專利名稱：具有線性碳結(jié)構(gòu)的準一維纖維半導體及其制備方法和裝置,以及使用該纖維半導體的加 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有線性碳結(jié)構(gòu)的準一維纖維半導體，更具體涉及一種具有線性碳結(jié)構(gòu)的準一維纖維半導體，其中將產(chǎn)生強輻射熱的半導體碳纖維貼附在金屬板上以用作平面加熱元件，還涉及該纖維半導體的制造方法和裝置以及使用該纖維半導體的加熱元件。
通常，準一維導體是一種導電性朝該晶體的垂直面的選定方向增加的晶體物質(zhì)。這種各向異性導體涉及其晶體結(jié)構(gòu)的特性，即電子是一維移動的。
這一現(xiàn)象可主要在含有過渡金屬原子的復合物形成的晶格中觀察到。
例如，有一種晶體R3Pt(CN4)B0.3·3H2O，其中Pt原子被分子CN圍繞形成平行連接。由于Pt原子間的距離(2.88)短，Pt原子的電子云彼此交叉以便能在原子間運動。此外，作為另一個準一維導體的實例，有一種由包括四氰基-kino-二甲烷化合物的分子組成的物質(zhì)。在該物質(zhì)的結(jié)晶化過程中，復合物就以鏈引(linkage inviting)傳導形式開始列成一排。
然而，由于包括金屬原子的準一維半導體的晶格周期要改變瞬間的晶格變換，準一維導體就不穩(wěn)定。結(jié)果，當其溫度降低時，準一維導體轉(zhuǎn)變成電解質(zhì)。這就產(chǎn)生了如下問題，準一維導體的轉(zhuǎn)變伴隨著晶粒聲譜(acoustic grain spectrum)、光學特性、導電性、電子的熱容、順磁性材料的磁化率等的改變。
此外，具有二維結(jié)晶層結(jié)構(gòu)的導體可轉(zhuǎn)變成類二維導體。作為實例，可舉出石墨。石墨的各晶面間距為6.69，并且也具有六方結(jié)構(gòu)，其中在六方晶面內(nèi)其原子間的距離為2.4。層面和原子間的差異能產(chǎn)生一萬倍電導。
因此，最近已經(jīng)提出一種用新的線性聚合鏈(=C=C)n化合新的碳結(jié)晶體，稱為“卡賓碳”。這種碳晶體具有n型半導體的特生并且在超過2500℃的高溫下轉(zhuǎn)變成石墨。具有這樣的線性晶體結(jié)構(gòu)的碳素纖維可通過在2200℃惰性氣體狀態(tài)下熱解人造絲而獲得。用人造絲可制造各種復合物，主要是堅固且有韌性的電加熱元件。
在“卡賓碳”的結(jié)構(gòu)中，原子間的距離為2.75，線生聚合鏈的面間距為8.34。此外，由于在石墨晶體的分子層間形成了大空間，卡賓碳的結(jié)構(gòu)能吸收大量某些物質(zhì)。如果向石墨中加入一種化合物，大多數(shù)化合物受到位于分子層間邊界處的吸附物質(zhì)的特異性限制。通常，位于邊界處的吸附物質(zhì)能阻止碳與其他元素結(jié)合，以便填隙化合物能遠離碳網(wǎng)間的邊界處。然而，在適當?shù)臈l件下，吸附物質(zhì)可以再生并以幾乎完整的石墨結(jié)構(gòu)形式提取出來。
同時，石墨化合物可分成兩組。一組是通過提取氟化物和氧而獲得的石墨化合物。這組化合物的特征在于碳原子與填隙化合物是共價鍵合的。這是為何其結(jié)構(gòu)是扭曲的原因。在這組化合物中，含有位于邊界處的吸附物質(zhì)的材料基本類似于化合物。
另一組石墨化合物包括含有石墨的各種材料。這些材料類似于一般的副產(chǎn)物。由于材料顆粒與石墨層的極化不一致，在副產(chǎn)物中有一些差別。這種石墨化合物不受結(jié)構(gòu)扭曲的影響。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種新的具有線性碳結(jié)構(gòu)的準一維碳纖維半導體，其中向碳纖維中加入受體填隙雜質(zhì)(無機陰離子)。
