多个碳纳米管基本上与碳纳米管碾压膜的表面平行。本发明实施例中，施压装置为一压头，压头表面光滑，压头的形状及挤压方向决定 制备的碳纳米管碾压膜中碳纳米管的排列方式。具体地，当采用平面压头沿垂直于上述碳 纳米管阵列生长基底的方向挤压时，可获得各向同性的碳纳米管碾压膜；当采用滚轴状压 头沿某一固定方向碾压时，可获得碳纳米管沿该固定方向取向排列的碳纳米管碾压膜；当 采用滚轴状压头沿不同方向碾压时，可获得碳纳米管沿不同方向取向排列的碳纳米管碾压 膜。可以理解，当采用上述不同方式挤压上述的碳纳米管阵列时，碳纳米管会在压力 的作用下倾倒，并与相邻的碳纳米管通过范德华力相互吸引、连接形成由多个碳纳米管组 成的具有自支撑结构的碳纳米管碾压膜。所述的多个碳纳米管与该生长基底的表面成一夹 角3，其中，0大于等于零度且小于等于15度(0°)。依据碾压的方式不同， 该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管可以沿一固定方向择优取向排列，请参阅图10 ；或沿不同 方向择优取向排列，请参阅图11。另外，在压力的作用下，碳纳米管阵列会与生长的基底分 离，从而使得该碳纳米管碾压膜容易与基底脱离，从而形成一自支撑的碳纳米管碾压膜。本技术领域技术人员应明白，上述碳纳米管阵列的倾倒程度与压力的大小有关， 压力越大，倾角(即碳纳米管与碳纳米管阵列生长方向的夹角)越大。制备的碳纳米管碾 压膜的厚度取决于碳纳米管阵列的高度以及压力大小。碳纳米管阵列的高度越大而施加的 压力越小，则制备的碳纳米管碾压膜的厚度越大；反之，碳纳米管阵列的高度越小而施加的 压力越大，则制备的碳纳米管碾压膜的厚度越小。该碳纳米管碾压膜的宽度与碳纳米管阵 列所生长的基底的尺寸有关，该碳纳米管碾压膜的长度不限，可根据实际需求制得。本发明 实施例中获得的碳纳米管碾压膜的厚度为1微米 2毫米。上述碳纳米管碾压膜中包括多个沿同一方向或择优取向排列的碳纳米管，所述碳纳米管之间通过范德华力相互吸引，因此该碳纳米管碾压膜具有很好的韧性。该碳纳米管碾压膜中，碳纳米管均勻分布，规则排列。可以理解，该碳纳米管碾压膜具有一定的厚度，且通过碳纳米管阵列的高度以及 压力大小可以控制其厚度。所以该碳纳米管碾压膜可以直接作为一碳纳米管结构使用。另 外，可以将至少两层碳纳米管碾压膜层叠设置或并排设置形成一碳纳米管结构。该碳纳米管碾压膜中碳纳米管的长度大于50微米。所述碳纳米管碾压膜及其制 备方法具体请参见范守善等人于2007年6月1日申请的，于2008年12月3日公开的第 CN101314464A号中国专利申请“碳纳米管薄膜的制备方法”。为节省篇幅，仅引用于此，但 上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。(三)当该碳纳米管结构包括至少一碳纳米管絮化膜时，该碳纳米管结构的制备 方法包括以下步骤首先，提供一碳纳米管原料。所述碳纳米管原料可以为通过化学气相沉积法、石墨电极恒流电弧放电沉积法或 激光蒸发沉积法等各种方法制备的碳纳米管。本实施例中，采用刀片或其他工具将上述定向排列的碳纳米管阵列从基底刮落， 获得一碳纳米管原料。优选地，所述的碳纳米管原料中，碳纳米管的长度大于100微米。其次，将上述碳纳米管原料添加到一溶剂中并进行絮化处理获得一碳纳米管絮状 结构，将上述碳纳米管絮状结构从溶剂中分离，并对该碳纳米管絮状结构定型处理以获得 一碳纳米管膜。本发明实施例中，溶剂可选用水、易挥发的有机溶剂等。絮化处理可通过采用超声 波分散处理或高强度搅拌等方法。优选地，本发明实施例采用超声波分散10分钟 30分 钟。由于碳纳米管具有极大的比表面积，相互缠绕的碳纳米管之间具有较大的范德华力。