一種二維納米碳發(fā)熱體、柔性電加熱模組及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電加熱制品，具體涉及一種二維納米碳發(fā)熱體、柔性電加熱模組及其制備方法。
【背景技術】
[0002]電加熱材料是利用電流熱效應而產(chǎn)生熱能的材料，在民用和工業(yè)上有廣泛應用。普通的電熱材料可分為金屬電熱材料和非金屬電熱材料兩類。金屬類電熱材料主要包括貴金屬(Pt)、高溫熔點金屬(W、Mo、Ta、Nb)及其合金、鎳基合金和鐵鋁系合金。非金屬電熱材料主要有碳纖維、碳化硅、鉻酸鑭、氧化鋯、二硅化鉬等。單純的金屬電熱體和非金屬電熱材料都存在一些問題，比如，高溫抗蠕變性能和室溫韌性較低，抗彎折、抗揉搓等柔性能力均不理想，尤其是金屬類電熱材料具有抗腐蝕性能差，電路集成制造過程依賴于強酸刻蝕而存在安全隱患等缺點。
[0003]近年來，碳納米管、石墨稀等納米碳材料因在力學、電學、熱學、化學穩(wěn)定性等方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，也逐漸被應用于制備電加熱材料及元件，并越來越受到研究人員的青睞。例如，目前已有較多關于基于碳納米管膜、碳納米管纖維等的面熱源、線熱源、電熱織物等的報道，這些報道可參閱0附010905864丄附014001984，0附010905864丄附01192490八等。但現(xiàn)有的這些電加熱元件等在應用中都或多或少存在一些缺陷。以CN101090586A中公開的納米柔性電熱材料為例，其中碳納米管是分散在柔性基體內(nèi)，若碳納米管含量高，則會存在嚴重團聚，導致該電熱材料各局部的發(fā)熱性能不均，若碳納米管含量低，則該電熱材料的熱響應速度和電熱轉(zhuǎn)換效率將較低，發(fā)熱溫度不高，且這些柔性基體只能選擇聚合物材料，耐熱能力差。又以范守善等研究者提出的一種面熱源為例，其包括一加熱元件，該加熱元件包括基體及一體的自支撐的碳納米管結構，所述碳納米管結構包括至少一層碳納米管碾壓膜，每一層碳納米管碾壓膜中相鄰的碳納米管相互部分交疊，并通過范德華力相互吸弓丨，緊密結合;至少兩電極間隔設置并與該加熱元件電連接。該面熱源中碳納米管需與一定厚度的基體一體結合，因此一方面可能較難滿足輕、薄、透氣之要求，另一方面亦較難實現(xiàn)大面積的面熱源，在使用時也基本無法依據(jù)實際應用之需求而任意裁剪，不能很好的構建柔軟、輕薄之可穿戴取暖產(chǎn)品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主要目的在于提供一種二維納米碳發(fā)熱體、柔性電加熱模組及其制備方法，以克服現(xiàn)有技術中的不足。
[0005]為實現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案包括:
[0006]本發(fā)明的實施例提供了一種二維納米碳發(fā)熱體，其包括:
[0007]至少一膜狀電熱結構，所述膜狀電熱結構包含主要由多層二維碳納米管網(wǎng)絡構成的多孔結構，所述膜狀電熱結構所含孔的孔徑為1?lOOnm，孔隙率在30%以上，且在與所述膜狀電熱結構對應的平面內(nèi)，所述膜狀電熱結構在一選定方向上的電導率大于所述膜狀電熱結構在不同于所述選定方向的其余方向上的電導率；
[0008]至少兩個柔性電極，該至少兩個柔性電極沿所述設定方向間隔設置，并均與所述膜狀電熱結構電連接。
[0009]本發(fā)明實施例還提供了一種柔性電加熱模組，其包含:
[0010]納米發(fā)熱層，包含所述的二維納米碳發(fā)熱體，
[0011]以及，直接結合于所述納米發(fā)熱層的相背的兩側(cè)表面的兩個柔性表面層；
[0012]其中至少一個柔性表面層為導熱體并能夠使所述二維納米碳發(fā)熱體于工作時產(chǎn)生的熱輻射透過，且該兩個柔性表面層能夠耐受的溫度均高于所述二維納米碳發(fā)熱體以最大工作功率工作時產(chǎn)生的溫度。
[0013]本發(fā)明實施例還提供了一種制備所述柔性電加熱模組的方法，其包括:
[0014]提供至少一所述的膜狀電熱結構，并將該至少一膜狀電熱結構裁剪至所需形狀；
[0015]提供至少兩個所述的柔性電極，并將該至少兩個柔性電極沿所述的設定方向間隔設置，且使該至少兩個柔性電極均與所述膜狀電熱結構電連接，從而構成所述的二維納米碳發(fā)熱體；
[0016]以所述的二維納米碳發(fā)熱體作為納米發(fā)熱層，并將所述的兩個柔性表面層直接貼合在所述納米發(fā)熱層的相背的兩側(cè)表面。