本發(fā)明的另一目的是提供制造該準一維碳纖維半導體的方法，以便獲得使用這種準一維碳纖維半導體的高效電熱元件的方法。
本發(fā)明的另一目的是制造一種其側(cè)面附連金屬板，以便得到大面積電阻并且散發(fā)出大量熱，同時整體電阻無任何改變的碳纖維。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能用于加熱元件的碳纖維，該碳纖維能發(fā)射出弱電磁波，從而在施加交流電時能保護人體不受電磁波的傷害。
為獲得上述目的和其他的優(yōu)點，本申請?zhí)峁┮环N具有線性碳結(jié)構(gòu)的準一維碳纖維半導體，其特征在于向碳纖維中加入類似于磷酸根離子(PO-34)的受體填隙雜質(zhì)。
在本發(fā)明的一個方面，還提供一種制造具有線性碳纖維結(jié)構(gòu)的準一維纖維半導體的方法，包括下列步驟電化學處理碳條、清潔電化學處理過的碳條、干燥清潔后的碳條、用硅酮溶液飽和經(jīng)干燥過的碳條、形成細線(fine thread)形式的飽和碳條。
本發(fā)明另一方面還提供了用于制造具有線性碳結(jié)構(gòu)的準一維纖維半導體的裝置，包括用于儲放碳條的貯槽、多個用于從槽中連續(xù)傳送碳條的輥、在輥之間設(shè)置并電化學處理從貯槽中傳送出來的碳條的電解槽、用于清洗通過電解槽后的碳條的水容器、用于干燥在水容器中清洗過的碳條的干燥器和用于儲放包括二氯甲烷的硅酮電解溶液，碳條被用硅酮電解液飽和。
本發(fā)明另一方面提供一種使用具有線性碳結(jié)構(gòu)的準一維纖維半導體的加熱元件，包括由一對上下薄板形成的基座；金屬板，該板具有所需表面積且縱向和橫向以規(guī)則間隔排列在基座的相應(yīng)表面上；分別在金屬板的上面和下面的中央部分按次序重復的碳纖維線；位于基座的側(cè)面以便向碳纖維線提供能量的導體；加熱座，它有一對第一和第二電極板，向碳纖維線提供來自基座之外的能量，第一電極板與碳纖維線連接，位于金屬板的上面，第二電極板與碳纖維線連接，位于金屬板的下面。
通過參考附圖詳述本發(fā)明的優(yōu)選實施方案可以更清楚本發(fā)明的上述目的和其他優(yōu)點，其中

圖1說明本發(fā)明具有線生碳結(jié)構(gòu)的準一維纖維半導體制造方法；圖2曲線說明在半導體碳纖維在電解槽中用作AC電場的電負荷的情況下的cosΦ值，也就是本發(fā)明的功率因數(shù)的變化；圖3對照曲線說明碳條有效電阻隨磷酸鹽基團濃度的變化；圖4對照曲線說明碳條有效電阻隨碳條通過電解槽的遷移率的變化；圖5說明本發(fā)明加熱元件中碳條的連接狀況；
圖6說明在本發(fā)明加熱元件中碳纖維被連接到電極板；圖7是說明使用本發(fā)明的加熱元件的加熱板的透視圖；與8是說明本發(fā)明加熱座的其他實施方案的透視圖。
下面將參考附圖更詳細地描述本發(fā)明，其中表明了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。
在本發(fā)明的準一維纖維半導體中，向碳纖維中加入了受體填隙雜質(zhì)(無機陰離子)，從而提供一種具有準一維導電性的P-型半導體。
下面將參見圖1詳述描述本發(fā)明的具有線性碳結(jié)構(gòu)的準一維纖維半導體的制造方法。
a)將2200條纖絲、約100股細條線，一個11到13Ω/m的電阻器和一個在2200℃下熱處理的碳條以0.015m/min的速度從槽1開始經(jīng)過電解槽進行電化學處理。這一步驟可以在輥7的控制下進行。