上 述絮化处理并不会将该碳纳米管原料中的碳纳米管完全分散在溶剂中，碳纳米管之间通过 范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构。本发明实施例中，所述的分离碳纳米管絮状结构的方法具体包括以下步骤将上 述含有碳纳米管絮状结构的溶剂倒入一放有滤纸的漏斗中；静置干燥一段时间从而获得一 分离的碳纳米管絮状结构，图17为该碳纳米管絮状结构的照片。本发明实施例中，所述的碳纳米管絮状结构的定型处理过程具体包括以下步骤 将上述碳纳米管絮状结构置于一容器中；将该碳纳米管絮状结构按照预定形状摊开；施加 一定压力于摊开的碳纳米管絮状结构；以及，将该碳纳米管絮状结构中残留的溶剂烘干或 等溶剂自然挥发后获得一碳纳米管絮化膜。可以理解，本发明实施例可通过控制该碳纳米管絮状结构摊开的面积来控制该碳 纳米管絮化膜的厚度和面密度。碳纳米管絮状结构摊开的面积越大，则该碳纳米管絮化膜 的厚度和面密度就越小。本发明实施例中获得的碳纳米管絮化膜的厚度为1微米 2毫米。另外，上述分离与定型处理碳纳米管絮状结构的步骤也可直接通过抽滤的方式实 现，具体包括以下步骤提供一微孔滤膜及一抽气漏斗；将上述含有碳纳米管絮状结构的 溶剂经过该微孔滤膜倒入该抽气漏斗中；抽滤并干燥后获得一碳纳米管絮化膜。该微孔滤 膜为一表面光滑、孔径为0. 22微米的滤膜。由于抽滤方式本身将提供一较大的气压作用 于该碳纳米管絮状结构，该碳纳米管絮状结构经过抽滤会直接形成一均勻的碳纳米管絮化膜。且，由于微孔滤膜表面光滑，该碳纳米管絮化膜容易剥离，得到一自支撑的碳纳米管絮化膜。请参见图12，上述碳纳米管絮化膜中包括相互缠绕的碳纳米管，所述碳纳米管之 间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构，因此该碳纳米管絮化膜具有很好的韧 性。该碳纳米管絮化膜中，碳纳米管均勻分布，无规则排列，使得该碳纳米管絮化膜各向同 性。可以理解，该碳纳米管絮化膜具有一定的厚度，且通过控制该碳纳米管絮状结构 摊开的面积以及压力大小可以控制其厚度。所以该碳纳米管絮化膜可以直接作为一碳纳米 管结构使用。另外，可以将至少两层碳纳米管絮化膜层叠设置或并排设置形成一碳纳米管 结构。所述碳纳米管絮化膜的面积及厚度均不限，厚度为1微米 1毫米，优选为100微 米。所述碳纳米管絮化膜及其制备方法具体请参见范守善等人于2007年4月13日申请 的，于2008年10月15日公开的第CN101284662A号中国专利申请“碳纳米管薄膜的制备方 法”。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的 一部分。(四)当该碳纳米管结构包括至少一碳纳米管线状结构时，该碳纳米管结构的制 备方法包括以下步骤首先，提供至少一碳纳米管拉膜。该碳纳米管拉膜的形成方法与步骤(一)中碳纳米管拉膜的形成方法相同。其次，处理该碳纳米管拉膜，形成至少一碳纳米管线。该处理碳纳米管拉膜的步骤可以为采用有机溶剂处理该碳纳米管拉膜，从而得到 一非扭转的碳纳米管线，或为采用机械外力扭转该碳纳米管拉膜，从而得到一扭转的碳纳 米管线。采用有机溶剂处理该碳纳米管拉膜的步骤具体为将有机溶剂浸润所述碳纳米管 拉膜的整个表面，在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，碳纳米管拉膜中的 相互平行的多个碳纳米管通过范德华力紧密结合，从而使碳纳米管拉膜收缩为一非扭转的 碳纳米管线。该有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施 例中采用乙醇。