專利名稱：線熱源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種線熱源，尤其涉及一種基于碳納米管的線熱源。
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。線熱源是常用的熱 源之一，被廣泛應(yīng)用于電加熱器、紅外治療儀、電暖器等領(lǐng)域。
請(qǐng)參見(jiàn)圖l,現(xiàn)有技術(shù)提供一種線熱源IO,其包括一中空?qǐng)A柱狀支架102; 一加熱層104設(shè)置于該支架102表面， 一絕緣保護(hù)層106設(shè)置于該加熱層104表 面；兩個(gè)電極110分別設(shè)置于支架102兩端，且與加熱層104電連接；兩個(gè)夾緊 件108分別將兩個(gè)電極110與加熱層104卡固在支架102兩端。其中，加熱層104 通常釆用 一碳纖維紙通過(guò)纏繞或包裹的方式形成。當(dāng)通過(guò)兩個(gè)電極110對(duì)該線 熱源10施加一電壓時(shí)，所述加熱層104產(chǎn)生焦耳熱，并向周圍進(jìn)行熱輻射。所 述碳纖維紙包括紙基材和雜亂分布于該紙基材中的瀝青基碳纖維。其中，紙 基材包括纖維素纖維和樹(shù)脂等的混合物，瀝青基碳纖維的直徑為3~6毫米， 長(zhǎng)度為5 20微米。
然而，采用碳纖維紙作為加熱層具有以下缺點(diǎn)第一，碳纖維紙厚度較 大， 一般為幾十微米，使線熱源不易做成微型結(jié)構(gòu)，無(wú)法應(yīng)用于微型器件的 加熱。第二，由于該碳纖維紙中包含了紙基材，所以該碳纖維紙的密度較大， 重量大，使得采用該碳纖維紙的線熱源使用不便。第三，由于該碳纖維紙中 的瀝青基碳纖維雜亂分布，所以該碳纖維紙的強(qiáng)度較小，柔性較差，容易破 裂，限制了其應(yīng)有范圍。第四，碳纖維紙的電熱轉(zhuǎn)換效率較低，不利于節(jié)能 環(huán)保。
有鑒于此，確有必要提供一種線熱源，該線熱源重量較小，強(qiáng)度大，可 以做成微型結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于微型器件的加熱，且電熱轉(zhuǎn)換效率較低，利于節(jié)能 環(huán)保
發(fā)明內(nèi)容
一種線熱源包括一線狀基底； 一加熱層設(shè)置于線狀基底的表面；以及兩 個(gè)電極間隔設(shè)置于加熱層的表面，并分別與該加熱層電連接，其中，所述的 加熱層包括一碳納米管層，且該碳納米管層包括各向同性、沿一固定方向取 向或不同方向取向擇優(yōu)排列的多個(gè)碳納米管。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，所述的線熱源具有以下優(yōu)點(diǎn)第一，碳納米管可以 方便地制成任意尺寸的碳納米管層，既可以應(yīng)用于宏觀領(lǐng)域也可以應(yīng)用于微 觀領(lǐng)域。第二，碳納米管比碳纖維具有更小的密度，所以，采用碳納米管層 的線熱源具有更輕的重量，使用方便。第三，碳納米管層的電熱轉(zhuǎn)換效率高， 熱阻率低，所以該線熱源具有升溫迅速、熱滯后小、熱交換速度快的特點(diǎn)。 第四，所述的碳納米管層可以通過(guò)碾壓碳納米管陣列直接獲得，易于制備， 成本較低。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的線熱源的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本技術(shù)方案實(shí)施例的線熱源的結(jié)構(gòu)示意圖 圖3為圖2的線熱源沿線III-m的剖面示意圖。 圖4為圖3的線熱源沿線IV-IV的剖面示意圖。
圖5為本技術(shù)方案實(shí)施例采用的包括沿不同方向擇優(yōu)取向排列的碳納米 管的碳納米管層的掃描電鏡照片。