與此同時，碳條是通過水冷陰極提供到電解槽中的。電解液的組成如下H3PO495～25g/lCrO3 25～75g/lH2O 余量。
此時，100股細條線縱向的電流強度是2～10A，電解液的溫度在40～45℃的范圍內(nèi)。
b)將電解碳條移到容器3中，并通過注入水清洗。同時，控制注入水量以均勻保持電解槽中的電解液位。
c)用干燥器4干燥清洗過的化學處理碳條。
d)為了穩(wěn)定和改善碳條并強化碳絲，將碳條移動到含硅酮電解液的槽5中，用單體硅酮和二氯乙烷進行飽和。
這時，溶液的組成如下硅酮70-80g/l二氯乙烷余量，并使溶液保持在室溫。
這時，在較高濃度的硅酮中，碳絲的電物理特性改變，其有效電阻增加約10倍。如果硅酮的濃度低于其優(yōu)化條件，碳絲的機械物理特性就緩慢改變。接著，將碳條用已知的路徑過濾器(way filter)500拆成細線，并把它們排到外面。
e)在硅酮聚合處理后，碳條就形成細線，并用卷筒6纏繞。
如上所述，制造具有空穴導電的(P-型)半導體的碳纖維的方法與形成雜質(zhì)半導體的類似。
在本說明書中所指的雜質(zhì)是指加入到半導體基團中形成電物理特性的材料。結(jié)果，雜質(zhì)在圍繞半導體價帶最上層的禁區(qū)上就形成了一種另外的能級。
在碳纖維價帶中的電子因熱激勵而被熱激發(fā)，并被轉(zhuǎn)移到雜質(zhì)的自由電子能級(雜質(zhì)層)。電子并不影響電流的傳導。
在半導體中的空穴濃度比傳到價帶的電子濃度要高。
為了把一種受體雜質(zhì)(無機陰離子)注入碳纖維中的取代空間，需要一種有強酸性的化合物例如CrO3。
在這種情況下，熱和化學穩(wěn)定的受體雜質(zhì)，例如就是磷酸根陰離子(PO-34)。在本說明書中，將不涉及其它的陰離子。
然而，如果有CrO3，在線形結(jié)構(gòu)的碳原子和受體雜質(zhì)之間的相互作用就非常緩慢，分別形成的碳纖維就具有不同的特性。
因此，把受體雜質(zhì)注入碳纖維結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化方法是使用電化學電解質(zhì)加工。
在硅酮電解質(zhì)溶液中的碳纖維最終處理步驟中，每一步需要分別固定纖絲。
在此情況下，因為纖絲是機械強化的，碳纖維的抗拉強度就增強。另外，由于碳纖維的內(nèi)部和外部處配備的纖絲中靜電的釋放，可以預(yù)防纖絲的腐蝕，并且電磁波(最大1.5mG)的輻射就可以降低，從而可以保護人體免受電磁波的損害。
圖2曲線說明在半導體碳纖維在電解槽中用作AC電場的電負荷的情況下的cosΦ值，也就是本發(fā)明的功率因數(shù)。電流密度優(yōu)選在2～10A的范圍。
與在AC或DC電源下的功率消耗相比，有較大量的輻射熱輻射到準一維半導體上。
這一現(xiàn)象可以用一個事實解釋，由于供應(yīng)負栽例如變電站、各種馬達和變壓器的特性改變，連接使用者和供應(yīng)者的電源線就有高電感。
如果用一個電容器負栽補償由于通常的電感造成的損失，就不可能獲得象本發(fā)明中這樣的輻射熱。
眾所周知電感是在交流電中相位延遲的主要原因。
這就造成如下所述的功率損失W=Ⅵcosθ(θ是功率因數(shù))。
如圖中所述，碳纖維的聚合物鏈在一個功率因數(shù)(cosθ=0.7)之處改變。
如果準一維半導體被用作在交流電中的負栽，電流就是均勻的，沒有任何改變。因為通過降低電壓與電流相應(yīng)的增量可以降低相位差，功率因數(shù)(cosθ)就可以增加。
圖3說明碳條有效電阻與磷酸根濃度的關(guān)系；優(yōu)化濃度是150～300g/l，電阻在較低的濃度下改變，但在較高的濃度下成幾何增加。
圖4說明碳條有效電阻隨碳條通過電解槽的遷移率關(guān)系。
在遷移率為0.015m/min時，物理特性并不改變。