通过有机溶剂处理的非扭转碳纳米管线与未经有机溶剂处理的碳纳米管拉 膜相比，比表面积减小，粘性降低。可以理解，该采用有机溶剂处理碳纳米管拉膜形成非扭 转的碳纳米管线的方法与步骤(一)中采用有机溶剂降低碳纳米管拉膜的粘性的方法相 似，其区别在于，当需要形成非扭转的碳纳米管线时，碳纳米管拉膜的两端不固定，即不将 碳纳米管拉膜设置在基底表面或框架结构上。采用机械外力扭转该碳纳米管拉膜的步骤为采用一机械力将所述碳纳米管膜两 端沿相反方向扭转。本发明实施例中，具体可以提供一个尾部可以粘住碳纳米管拉膜的纺 纱轴。将该纺纱轴的尾部与碳纳米管拉膜结合后，将该纺纱轴以旋转的方式旋转该碳纳米 管拉膜，形成一扭转的碳纳米管线。可以理解，上述纺纱轴的旋转方式不限，可以正转，也可 以反转，或者正转和反转相结合。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比表面积减小，粘性降低，与未经有机溶剂处理的 扭转的碳纳米管线相比密度及强度均增大。所述碳纳米管线及其制备方法具体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”，以及于2005年12月16日申请的第CN1982209A号中国公开专利申请“碳纳米管 丝及其制作方法”。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申 请技术揭露的一部分。
再次，利用上述碳纳米管线制备至少一碳纳米管线状结构，并得到一碳纳米管结 构。上述扭转的碳纳米管线或非扭转的碳纳米管线为一自支撑结构，可直接作为一碳 纳米管线状结构使用。另外，可以将多个碳纳米管线平行排列成一束状结构的碳纳米管线 状结构，或者将该平行排列的多个碳纳米管线经一扭转步骤得到一绞线结构的碳纳米管线 状结构。进一步地，可以将该多个碳纳米管线或碳纳米管线状结构相互平行设置、交叉设置 或编织成一层状的碳纳米管结构。步骤S102，提供一线状支撑结构202，并将该碳纳米管结构设置于该线状支撑结 构202的表面。所述线状支撑结构202用于支撑碳纳米管结构，其材料可为硬性材料，如陶瓷、 玻璃、树脂、石英等，亦可以选择柔性材料，如塑料或柔性纤维等。本实施例优选的线状支 撑结构202为一陶瓷杆。将上述碳纳米管结构设置于所述线状支撑结构202表面的方法为由于碳纳米 管结构具有粘性，所以可以将一碳纳米管结构直接缠绕或包裹于所述线状支撑结构202表 面，并通过其粘性固定于线状支撑结构202表面。或者，也可以通过粘结剂将一碳纳米管结 构固定于所述线状支撑结构202表面。所述粘结剂为硅胶。可以理解，所述碳纳米管结构的设置方式与该碳纳米管结构的具体结构有关。当 碳纳米管结构包括碳纳米管拉膜或碳纳米管碾压膜，且碳纳米管碾压膜中碳纳米管沿同一 方向或不同方向择优取向排列时，需保证该碳纳米管结构中的部分碳纳米管由线状支撑结 构202的一端向另一端排列。当碳纳米管结构包括絮化膜或包括碳纳米管碾压膜，且碳纳 米管碾压膜中碳纳米管各向同性时，所述碳纳米管结构的设置方式不限。当碳纳米管结构 包括碳纳米管线状结构时，可以将单个碳纳米管线状结构缠绕于线状支撑结构202的表面 或将多个碳纳米管线状结构平行、交叉或编织设置成一层状碳纳米管结构后，再包裹于线 状支撑结构202的表面。可以理解，当将多个碳纳米管线状结构平行设置于线状支撑结构 202的表面时，碳纳米管线状结构需沿线状支撑结构202的长度方向设置。本实施例中，碳纳米管结构采用重叠且交叉设置的100层碳纳米管拉膜，相邻两 层碳纳米管拉膜之间交叉的角度为90度。该100层碳纳米管拉膜的厚度为300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线状支撑结构202的表面。