圖6為本技術(shù)方案實(shí)施例采用的包括沿同一方向擇優(yōu)取向排列的碳納米 管的碳納米管層的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本技術(shù)方案線熱源。
請(qǐng)參閱圖2至圖4，本技術(shù)方案實(shí)施例提供一種線熱源20，該線熱源 20包括一線狀基底202; —反射層210設(shè)置于該線狀基底202的表面； 一加 熱層204設(shè)置于所述反射層210表面；兩個(gè)電極206間隔設(shè)置于該加熱層204 的表面，且與該加熱層204電連接；以及一絕緣保護(hù)層208設(shè)置于該加熱層 204的表面。所述線熱源20的長(zhǎng)度不限，直徑為0.1微米 1.5厘米。本實(shí)施 例的線熱源20的直徑優(yōu)選為為1.1毫米 1.1厘米。所述線狀基底202起支撐作用，其材料可為硬性材料，如陶瓷、玻璃、 樹(shù)脂、石英等，亦可以選擇柔性材料，如塑料或柔性纖維等。當(dāng)線狀基底 202為柔性材料時(shí)，該線熱源20在使用時(shí)可根據(jù)需要彎折成任意形狀。所述 線狀基底202的長(zhǎng)度、直徑以及形狀不限，可依據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。本實(shí) 施例優(yōu)選的線狀基底202為一陶瓷桿，其直徑為1毫米~1厘米。
所述反射層210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(shí)施例中，反射層210的材料優(yōu)選為三氧化二鋁，其厚度為100 孩吏米~0.5毫米。該反射層210通過(guò)'踐射的方法沉積于該線狀基底202表面。 所述反射層210用來(lái)反射加熱層204所發(fā)的熱量，使其有效的散發(fā)到外界空 間去，故，該反射層210為一可選擇結(jié)構(gòu)。
所述加熱層204包括一碳納米管層。該碳納米管層可以包裹或纏繞于所 述反射層210的表面。該碳納米管層可以利用本身的粘性與該反射層210連 接，也可進(jìn)一步通過(guò)粘結(jié)劑與反射層210連接。所述的粘結(jié)劑為硅膠?？梢?理解，當(dāng)該線熱源20不包括反射層210時(shí)，加熱層204可以直接包裹或纏 繞于所述線狀基底202的表面。
所述碳納米管層包括均勻分布的碳納米管。該碳納米管層中的碳納米管 與碳納米管層的表面成一夾角a，其中，a大于等于零度且小于等于15度 (0^x^15。)。優(yōu)選地，所述碳納米管層中的碳納米管平行于碳納米管層的表面。 該碳納米管層可以通過(guò)碾壓一碳納米管陣列制備，依據(jù)碾壓的方式不同，該 碳納米管層中的碳納米管具有不同的排列形式。具體地，碳納米管可以各向 同性排列；或沿不同方向擇優(yōu)取向排列，請(qǐng)參閱圖5;或沿一固定方向擇優(yōu) 取向排列，請(qǐng)參閱圖6。所述碳納米管層中的碳納米管部分交疊。所述碳納 米管層中碳納米管之間通過(guò)范德華力相互吸引，緊密結(jié)合，使得該碳納米管 層具有很好的柔韌性，可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂。
該碳納米管層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。所述單壁碳納米管的直徑為0.5納米 10納米，雙 壁^^友納米管的直徑為1納米 15納米，多壁^友納米管的直徑為1.5納米~50 納米。該碳納米管的長(zhǎng)度大于50微米。本實(shí)施例中，碳納米管的長(zhǎng)度優(yōu)選 為200 卯0微米。
該碳納米管層的面積和厚度不限，可根據(jù)實(shí)際需要選擇。該碳納米管層
