專利名稱：面熱源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種面熱源，尤其涉及一種基于碳納米管的面熱源。
背景技術(shù)：
熱源在人們的生產(chǎn)、生活、科研中起著重要的作用。面熱源是熱源的一 種，其特點為面熱源具有一平面結(jié)構(gòu)，將待加熱物體置于該平面結(jié)構(gòu)的上方 對物體進行加熱，因此，面熱源可對待加熱物體的各個部位同時加熱，加熱 面廣、加熱均勻且效率較高。面熱源已成功用于工業(yè)領(lǐng)域、科研領(lǐng)域或生活 領(lǐng)域等，如電加熱器、紅外治療^(義、電暖器等。
現(xiàn)有面熱源一般包4舌一加熱層和至少兩個電才及，該至少兩個電扨二沒置于 該加熱層的表面，并與該加熱層的表面電連^"。當(dāng)連接加熱層上的電纟及通入
^氐電壓電流時，熱量立刻^^人加熱層釋^:出來?，F(xiàn)在市售的面熱源通常采用金 屬制成的電熱絲作為加熱層進行電熱轉(zhuǎn)換。然而，電熱絲的強度不高易于折 斷，特別是彎曲或繞折成一定角度時，因此應(yīng)用受到限制。另外，以金屬制 成的電熱絲所產(chǎn)生的熱量是以普通波長向外輻射的，其電熱轉(zhuǎn)換效率不高不 利于節(jié)省能源。
非金屬碳纖維導(dǎo)電材料的發(fā)明為面熱源的發(fā)展帶來了突破。采用碳纖維 的加熱層通常在碳纖維外部涂覆一層防水的絕緣層用作電熱轉(zhuǎn)換的元件以代 替金屬電熱絲。由于與金屬相比，碳纖維具有較好的韌性，這在一定程度上 解決了電熱絲強度不高易折斷的缺點。然而，由于碳纖維仍是以普通波長向 外散熱，故并未解決電熱轉(zhuǎn)換率低的問題。為了解決上述問題，采用碳纖維 的加熱層一般包括多根碳纖維熱源線鋪設(shè)而成。該碳纖維熱源線為一外表包 裹有化纖或者棉線的導(dǎo)電芯線。該化纖或者棉線的外面浸涂一層防水阻燃絕 緣材料。所述導(dǎo)電芯線由多根碳纖維與多根表面粘涂有遠(yuǎn)紅外涂料的棉線纏 繞而成。導(dǎo)電芯線中加入粘涂有遠(yuǎn)紅外涂料的棉線， 一來可增強芯線的強度， 二來可使通電后碳導(dǎo)纖維發(fā)出的熱量能以紅外波長向外輻射。
然而，采用碳纖維紙作為加熱層具有以下缺點第一，碳纖維強度不夠大，容易破裂，需要加入棉線提高碳纖維的強度，限制了其應(yīng)用范圍；第二, 碳纖維本身的電熱轉(zhuǎn)換效率較低，需加入粘涂有遠(yuǎn)紅外涂料的棉線提高電熱 轉(zhuǎn)換效率，不利于節(jié)能環(huán)保；第三，需先制成碳纖維熱源線再制成加熱層， 不利于大面積制作，不利于均勻性的要求，同時，不利于微型面熱源的制作。 有鑒于此，確有必要提供一種面熱源，該面熱源強度大，電熱轉(zhuǎn)換效率 較高，有利于節(jié)省能源且發(fā)熱均勻，面熱源的大小可控，可制成大面積面熱 源或者微型面熱源。

發(fā)明內(nèi)容
一種面熱源，該面熱源包括一第一電極、 一第二電極和一加熱層。所述 第一電4及和第二電極間隔設(shè)置于該加熱層上，并與該加熱層電接觸。該加熱 層包括多個線狀碳納米管結(jié)構(gòu)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，所述的面熱源具有以下優(yōu)點第一，由于^^友納米管 具有較好的強度及韌性，線狀碳納米管結(jié)構(gòu)的強度較大，柔性較好，不易破 裂，使其具有較長的使用壽命。第二，線狀碳納米管結(jié)構(gòu)中的碳納米管均勻 分布，因此具有均勻的厚度及電阻，發(fā)熱均勻，碳納米管的電熱轉(zhuǎn)換效率高， 所以該面熱源具有升溫迅速、熱滯后小、熱交換速度快的特點。第三，碳納 米管的直徑較小，使得線狀碳納米管結(jié)構(gòu)具有較小的厚度，可以制備微型面 熱源，應(yīng)用于微型器件的加熱。