进一步，在将碳纳米管结构设置于线状支撑结构202的表面之前，还可以形成一 热反射层210于线状支撑结构202的表面。于线状支撑结构202的表面形成一热反射层210 的方法包括涂覆及镀膜中的一种或多种。所述热反射层210的材料为一白色绝缘材料，如 金属氧化物、金属盐或陶瓷等。本实施例中，热反射层210材料优选为三氧化二铝，其厚度为100微米。 步骤S103，间隔形成两个电极206，并将该两个电极206分别与该碳纳米管结构形 成电连接。所述的两个电极206的设置方式与碳纳米管结构有关，需保证碳纳米管结构中的 部分碳纳米管沿着其中一个电极206向另一个电极206的方向延伸。所述的两个电极206可以设置在碳纳米管结构的同一表面上或不同表面上，且两 个电极206环绕设置于碳纳米管结构的表面。其中，两个电极206间隔设置，以使碳纳米管 结构应用于线热源20时接入一定的阻值避免短路现象产生。碳纳米管结构本身有很好的 粘附性与导电性，故电极206可以与碳纳米管结构之间形成很好的电接触。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(ΑΤΟ)、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碳纳米管结构表面。该金属片可以 为铜片或铝片等。该金属片或者金属引线可以通过导电粘结剂固定于碳纳米管结构表面。 本实施例中，通过溅射法分别于该碳纳米管结构表面沉积两个钯膜作为电极206，然后将该 两个钯膜分别与一导电引线电连接。所述电极206还可以为一金属性碳纳米管结构。该碳纳米管结构包括定向排列且 均勻分布的金属性碳纳米管。具体地，该碳纳米管结构包括至少一碳纳米管拉膜或至少一 碳纳米管线。优选地，将两个碳纳米管拉膜分别设置于沿线状支撑结构202长度方向的两 端作为电极206。可以理解，本实施例中，还可以先在碳纳米管结构的表面形成两个平行且间隔设 置的电极206，且该电极206与碳纳米管结构电连接。然后，将该形成有电极206的碳纳米 管结构设置于上述线状支撑结构202的表面。在形成两个电极206后，可进一步形成两条 导电引线，分别从两个电极206引出至外部电源。步骤S104，提供一基体材料预制体，并将基体材料预制体与碳纳米管结构复合，形 成一碳纳米管复合结构。所述基体材料预制体可以为基体材料所形成的溶液或制备该基体材料的前驱反 应物。该基体材料预制体在一定温度下应为液态或气态。所述将基体材料预制体与碳纳米 管结构复合的方法包括涂覆，沉积，印刷，浸渍以及喷涂中的一种或多种。所述基体材料包括高分子材料或非金属材料等。具体地，该高分子材料可以包括 热塑性聚合物或热固性聚合物中的一种或多种，故该基体材料预制体可以为生成该热塑性 聚合物或热固性聚合物的聚合物单体溶液，或该热塑性聚合物或热固性聚合物在挥发性有 机溶剂中溶解后形成的混合液。该非金属材料可以包括玻璃、陶瓷及半导体材料中的一种 或多种，故该基体材料预制体可以为非金属材料颗粒制成的浆料、制备该非金属材料的反 应气体或呈气态的该非金属材料。具体地，可以采用真空蒸镀、溅镀、化学气相沉积(CVD) 以及物理气相沉积(PVD)的方法形成气态的基体材料预制体，并使该基体材料预制体沉积 在碳纳米管结构的碳纳米管表面。另外，可以将大量非金属材料颗粒在溶剂中分散，形成一 浆料作为该基体材料预制体。当该基体材料预制体为液态时，可通过将该液态基体材料预制体浸润该碳纳米管 结构以及固化该基体材料预制体，从而使该基体材料渗透至该碳纳米管结构的微孔中，形成一碳纳米管复合结构；当该基体材料预制体为气态时，可将该基体材料预制体沉积于碳 纳米管结构中的碳纳米管表面，从而使该基体材料充满该碳纳米管结构的微孔中，形成一 碳纳米管复合结构。当该基体材料预制体为浆料时，可以通过涂覆、喷涂等方法与该碳纳米 管结构形成复合结构。本实施例采用注胶法将高分子材料与碳纳米管结构复合，形成一碳纳米管复合结 构，请参阅图18，该方法具体包括以下步骤