在有準一維碳結(jié)構(gòu)的半導體纖維中提供一塊金屬板而不改變整個電阻，以便輻射大量的熱并增加表面電阻。在這種情況下，碳纖維的內(nèi)阻是整個電阻的10～20％，然而，表面電阻增加約1000倍。
根據(jù)制造有準一維碳結(jié)構(gòu)的纖維半導體的方法，可以應(yīng)用到有平面結(jié)構(gòu)的電流加熱元件中。
如圖5和圖6所示，金屬板20的一端與碳纖維10的另一端交疊在一起。在碳纖維的兩端有電極板30彼此相對。
金屬板20和電極板30由鋁、銅、銅合金、或鐵制成。金屬板20自身通過碳纖維10輻射熱量。
金屬板20之間的距離是2～3mm。提供的尺寸是1cm×1cm～5cm×5cm。
如圖5所示，碳纖維10與金屬板20表面通過能提供較好接觸的膠合或熨燙連接。電極板30由銅或黃銅板制成。所有的碳纖維10的一端都與電極板30的另一端接觸。每一個單獨的元件都通過一個電極板30彼此連接。
在這種情況下，電流以各自不同的方向通過各個元件的界面。
加熱元件如上所述，具有如下特性碳纖維10長度1.5m金屬板11的數(shù)量20額定AC電壓220V碳纖維的有效電阻1500Ω/m總電阻40Ω電流0.49A全電動勢220瓦特電磁輻射功率最大1.5毫高斯在AC電場下的起始功率因數(shù)(cosθ)0.8在接通一個元件時的后續(xù)功率因數(shù)(cosθ)0.98有效能量增加率18％表面溫度72～76℃。
如圖7和圖8所示，加熱元件被安裝在加熱座中以迅速加熱金屬板，這樣加熱板的薄板就均勻輻射熱量，由于金屬板迅速的熱傳遞，因此能以小的功率消耗而有效獲得所需的溫度。
圖7是說明使用本發(fā)明的加熱元件的加熱座，其中提供了一對薄板型基基座40，該座是由耐熱塑料材料制成以避免電流泄露。
在基基座40的每一個對應(yīng)的表面，以有規(guī)律的間隔安裝有具有所需表面積的金屬板20。
另外，其表面被硅酮涂布的碳纖維線10，沿縱向和橫向被重復安置在金屬板20的上表面和下表面的中央部分，以使得金屬板20彼此電連接在一起。
碳纖維10配置在與上基基座40a相連的金屬板上側(cè)面中央部分，以及與下基基座40b的上部相連的金屬板20的中央部分。
在碳纖維線10的一端，配備一個導體50，以連接各對相應(yīng)的基座40，從而允許施加功率。
導體50主要由銅制成。優(yōu)選導體50以銅板形式提供。
另外，在基座40的另一端，提供有一對第一和第二電極板30a，30b，以使得功率能加到碳纖維線10上。
第一電極板30a與提供在金屬板30的上側(cè)面的碳纖維線10連接。第二電極板30b與提供在金屬板30的下端的碳纖維線10連接。因此，加熱座能迅速輻射熱量。
此外，還提供一個由同樣的金屬材料制成的耐熱絕緣箔60以絕緣第一和第二電極板30a，30b。
還有，為了避免碳纖維線10的壓降，也為了均勻輻射熱量，在第一和第二電極板30a，30b和導體50之間平行提供碳纖維10。
因此，當從外界施加功率時，碳纖維10就能均勻輻射。
因為提供的功率在碳纖維10上流動的電流很微弱，焦耳熱在金屬板20的內(nèi)部產(chǎn)生。
參照圖8將更充分地描述加熱座的其他實施方案。
在基座40一側(cè)面裸露的碳纖維線10的兩端，分別配備供應(yīng)功率的能源線。
為了以Z字型方向把功率引入基座40，提供多個導體50以連接碳纖維線10的兩端。
因此，加熱元件降低了功率消耗，并且也降低了電磁波輻射。
此外，當交流電通過碳纖維時，應(yīng)當認為通過加熱元件的功率因數(shù)的改變，不能被利用的功率就變成可以利用的功率。如果碳纖維的表面積增加以及不能被利用的功率數(shù)量級較大，該操作的效果就更加明顯。