6的面積與碳納米管陣列所生長(zhǎng)的基底的尺寸有關(guān)。該碳納米管層厚度與碳納 米管陣列的高度以及碾壓的壓力有關(guān)，可為l微米至l毫米。可以理解，碳 納米管陣列的高度越大而施加的壓力越小，則制備的碳納米管層的厚度越
大；反之，碳納米管陣列的高度越小而施加的壓力越大，則制備的碳納米管 層的厚度越小?？梢岳斫?，碳納米管層的熱響應(yīng)速度與其厚度有關(guān)。在相同 面積的情況下，碳納米管層的厚度越大，熱響應(yīng)速度越慢；反之，碳納米管 層的厚度越小，熱響應(yīng)速度越快。
本實(shí)施例中，加熱層204采用厚度為IOO微米的碳納米管層。該碳納米 管層的長(zhǎng)度為5厘米，碳納米管薄膜的寬度為3厘米。利用碳納米管層本身 的粘性，將該碳納米管層包裹于所述反射層210的表面。
所述電4及206可i殳置在加熱層204的同一表面上也可以i殳置在加熱層 204的不同表面上。所述電極206可通過(guò)碳納米管層的粘性或?qū)щ娬辰Y(jié)劑(圖 未示)設(shè)置于該加熱層204的表面上。導(dǎo)電粘結(jié)劑在實(shí)現(xiàn)電極206與碳納米 管層電接觸的同時(shí)，還可將電極206更好地固定于碳納米管層的表面上。通 過(guò)該兩個(gè)電極206可以對(duì)加熱層204施加電壓。其中，兩個(gè)電極206之間相 隔設(shè)置，以使采用碳納米管層的加熱層204通電發(fā)熱時(shí)接入一定的阻值避免 短路現(xiàn)象產(chǎn)生。優(yōu)選地，由于線狀基底202直徑較小，兩個(gè)電才及206間隔i殳 置于線狀基底202的兩端，并環(huán)繞設(shè)置于加熱層204的表面。
所述電極206為導(dǎo)電薄膜、金屬片或者金屬引線。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) 電聚合物等。該導(dǎo)電薄膜可以通過(guò)物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法或其它 方法形成于加熱層204表面。該金屬片或者金屬引線的材料可以為銅片或鋁 片等。該金屬片可以通過(guò)導(dǎo)電粘結(jié)劑固定于加熱層204表面。
所述電極206還可以為 一石友納米管結(jié)構(gòu)。該石友納米管結(jié)構(gòu)包裹或纏繞于 反射層210的表面。該碳納米管結(jié)構(gòu)可通過(guò)其自身的粘性或?qū)щ娬辰Y(jié)劑固定 于反射層210的表面。該碳納米管結(jié)構(gòu)包括定向排列且均勻分布的金屬性碳 納米管。具體地，該碳納米管結(jié)構(gòu)包括至少一有序碳納米管薄膜或至少一碳 納米管長(zhǎng)線。
本實(shí)施例中，優(yōu)選地，將兩個(gè)有序碳納米管薄膜分別設(shè)置于沿線狀基底 202長(zhǎng)度方向的兩端作為電極206。該兩個(gè)有序碳納米管薄膜環(huán)繞于加熱層204的內(nèi)表面，并通過(guò)導(dǎo)電粘結(jié)劑與加熱層204之間形成電接觸。所述導(dǎo)電 粘結(jié)劑優(yōu)選為銀膠。由于本實(shí)施例中的加熱層204也采用碳納米管層，所以 電極206與加熱層204之間具有較小的歐姆接觸電阻，可以提高線熱源20 對(duì)電能的利用率。
所述絕緣保護(hù)層208的材料為一絕緣材料，如橡膠、樹(shù)脂等。所述絕 緣保護(hù)層208厚度不限，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇。本實(shí)施例中，該絕緣保護(hù) 層208的材料采用橡膠，其厚度為0.5-2毫米。該絕緣保護(hù)層208可通過(guò)涂 敷或包裹的方法形成于加熱層204的表面。所述絕緣保護(hù)層208用來(lái)防止該 線熱源20在使用時(shí)與外界形成電接觸，同時(shí)還可以防止加熱層204中的石友 納米管層吸附外界雜質(zhì)。該絕緣保護(hù)層208為一可選擇結(jié)構(gòu)。