圖1是本技術(shù)方案實施例的面熱源的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是圖1的II-II剖面示意圖。
圖3是本技術(shù)方案實施例束狀結(jié)構(gòu)的線狀碳納米管結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是本技術(shù)方案實施例絞線狀結(jié)構(gòu)的線狀碳納米管結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本技術(shù)方案實施例束狀結(jié)構(gòu)的碳納米管長線的掃描電鏡照片。 圖6是本技術(shù)方案實施例絞線狀結(jié)構(gòu)的碳納米管長線的掃描電鏡照片。
具體實施方式
以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本技術(shù)方案面熱源。
請參閱圖1及圖2,本技術(shù)方案實施例提供一種面熱源10,該面熱源 10包括一基底18、 一反射層17、 一加熱層16、 一第一電極12、 一第二電極 14和一絕緣保護層15。所述反射層17設(shè)置于基底18的表面。所述加熱層 16設(shè)置于所述反射層17的表面。所述第一電極12和第二電極14間隔設(shè)置 于所述加熱層16的表面，并與該加熱層16電接觸，用于使所述加熱層16 中流過電流。所述絕緣保護層15設(shè)置于所述加熱層16的表面，并將所迷第 一電極12和第二電極14覆蓋，用于避免所述加熱層16吸附外界雜質(zhì)。
所述基底18形狀不限，其具有一表面用于支撐加熱層16或者反射層 17。優(yōu)選地，所述基底18為一板狀基底，其材料可為硬性材料，如陶資、 玻璃、樹脂、石英等，亦可以選擇柔性材料，如塑料或柔性纖維等。當(dāng)為 柔性材料時，該面熱源10在使用時可根據(jù)需要彎折成任意形狀。其中，基 底18的大小不限，可依據(jù)實際需要進行改變。本實施例優(yōu)選的基底18為一 陶瓷基板。另外，當(dāng)加熱層16具有一定的自支撐性及穩(wěn)定性時，所述面熱 源10中的基底18為一可選擇的結(jié)構(gòu)。
所述反射層17的設(shè)置用來反射加熱層16所發(fā)的熱量，從而控制加熱的 方向，用于單面加熱，并進一步提高加熱的效率。所述反射層17的材料為 一白色絕緣材料，如金屬氧化物、金屬鹽或陶瓷等。本實施例中，反射層 17為三氧化二鋁層，其厚度為100微米 0.5毫米。該反射層17可通過賊射 或其他方法形成于該基底18表面?？梢岳斫?，所述反射層17也可設(shè)置在基 底18遠(yuǎn)離加熱層16的表面，即所述基底18設(shè)置于所述加熱層16和所述反 射層17之間，進一步加強反射層17反射熱量的作用。所述反射層17為一 可選擇的結(jié)構(gòu)。所述加熱層16可直接設(shè)置在基底18的表面，此時面熱源10 的加熱方向不限，可用于雙面力p熱。