步骤S1041 提供一液态热固性高分子材料。所述液态热固性高分子材料的粘度低于5帕·秒，并能在室温下保持该粘度在30 分钟以上。所述液态热固性高分子材料14的粘度低于5帕 秒，并能在室温下保持该粘度 在30分钟以上。所述热固性高分子材料包括高分子材料和固化剂、改性剂、填料或者稀释 剂等添加物。其中，高分子材料的含量占所述热固性高分子材料质量的70% 95%，所述 添加物的含量占所述热固性高分子材料质量的5% 30%。所述高分子材料为酚醛树脂、 环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚苯并恶嗪树脂、氰酸酯树脂、聚酰亚胺树脂、聚氨酯、聚甲 基丙烯酸甲酯和不饱和聚酰树脂等中一种或者几种混合。所述固化剂用于促进所述热固性 高分子材料的固化，其包括脂肪胺、脂环胺、芳香胺、聚酰胺、酸酐、树脂类和叔胺中一种或 者几种混合。所述改性剂用于改善所述热固性高分子材料的柔性、抗剪、抗弯、抗冲或者提 高绝缘性等。常用改性剂包括聚硫橡胶、聚酰胺树脂、聚乙烯醇叔丁醛或者丁腈橡胶类中一 种或者几种混合。所述填料用于改善所述热固性高分子材料固化时的散热条件，用了填料 也可以减少所述热固性高分子材料的用量，降低成本。常用填料包括石棉纤维、玻璃纤维、 石英粉、瓷粉、氧化铝和硅胶粉中一种或者几种混合。所述稀释剂用于降低树脂粘度，改善 树脂的渗透性。所述稀释剂包括二缩水甘油醚、多缩水甘油醚、环氧丙烷丁基醚、环氧丙烷 苯基醚、二环氧丙烷乙基醚、三环氧丙烷丙基醚和烯丙基苯酚中的一种或者几种混合。本发明实施例优选以环氧树脂制备液态热固性高分子材料，其具体包括以下步 骤首先，将缩水甘油醚型环氧和缩水甘油酯型环氧的混合物置于一容器中，加热至 30°C 60°C，并对容器中所述缩水甘油醚型环氧和缩水甘油酯型环氧的混合物搅拌10分 钟，直至所述缩水甘油醚型环氧和缩水甘油酯型环氧的混合物混合均勻为止。其次，将脂肪胺和二缩水甘油醚加入到所述搅拌均勻的缩水甘油醚型环氧和缩水 甘油酯型环氧的混合物中进行化学反应。最后，将所述缩水甘油醚型环氧和缩水甘油酯型环氧的混合物加热至30°C 60°C，从而得到一含环氧树脂的液态热固性高分子材料。步骤S 1042 采用所述液态热固性高分子材料浸润所述碳纳米管结构。采用所述液态热固性高分子材料浸润所述碳纳米管结构的方法包括以下步骤首先，将设置有碳纳米管结构的线状支撑结构202置于一模具中；其次，将所述液态热固性高分子材料注射进所述模具中，浸润所述碳纳米管结构。 为了让液态热固性高分子材料充分浸润所述碳纳米管结构，浸润所述碳纳米管结构的时间 不能少于10分钟。本实施例中将100层碳纳米管拉膜层叠包裹于陶瓷杆的表面后置于模具中。然后 将环氧树脂的液态热固性高分子材料注射进所述模具中，浸润所述碳纳米管结构20分钟。
可以理解，将所述液态热固性高分子材料浸润所述碳纳米管结构的方法不限注射的方法，所述液态热固性高分子材料还可以通过毛细作用被吸入到所述碳纳米管结构中， 浸润所述碳纳米管结构，或者将所述碳纳米管结构浸泡在所述液态热固性高分子材料中。步骤S1043 固化液态热固性高分子材料，得到一碳纳米管高分子材料复合结构。本实施例中，含环氧树脂的热固性高分子材料的固化方法具体包括以下步骤首先，通过一加热装置将该模具加热至50°C 70°C，在该温度下含环氧树脂的热 固性高分子材料为液态，维持该温度1小时 3小时，使得该热固性高分子材料继续吸热以 增加其固化度。