[0017]優(yōu)選的，所述制備方法還可包括對由所述納米發(fā)熱層和所述的兩個柔性表面層形成的夾心結構進行壓制而使該三者結合成一體的操作。
[0018]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點包括:所述的二維納米碳發(fā)熱體無需與基體結合，具有輕、薄等特點，可實現(xiàn)大面積制備，在制成柔性電加熱模組時，可依據(jù)實際需要而任意裁剪，便于加工，且可仍舊保持電/熱轉(zhuǎn)換效率高，升溫迅速，發(fā)熱均勻，輻射效率高，電熱穩(wěn)定性優(yōu)良等特點，尤其適于制備可穿戴式的取暖保健產(chǎn)品。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明一較佳實施方案中一種碳納米管薄膜的SEM圖；
[0020]圖2是本發(fā)明一較佳實施方案中一種二維納米碳發(fā)熱體的結構示意圖；
[0021]圖3是本發(fā)明一較為典型的實施例中一種柔性電加熱模組的結構示意圖；
[0022]圖4是本發(fā)明一較為典型的實施例中另一種柔性電加熱模組的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023]體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點的典型實施例將在以下的說明中詳細敘述。應理解的是本發(fā)明能夠在不同的實施例上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說明及圖示在本質(zhì)上是當作說明之用，而非用以限制本發(fā)明。
[0024]除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發(fā)明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。
[0025]本發(fā)明的第一實施例中提供的一種二維納米碳發(fā)熱體包括:
[0026]至少一膜狀電熱結構，所述膜狀電熱結構包含主要由多層二維碳納米管網(wǎng)絡構成的多孔結構，所述膜狀電熱結構所含孔的孔徑為1?lOOnm，孔隙率在30%以上，且在與所述膜狀電熱結構對應的平面內(nèi)，所述膜狀電熱結構在一選定方向上的電導率大于所述膜狀電熱結構在不同于所述選定方向的其余方向上的電導率；
[0027]至少兩個柔性電極，該至少兩個柔性電極沿所述設定方向間隔設置，并均與所述膜狀電熱結構電連接。
[0028]所述的“二維”系是指沿二維方向延伸的結構，但其并非僅僅局限于完全的平面，而可以是具有一定厚度的薄膜、片層狀結構等。
[0029]例如，在一具體的實施方案中，請參閱圖2，該二維納米碳發(fā)熱體可包括一所述的膜狀電熱結構100以及兩個柔性電極200、300，該兩個柔性電極沿所述設定方向(如箭頭所示方向)間隔設置，并與所述膜狀電熱結構電連接。
[0030]其中，當將該兩個柔性電極與低壓電源連接后，電流可沿該兩個柔性電極迅速從所述膜狀電熱結構內(nèi)通過，從而迅速驅(qū)使所述膜狀電熱結構產(chǎn)生熱量及熱輻射。
[0031]其中，該主要由多層二維碳納米管網(wǎng)絡構成的多孔結構可優(yōu)選為具有自支撐結構的碳納米管膜，其在無支撐體支撐的情況下，仍能保持自身固有的形態(tài)。該碳納米管膜具有的大量的前述孔徑范圍的三維孔洞結構，可以使該碳納米管膜在保持較高力學強度(例如抗拉強度在80MPa以上，耐揉搓)和較好透氣性的前提下具有較小的面密度(約3?15g/m2)，更為輕薄柔軟，同時還使該碳納米管膜保持較低的面電阻(在所述的選定方向上，導電率在1.0 X 104s/m以上)和較大電流載流能力(約10?50A/mm2)，即，保障其具有較高導電能力。
[0032]進一步的，該碳納米管膜中的碳納米管包括單壁碳納米管、雙壁碳納米管及多壁碳納米管中的一種或多種。
[0033]較為優(yōu)選的，該碳納米管膜可以是采用由化學氣相沉積法直接制備的大面積碳納米管薄膜，該薄膜可任意彎曲折疊和裁剪，厚度可優(yōu)選控制于3?50μπι，面密度可優(yōu)選控制于3?15g/m2，具有質(zhì)輕、柔軟、可透氣、高導電率、大電流承載能力等特點。例如，在所述選定方向上的電導率約1.0 X 104?1.0 X 106s/m，抗拉強度約80?200MPa，請參閱圖1。
[0034]例如，在本發(fā)明的一實施方案中，一種以浮動催化化學氣相沉積法制備所述大面積碳納米管薄膜的工藝可以包括:
[0035]1)將含碳原料、金屬催化劑和反應促進劑