所述加熱層16包括多個線狀碳納米管結(jié)構(gòu)160。所述多個線狀碳納米 管結(jié)構(gòu)160平行鋪設(shè)，或者交叉鋪設(shè)于所述支撐體18表面。其中，線狀碳 納米管結(jié)構(gòu)160之間交叉的角度不限。所述相鄰兩個平行的線狀碳納米管結(jié) 構(gòu)160之間的距離為0微米 30微米。本實施例中，優(yōu)選相鄰兩個平行的線 狀碳納米管結(jié)構(gòu)160間隔的距離為20微米?？梢岳斫?，所述多個線狀碳納 米管結(jié)構(gòu)160排列或者鋪設(shè)的方式不限，只需確保形成一均勻的加熱層16即可。進一步地，所述加熱層16中至少部分線狀碳納米管結(jié)構(gòu)160沿從所 述第一電極22向第二電極24延伸的方向鋪i殳于所述支撐體18表面，以確 保流經(jīng)線狀碳納米管結(jié)構(gòu)160的電流最大。所述交叉鋪設(shè)的線狀碳納米管結(jié) 構(gòu)160具有很好的韌性與自支撐性，無需基底18。當(dāng)面熱源10不包括基底 18時，所述反射層17可直接設(shè)置于所述加熱層16的表面。所述加熱層16 的厚度為3毫米~25毫米。
所述線狀碳納米管結(jié)構(gòu)160包括至少一根碳納米管長線161。請參閱圖 3及圖4，優(yōu)選地所述線狀碳納米管結(jié)構(gòu)160是由多根碳納米管長線161組 成的束狀結(jié)構(gòu)或者由多根碳納米管長線161組成的絞線結(jié)構(gòu)。所述線狀碳納 米管結(jié)構(gòu)160的直徑為20微米 2毫米，其大小由碳納米管長線161的根數(shù) 及直徑大小決定，碳納米管長線161的直徑越大，根數(shù)越多，線狀碳納米管 結(jié)構(gòu)160的直徑越大，反之，線狀碳納米管結(jié)構(gòu)160的直徑越小。所述線狀 碳納米管結(jié)構(gòu)160的長度大小由碳納米管長線161的長度大小決定。本實施 例中所述線狀碳納米管結(jié)構(gòu)160是由多根碳納米管長線161組成的束狀結(jié) 構(gòu)，直徑為50孩i米。
請參閱圖5及圖6,所述碳納米管長線161是由多個首尾相連的碳納米 管束組成的束狀結(jié)構(gòu)或者絞線結(jié)構(gòu)。所述碳納米管長線包括沿碳納米管長線 161的軸向方向擇優(yōu)取向排列的碳納米管。具體地，所述束狀結(jié)構(gòu)的碳納米 管長線161可通過有機溶劑處理所述碳納米管薄膜，或者通過直接拉取較窄 寬度的碳納米管陣列獲得。該碳納米管長線161中碳納米管沿碳納米管長線 的軸向方向平行排列。所述絞線結(jié)構(gòu)碳納米管長線161可通過對束狀結(jié)構(gòu)的 碳納米管長線161施加機械外力扭轉(zhuǎn)獲得。扭轉(zhuǎn)后該碳納米管長線161中碳 納米管沿碳納米管長線的軸向方向螺旋排列。
所述碳納米管長線161的直徑與長度和碳納米管陣列所生長的基底的尺 寸有關(guān)。可根據(jù)實際需求制得。本實施例中，采用氣相沉積法在4英寸的基 底生長超順排碳納米管陣列。所述碳納米管長線161的直徑為1孩i米 100 蕃史米，長度為50毫米 100毫米。
所述線狀碳納米管結(jié)構(gòu)160中的碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米 管或者多壁碳納米管。當(dāng)所述線狀碳納米管結(jié)構(gòu)160中的碳納米管為單壁碳 納米管時，該單壁碳納米管的直徑為0.5納米~50納米。當(dāng)所述線狀碳納米管結(jié)構(gòu)160中的碳納米管為雙壁碳納米管時，該雙壁碳納米管的直徑為1.0 納米 50納米。當(dāng)所述線狀碳納米管結(jié)構(gòu)160中的碳納米管為多壁-灰納米管 時，該多壁碳納米管的直徑為1.5納米 50納米。