其次，继续加热该模具至80°C 100°C，在该温度下维持1小时 3小时，使得所 述热固性高分子材料继续吸热以增加其固化度。再次，继续加热该模具至110°C 150°C，在该温度下维持2小时 20小时，使得 所述热固性高分子材料继续吸热以增加其固化度。最后，停止加热，待该模具降温至室温后，脱模可得一碳纳米管高分子材料复合结 构。可以理解，上述方法还可以将该模具一次加热至110°C 150°C进行固化。上述制 备碳纳米管复合结构的具体步骤可参见范守善等人于2007年12月14日申请的申请号为 200710125109.8的中国大陆专利申请“碳纳米管复合材料的制备方法”。为节省篇幅，仅引 用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。可以理解，上述步骤S103中形成电极206的步骤可在步骤S104形成该碳纳米管 复合结构之后进行。当该基体材料仅填充于该碳纳米管结构的微孔中，从而使碳纳米管部 分暴露于碳纳米管复合结构表面时，可采用与步骤S103相同的方法将两个电极206直接形 成于该碳纳米管复合结构表面，并与碳纳米管结构形成电连接。当该基体材料全部包覆该 碳纳米管结构时，可采用一切割的步骤切割该碳纳米管复合结构，从而使该碳纳米管结构 暴露于碳纳米管复合结构表面，进而采用与步骤S103相同的方法将该两个电极206与暴露 出来的碳纳米管结构电连接。进一步，本实施例还可以形成一绝缘保护层208于该加热元件204的外表面，并将 加热元件204覆盖。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毫米。该绝缘保护层208可通过粘结剂或机械固定的方法固定于加 热元件204表面。另外，当该绝缘保护层208的材料为一热塑性聚合物时，可将该热塑性聚 合物在高温下于融化状态涂敷或包裹于加热元件204表面，待低温时固化形成该绝缘保护 层208。另外，当该绝缘保护层208为一柔性聚合物，如一聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄 膜时，可通过一热压步骤，将该绝缘保护层205与该加热元件204叠加并热压，使绝缘保护 层208与加热元件204牢固结合。请参见图19，可选择地，当本发明第一实施例中的加热元件204为一柔性碳纳米 管复合结构时，该线热源20可通过以下方法制备，具体包括以下步骤步骤S401，提供一碳纳米管结构。步骤S402，提供一柔性基体材料预制体，并将柔性基体材料预制体与碳纳米管结 构复合，形成一柔性碳纳米管复合结构。
步骤S403，提供一线状支撑结构202，并将该柔性碳纳米管复合结构设置于线状 支撑结构202的表面。步骤S404，间隔形成两个电极206，并将该两个电极206分别与该柔性碳纳米管复 合结构中的碳纳米管结构形成电连接。当碳纳米管结构完全被基体材料包覆时，可进一步 通过切割等方式使该碳纳米管结构部分暴露于柔性碳纳米管复合结构表面，从而确保电极 206与碳纳米管结构电连接。
可以理解，也可以预先形成两个电极206与碳纳米管结构电连接，再将碳纳米管 结构与柔性基体材料预制体复合形成碳纳米管复合结构。请参阅图20，本发明第二实施例提供一种线热源30，该线热源30包括一加热元件 304、以及两个电极302间隔设置且与该加热元件304电连接。该加热元件304包括一线状 碳纳米管复合结构。所述线状碳纳米管复合结构与本发明第一实施例中的所述线状碳纳米 管复合结构相同。所述线状碳纳米管复合结构包括至少一碳纳米管线状结构以及基体材 料，所述基体材料渗透于所述至少一碳纳米管线状结构中。