因此，本發(fā)明的準一維碳纖維半導體可以用在供電線的電抗器或穩(wěn)壓裝置中。
并且該加熱元件也可以在水分配器和加熱座中穩(wěn)定應(yīng)用。
對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下，很明顯可以對本發(fā)明進行各種改進和改變。因此，要害是本發(fā)明覆蓋了源自附屬待批權(quán)利要求書及其等效物范圍的所有改進和改變。
權(quán)利要求
1．一種具有線性碳結(jié)構(gòu)的準一維纖維半導體，其特征在于向碳纖維中加入類似于磷酸根離子(PO-34)的受體填隙雜質(zhì)。
2．一種制造具有線生碳結(jié)構(gòu)的準一維纖維半導體的方法，包括步驟電化學處理碳條；清潔電化學處理過的碳條；干燥清潔后的碳條；用硅酮溶液飽和干燥過的碳條；形成細線形式的飽和碳條。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于碳條包括2200條纖絲、約100股細條線，一個11到13Ω/m的電阻和在2200℃氮氣氛下熱解的碳條。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于在電化學處理碳條的步驟中，碳條在含有H3PO495～250g/l，CrO325～75g/l和其余為H2O的電解槽中處理。
5．根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于碳條以0.015m/min的速度經(jīng)過電解槽，電解槽的溫度為40～45℃。
6．根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于硅酮溶液含有70-80g/l的硅酮且其余為二氯乙烷。
7．一種制造具有線性碳結(jié)構(gòu)的準一維纖維半導體的裝置，包括用于儲放碳條的貯槽；多個用于從槽中連續(xù)傳送碳條的輥；在輥之間提供且電化學處理從貯槽中傳送出來的碳條的電解槽；用于清洗通過電解槽碳條的水容器；用于干燥在水容器中清洗過的碳條的干燥器；和用于儲放包括二氯甲烷的硅酮電解溶液的硅酮貯槽，碳條被用硅酮電解溶液飽和。
8．一種使用具有線性碳結(jié)構(gòu)的準一維纖維半導體的加熱元件，包括由一對上和下的薄板形成的基座；金屬板，具有所需表面積且縱向和橫向以規(guī)則間隔排列在基座的相應(yīng)表面上；碳纖維線，分別按次序在金屬板的上面和下面的中央部分重復；導體，位于基座的一個側(cè)面以便向碳纖維線提供能量；加熱座，有一對第一和第二電極板，向碳纖維線提供來自基座之外的能量，第一電極板與位于金屬板的上面的碳纖維線連接，第二電極板與位于金屬板的下側(cè)面的碳纖維線連接。
9．根據(jù)權(quán)利要求8所述的加熱元件，其特征在于碳纖維線分別位于安裝在基座內(nèi)部的金屬板一側(cè)，在基座一個側(cè)面裸露的碳纖維線的兩端上分別配備多個導體，使得在施加功率時以Z字型方向把功率引入基座。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有線性碳結(jié)構(gòu)的準一維纖維半導體,制造它的方法和裝置,和使用該纖維半導體的加熱元件。具有線性碳結(jié)構(gòu)的準一維纖維半導體特征在于向碳纖維中加入類似于磷酸根離子(PO
文檔編號H05B3/14GK1287466SQ00129048
公開日2001年3月14日 申請日期2000年8月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月23日
發(fā)明者權(quán)相喜, 亞歷山大·德米特里耶維奇·措伊 申請人:株式會社Koros