CN101616516B - 线热源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线热源，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，以及两个电极间隔设置，并分别与该加热元件电连接，其中，所述的加热元件包括一碳纳米管结构。

Description

线热源

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1，现有技术提供一种线热源10，其包括一中空圆柱状支架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，以及两个电极间隔设置，并分别与该加热元件电连接，其中，所述的加热元件包括一碳纳米管结构。

与现有技术相比较，所述的线热源具有以下优点：第一，碳纳米管可以方便地制成任意尺寸的碳纳米管结构，既可以应用于宏观领域也可以应用于微观领域。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，碳纳米管结构的电热转换效率高，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。

附图说明

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III-III的剖面示意图。

图4为图3的线热源沿线IV-IV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拉膜的扫描电镜照片。

图6为图5中的碳纳米管拉膜中的碳纳米管片段的结构示意图。

图7为本发明实施例的线热源中的碳纳米管碾压膜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8为本发明实施例的线热源中碳纳米管碾压膜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9为本发明实施例的线热源中的碳纳米管絮化膜的扫描电镜照片。

图10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11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。

具体实施方式

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；一反射层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微米～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1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微米～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100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2×10^-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小于等于1.7×10^-6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破裂。

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。具体地，所述碳纳米管膜可以为碳纳米管拉膜、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。当碳纳米管结构包括碳纳米管膜时，所述碳纳米管膜包裹或缠绕于线状支撑结构202的表面。当碳纳米管结构仅包括一个碳纳米管线状结构时，该碳纳米管线状结构缠绕于所述线状支撑结构202表面。当碳纳米管结构包括多个碳纳米管线状结构时，多个碳纳米管线状结构可以相互平行设置，交叉设置或编织设置形成一层状结构，然后包裹于所述线状支撑结构202表面。当碳纳米管结构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可设置于至少一碳纳米管膜的至少一表面。

所述碳纳米管膜包括均匀分布的碳纳米管，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。

所述碳纳米管结构的长度，宽度以及厚度不限，可以根据实际需要制备。本发明提供的碳纳米管结构的长度为1～10厘米，宽度为1～10厘米，厚度为0.5纳米～2毫米。优选地，所述碳纳米管结构包括多个重叠设置的碳纳米管膜，且该碳纳米管结构的厚度优选为0.01微米～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。所以，该线热源20可适用于对物体快速加热。本实施例中，所述加热元件204采用厚度为100微米的碳纳米管结构。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。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5及图6，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、均匀性及形状。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，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”。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α，且α大于等于0度小于等于90度(0°≤α≤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可以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匀分布的碳纳米管，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β，其中，β大于等于0度且小于等于15度(0≤β≤15°)，该夹角β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7，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8，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匀分布的碳纳米管。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匀分布，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9，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10，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11，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”。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，由于线状支撑结构202直径较小，两个电极206可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。

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。该碳纳米管结构包裹或缠绕于反射层210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反射层210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，该碳纳米管结构包括至少一碳纳米管拉膜、至少一碳纳米管线状结构或其组合。

本实施例中，将两个碳纳米管拉膜分别设置于线状支撑结构202沿其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。

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可通过涂敷或包裹等方法形成于加热元件204的表面。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。该绝缘保护层208为一可选择结构。

本实施例中，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。测量仪器分别为红外测温仪RAYTEK RAYNERIP-M与红外测温仪AZ-8859。当施加电压在1伏～20伏，加热功率为1瓦～40瓦时，碳纳米管结构的表面温度为50℃～500℃。由此可见，该碳纳米管结构具有较高的电热转换效率。对于具有黑体结构的物体来说，其所对应的温度为200℃～450℃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，还可以将多个线热源20排列成各种预定的图形使用。该线热源20可以广泛应用于电加热器、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℃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100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。

Claims (13)

1.一种线热源，其包括：

一线状支撑结构；

一加热元件，其设置于线状支撑结构的表面；以及，

两个电极间隔设置，并分别与该加热元件电连接；

其特征在于，所述的加热元件包括一碳纳米管结构，所述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结合形成一自支撑结构，

通过所述两个电极向所述碳纳米管结构施加电压，所述碳纳米管结构将电能转换为热能，并发出热辐射。

2.如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管结构包括多个均匀分布的碳纳米管。

3.如权利要求2所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管在该碳纳米管结构中有序排列或无序排列。

4.如权利要求3所述的线热源，其特征在于，所述的碳纳米管的长度大于100微米，直径小于50纳米。

5.如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管结构的单位面积热容小于2×10^-4焦耳每平方厘米开尔文。

6.如权利要求5所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管结构的单位面积热容小于等于1.7×10^-6焦耳每平方厘米开尔文。

7.如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述的碳纳米管结构缠绕或包裹于线状支撑结构的表面。

8.如权利要求7所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管结构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。

9.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。

10.如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述电极为一导电薄膜、金属片或金属引线。

11.如权利要求1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。

12.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反射层设置于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、金属盐及陶瓷中的一种或多种。

13.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。

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