所述碳纳米管线状结构包括多 个微孔，所述基体材料渗透于该碳纳米管线状结构的微孔中。所述线状碳纳米管复合结构 还可以包括一基体以及至少一碳纳米管线状结构复合于该基体中。可以理解，将该碳纳米 管线状结构直接放置于模具中，然后将液态热固性高分子材料注入到模具中浸润该碳纳米 管线状结构，最后加热固化即可制备该线状碳纳米管复合结构。所述碳纳米管线状结构以 及基体材料与本发明第一实施例中的碳纳米管线状结构以及基体材料相同。由于碳纳米管 线状结构具有自支撑特性，该线状碳纳米管复合结构也具有自支撑特性。所述电极302可 环绕在该线状碳纳米管复合材料的表面并与所述碳纳米管线状结构电连接。所述电极302 的材料与本发明第一实施例中的电极206相同。所述的线热源及其制备方法具有以下优点第一，由于该碳纳米管结构为一自支 撑结构，且碳纳米管在碳纳米管结构中均勻分布，将该自支撑的碳纳米管结构与基体材料 直接复合，可使复合后形成的加热元件中碳纳米管仍相互结合保持一碳纳米管结构的形 态，从而使加热元件中碳纳米管既能均勻分布形成导电网络，又不受碳纳米管在溶液中分 散浓度的限制，使碳纳米管在加热元件中的质量百分含量可以达到99%，使该热源具有更 高的加热性能。另外，该基体材料的种类不限于聚合物，使该热源的应用范围更加广泛。第 二，由于碳纳米管具有较好的强度及韧性，碳纳米管结构的强度较大，柔性较好，不易破裂， 使其具有较长的使用寿命，特别的，当该碳纳米管结构与柔性基体材料复合形成加热元件 时，可制备一柔性热源，使该热源具有更广的应用范围。第三，碳纳米管结构中的碳纳米管 均勻分布，因此加热元件具有均勻的厚度及电阻，发热均勻。由于碳纳米管的电热转换效率 高，所以该线热源具有升温迅速、热滞后小、热交换速度快、辐射效率高的特点。第四，碳纳 米管的直径较小，使得碳纳米管结构可以具有较小的厚度，可以制备微型线热源，应用于微 型器件的加热。第五，当碳纳米管结构包括碳纳米管拉膜时，该碳纳米管拉膜中碳纳米管沿 同一方向择优取向排列，具有较好的导电性能，使该热源具有较好的加热性能。第六，该形 成自支撑的碳纳米管结构，并将该碳纳米管结构与基体材料直接复合形成加热元件的方法 简单，且碳纳米管在加热元件中的含量可方便的控制。与基体材料复合后，该碳纳米管结构 仍能保持原有的形态，具有与纯碳纳米管结构相当的发热性能。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。具体地，对于权利要求书中方法 权利要求的范围，各步骤的顺序不应局限于权利要求项中所叙述的顺序，各步骤的按照其 他顺序实施的，并且使用本发明构思的也应在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种线热源，其特征在于，其包括一加热元件；以及两电极，该两电极间隔设置且与该加热元件电连接；所述加热元件包括至少一线状碳纳米管复合结构，该线状碳纳米管复合结构包括一基体及至少一碳纳米管线状结构复合于该基体中。
2.如权利要求1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。
3.如权利要求2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。
4.如权利要求2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。
5.如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述基体完全包覆该至少一碳纳米管线 状结构。