所述第一電極12和第二電極14由導(dǎo)電材料組成，該第一電4及12和第 二電極14的形狀不限，可為導(dǎo)電薄膜、金屬片或者金屬引線。優(yōu)選地，第 一電極12和第二電極14均為一層導(dǎo)電薄膜。該導(dǎo)電薄膜的厚度為0.5納米 ~100微米。該導(dǎo)電薄膜的材料可以為金屬、合金、銦錫氧化物(ITO)、銻 錫氧化物(ATO)、導(dǎo)電銀膠、導(dǎo)電聚合物或?qū)щ娦蕴技{米管等。該金屬或 合金材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、鈦、釹、釔、銫或其任意組合的合金。 本實施例中，所述第一電極12和第二電極14的材料為金屬鈀膜，厚度為5 納米。所述金屬鈀與碳納米管具有較好的潤濕效果，有利于所述第一電極12 及第二電極14與所述加熱層16之間形成良好的電接觸，減少歐姆接觸電阻。
所述的第一電極12和第二電極14可以i殳置在加熱層16的同一表面上 也可以設(shè)置在加熱層16的不同表面上。其中，第一電極12和第二電極14 間隔設(shè)置，以〗吏加熱層16應(yīng)用于面熱源10時接入一定的阻值避免短路現(xiàn)象 產(chǎn)生。所述第一電極12和第二電極14的設(shè)置位置與線狀碳納米管結(jié)構(gòu)160 的排列相關(guān)，至少部分線狀碳納米管結(jié)構(gòu)160的兩端分別與所述第一電極12 和第二電極14電連接。
另外，所述的第一電極12和第二電極14也可通過一導(dǎo)電粘結(jié)劑(圖未 示)設(shè)置于該加熱層16的表面上，導(dǎo)電粘結(jié)劑在實現(xiàn)第一電極12和第二電 極14與加熱層16電接觸的同時，還可以將所述第一電極12和第二電極14 更好地固定于加熱層16的表面上。本實施例優(yōu)選的導(dǎo)電粘結(jié)劑為^L膠。
可以理解，第一電極12和第二電極14的結(jié)構(gòu)和材料均不限，其設(shè)置目 的是為了使所述加熱層16中流過電流。因此，所述第一電極12和第二電極 14只需要導(dǎo)電，并與所述加熱層16之間形成電接觸都在本發(fā)明的保護范圍 內(nèi)。
所述絕緣保護層15為一可選擇結(jié)構(gòu)，其材料為一絕緣材料，如橡膠、 樹脂等。所述絕緣保護層15厚度不限，可以根據(jù)實際情況選擇。所述絕緣 保護層15覆蓋于所述第一電極12、第二電極14和加熱層16之上，可以使 該面熱源IO在絕緣狀態(tài)下使用，同時還可以避免所述加熱層16中的石友納米管吸附外界雜質(zhì)。本實施例中，該絕緣保護層15的材料為橡膠，其厚度為 0.5~2毫米。
本技術(shù)方案實施例的面熱源IO在使用時，可先將面熱源IO的第一電極 12和第二電極14連接導(dǎo)線后接入電源。在接入電源后熱源10中的線狀碳納 米管結(jié)構(gòu)160即可輻射出一定波長范圍的電^茲波。所述面熱源20可以與待 加熱物體的表面直接接觸?；蛘?，由于本實施例中作為加熱層16的線狀碳
納米管結(jié)構(gòu)160中的碳納米管具有良好的導(dǎo)電性能，且該線狀碳納米管結(jié)構(gòu) 160本身已經(jīng)具有一定的自支撐性及穩(wěn)定性，所述面熱源20可以與待加熱物 體相隔一定的距離設(shè)置。
本技術(shù)方案實施例中的面熱源IO在線狀碳納米管結(jié)構(gòu)160的面積大小 一定時，可以通過調(diào)節(jié)電源電壓大小和加熱層16的厚度，可以輻射出不同 波長范圍的電^f茲波。電源電壓的大小一定時，加熱層16的厚度和面熱源10 輻出電磁波的波長的變化趨勢相反。即當(dāng)電源電壓大小一定時，加熱層16 的厚度越厚，面熱源10輻出電》茲波的波長越短，該面熱源10可以產(chǎn)生一可 見光熱輻射；加熱層16的厚度越薄，面熱源IO輻出電磁波的波長越長，該 面熱源IO可以產(chǎn)生一紅外線熱輻射。加熱層16的厚度一定時，電源電壓的 大小和面熱源10輻出電》茲波的波長成反比。即當(dāng)加熱層16的厚度一定時， 電源電壓越大，面熱源10輻出電；茲波的波長越^i，該面熱源10可以產(chǎn)生一 可見光熱輻射；電源電壓越小，面熱源10輻出電》茲波的波長越長，該面熱 源IO可以產(chǎn)生一紅外熱輻射。