6.如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述基体至少部分嵌入该至少一碳纳米 管线状结构中。
7.如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述基体材料包括高分子材料以及无机 非金属材料中的一种或多种。
8.如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述两电极分别与所述碳纳米管线状结 构电连接。
9.一种线热源，其特征在于，其包括一加热元件；以及两电极，该两电极间隔设置且与该加热元件电连接；所述的加热元件包括至少一线状碳纳米管复合结构，所述线状碳纳米管复合结构包括 至少一碳纳米管线状结构以及基体材料复合于该碳纳米管线状结构中。
10.如权利要求9所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管线状结构具有多个微孔， 所述基体材料渗透于该碳纳米管线状结构的微孔中。
11.如权利要求10所述的线热源，其特征在于，所述微孔孔径小于10微米。
12.一种线热源，其特征在于，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；以及两个电极，该两个电极间隔设置且与该加热元件电连接；所述加热元件包括至少一线状碳纳米管复合结构，该线状碳纳米管复合结构包括一基 体及至少一碳纳米管线状结构复合于该基体中。
13.如权利要求12所述的线热源，其特征在于，所述加热元件包括一个线状碳纳米管 复合结构缠绕于该线状支撑结构的表面。
14.如权利要求12所述的线热源，其特征在于，所述加热元件包括多个线状碳纳米管 线状结构相互平行设置，交叉设置或编织成一层状碳纳米管结构，且该层状碳纳米管结构 包裹于该线状支撑结构的表面。
15.如权利要求14所述的线热源，其特征在于，所述层状碳纳米管结构的单位面积热 容小于2X ΙΟ"4焦耳每平方厘米开尔文。
16.如权利要求14所述的线热源，其特征在于，所述层状碳纳米管结构的单位面积热 容小于等于1.7X10—6焦耳每平方厘米开尔文。
17.如权利要求12所述的线热源，其特征在于，所述线热源进一步包括一热反射层，所 述热反射层设置在所述加热元件与线状支撑结构之间，该热反射层的材料为金属氧化物、 金属盐及陶瓷中的一种或多种。
18.如权利要求12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 设置于线状碳纳米管复合结构表面。
19.一种线热源，其特征在于，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；以及两个电极，该两个电极间隔设置且与该加热元件电连接；所述加热元件包括至少一线状碳纳米管复合结构，该线状碳纳米管复合结构包括一碳 纳米管线状结构以及基体材料，所述基体材料与该碳纳米管线状结构相复合。
全文摘要
本发明涉及一种线热源，其包括一加热元件；以及两电极，该两电极间隔设置且与该加热元件电连接；所述加热元件包括至少一线状碳纳米管复合结构，该线状碳纳米管复合结构包括一基体及至少一碳纳米管线状结构复合于该基体中。该线热源可以用于制造自发热的取暖服、取暖手套或取暖鞋、电加热器、红外治疗仪、电暖器等，具有广泛的应用范围。
文档编号H05B3/14GK101868074SQ20091010681
公开日2010年10月20日 申请日期2009年4月20日 优先权日2009年4月20日
发明者冯辰, 刘锴, 姜开利, 王佳平, 范守善 申请人:清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司