碳納米管具有良好的導(dǎo)電性能以及熱穩(wěn)定性，且作為 一理想的黑體結(jié) 構(gòu)，具有比較高的熱輻射效率。將該面熱源10暴露在氧化性氣體或者大氣 的環(huán)境中，其中線狀碳納米管結(jié)構(gòu)的厚度為5毫米，通過在10伏 30伏調(diào)節(jié) 電源電壓，該面熱源10可以輻射出波長較長的電》茲波。通過溫度測量儀發(fā) 現(xiàn)該面熱源10的溫度為5(TC 50(TC。對于具有黑體結(jié)構(gòu)的物體來說，其所 對應(yīng)的溫度為200。C 45(TC時就能發(fā)出人眼看不見的熱輻射(紅外線)，此時 的熱輻射最穩(wěn)定、效率最高。應(yīng)用該線狀碳納米管結(jié)構(gòu)制成的發(fā)熱元件，可 應(yīng)用于電加熱器、紅外治療儀、電暖器等領(lǐng)域。
進一步地，將本技術(shù)方案實施例中的面熱源IO放入一真空裝置中，通 過在80伏~150伏調(diào)節(jié)電源電壓，該面熱源10可以輻射出波長4交短的電》茲波。當(dāng)電源電壓大于150伏時，該面熱源IO陸續(xù)會發(fā)出紅光、黃光等可見光。 通過溫度測量儀發(fā)現(xiàn)該面熱源IO的溫度可達到1500。C以上，此時會產(chǎn)生一 普通熱輻射。隨著電源電壓的進一步增大，該面熱源10還能產(chǎn)生殺死細(xì)菌 的人眼看不見的射線(紫外光)，可應(yīng)用于光源、顯示器件等領(lǐng)域。
所迷的面熱源具有以下優(yōu)點第一，由于碳納米管具有較好的強度及韌 性，線狀碳納米管結(jié)構(gòu)的強度較大，柔性較好，不易破裂，使其具有較長的 使用壽命。第二，線狀碳納米管結(jié)構(gòu)中的碳納米管均勻分布，因此具有均勻 的厚度及電阻，發(fā)熱均勻，碳納米管的電熱轉(zhuǎn)換效率高，所以該面熱源具有 升溫迅速、熱滯后小、熱交換速度快、輻射效率高的特點。第三，碳納米管 的直徑較小，使得線狀碳納米管結(jié)構(gòu)具有較小的厚度，可以制備微型面熱源， 應(yīng)用于微型器件的加熱。第四，多個線狀碳納米管結(jié)構(gòu)交叉形成一多層結(jié)構(gòu) 以提供一定的支撐作用，使碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)具有更好的韌性。第五，線狀 碳納米管結(jié)構(gòu)可通過從碳納米管陣列中拉取后作進一步處理得到，方法筒單 且有利于大面積面熱源的制作。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，當(dāng)然，這些依 據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種面熱源，包括一加熱層，至少兩電極間隔設(shè)置于該加熱層表面并與該加熱層電接觸，其特征在于，所述加熱層包括多個線狀碳納米管結(jié)構(gòu)。
2. 如權(quán)利要求1所述的面熱源，其特征在于，所述多個線狀碳納米管結(jié)構(gòu)平行 _沒置形成一單層結(jié)構(gòu)。
3. 如權(quán)利要求2所述的面熱源，其特征在于，所述相鄰兩個線狀碳納米管結(jié)構(gòu) 之間的距離小于30微米。
4. 如權(quán)利要求1所述的面熱源，其特征在于，所述多個線狀碳納米管結(jié)構(gòu)交叉 設(shè)置形成一多層結(jié)構(gòu)。
5. 如權(quán)利要求1所述的面熱源，其特征在于，所迷線狀碳納米管結(jié)構(gòu)包括至少 一碳納米管長線。
6. 如權(quán)利要求5所述的面熱源，其特征在于，所述線狀碳納米管結(jié)構(gòu)為由多根 爿暖納米管長線組成的束狀結(jié)構(gòu)或者絞線結(jié)構(gòu)。
7. 如權(quán)利要求6所述的面熱源，其特征在于，所述碳納米管長線包括多個首尾 相連且沿碳納米管的軸向方向擇優(yōu)取向排列的碳納米管。
8. 如權(quán)利要求7所述的面熱源，其特征在于，所述碳納米管長線是由多個碳納 米管組成的束狀結(jié)構(gòu)或者絞線結(jié)構(gòu)。
9. 如權(quán)利要求8所述的面熱源，其特征在于，所述束狀結(jié)構(gòu)的碳納米管長線中 的碳納米管沿碳納米管長線的軸向方向平行排列。
10. 如權(quán)利要求8所述的面熱源，其特征在于，所述絞線結(jié)構(gòu)的石友納米管長線中 的碳納米管沿碳納米管長線的軸向方向螺旋排列。
11. 如權(quán)利要求1所述的面熱源，其特征在于，所述至少兩電極的材料為金屬、 合金、銦錫氧化物、銻錫氧化物、導(dǎo)電銀膠、導(dǎo)電聚合物或?qū)щ娦蕴技{米管。
12. 如權(quán)利要求1所述的面熱源，其特征在于，所述至少兩電極設(shè)置在線狀碳納 米管結(jié)構(gòu)的同 一表面或者不同表面。
13. 如權(quán)利要求1所述的面熱源，其特征在于，進一步包括一導(dǎo)電粘結(jié)劑設(shè)置在 所述的至少兩電才及和線狀碳納米管結(jié)構(gòu)之間。
14. 如權(quán)利要求1所述的面熱源，其特征在于，所述面熱源進一步包括一板狀基底，所述線狀碳納米管結(jié)構(gòu)設(shè)置在該板狀基底表面。
15. 如權(quán)利要求14所述的面熱源，其特征在于，所述基底的材料為柔性材料或 硬性材料，且所述柔性材料為塑料或柔性纖維，所述硬性材料為陶瓷、玻璃、 樹脂或石英。
16. 如權(quán)利要求1所述的面熱源，其特征在于，所述面熱源進一步包括一反射層， 該反射層設(shè)置于加熱層表面。
17. 如權(quán)利要求16所述的面熱源，其特征在于，所述反射層設(shè)置在所述加熱層 與基底之間或者設(shè)置在所述基底遠(yuǎn)離加熱層的表面。
18. 如權(quán)利要求16所述的面熱源，其特征在于，所述反射層的材料為金屬氧化 物、金屬鹽或陶瓷，厚度為100微米 0.5毫米。
19. 如權(quán)利要求1所述的面熱源，其特征在于，所述面熱源進一步包括一絕緣保 護層設(shè)置于所述加熱層表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種面熱源，該面熱源包括至少兩個電極和一加熱層。所述至少兩個電極間隔設(shè)置于該加熱層上，并與該加熱層電接觸。該加熱層包括多個線狀碳納米管結(jié)構(gòu)。
文檔編號H05B3/22GK101626639SQ200810068459
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者辰 馮, 鍇 劉, 姜開利, 范守善 申請人:清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司