本實(shí)施例中，對(duì)厚度為IOO微米的碳納米管層進(jìn)行了電熱性能測(cè)量。該 碳納米管層長(zhǎng)5厘米，寬3厘米。將該碳納米管層包裹于一直徑為1厘米的 線狀基底202上，且其位于兩個(gè)電極206之間的長(zhǎng)度為3厘米。電流沿著線 狀基底202的長(zhǎng)度方向流入。測(cè)量?jī)x器為紅外測(cè)溫4義AZ-8859。當(dāng)施加電壓 在1伏 20伏，加熱功率為1瓦~40瓦時(shí)，碳納米管層的表面溫度為50°C~500 。C?？梢?jiàn)，該碳納米管層具有較高的電熱轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于具有黑體結(jié)構(gòu)的物 體來(lái)說(shuō)，其所對(duì)應(yīng)的溫度為200。C 450。C時(shí)就能發(fā)出人眼看不見(jiàn)的熱輻射(紅 外線)，此時(shí)的熱輻射最穩(wěn)定、效率最高，所產(chǎn)生的熱輻射熱量最大。
該線熱源20在使用時(shí)，可以將其設(shè)置于所要加熱的物體表面或?qū)⑵渑c 被加熱的物體間隔設(shè)置，利用其熱輻射即可進(jìn)行加熱。另外，還可以將多個(gè) 該線熱源20排列成各種預(yù)定的圖形使用。該線熱源20可以廣泛應(yīng)用于電加 熱器、紅外治療儀、電暖器等領(lǐng)域。
本實(shí)施例中，由于碳納米管具有納米級(jí)的直徑，使得制備的碳納米管結(jié) 構(gòu)可以具有較小的厚度，故，采用小直徑的線狀基底可以制備微型線熱源。 碳納米管具有強(qiáng)的抗腐蝕性，使其可以在酸性環(huán)境中工作。而且，碳納米管 具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，即使于3000。C以上高溫的真空環(huán)境下工作而不會(huì)分解， 使該線熱源20適合于真空高溫下工作。另外，碳納米管比同體積的鋼強(qiáng)度 高100倍，重量卻只有其1/6，所以，采用碳納米管的線熱源20具有更高的 強(qiáng)度和更輕的重量。
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(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種線熱源包括一線狀基底；一加熱層設(shè)置于線狀基底的表面；以及兩個(gè)電極間隔設(shè)置于加熱層的表面，并分別與該加熱層電連接，其特征在于，所述的加熱層包括一碳納米管層，且該碳納米管層包括各向同性、沿一固定方向取向或不同方向取向擇優(yōu)排列的多個(gè)碳納米管。
2. 如權(quán)利要求1所述的線熱源，其特征在于，所述碳納米管層中的碳納米管與 碳納米管層的表面成一夾度a，其中，a大于等于零度且小于等于15度 (0SaSl50)。
3. 如權(quán)利要求1所述的線熱源，其特征在于，所述碳納米管層中的碳納米管部 分交疊，并通過(guò)范德華力相互吸引，緊密結(jié)合。
4. 如權(quán)利要求r所述的線熱源，其特征在于，所述的碳納米管層的厚度為i微 米至1毫米。
5. 如權(quán)利要求1所述的線熱源，其特征在于，所述的碳納米管的長(zhǎng)度大于50 微米，直徑小于50納米。
6. 如權(quán)利要求1所述的線熱源，其特征在于，所述的碳納米管層纏繞或包裹設(shè) 置于線狀基底的表面。
7. 如權(quán)利要求1所述的線熱源，其特征在于，所述電極為一導(dǎo)電薄膜、金屬片、 金屬引線或^f友納米管結(jié)構(gòu)。
8. 如權(quán)利要求7所述的線熱源，其特征在于，所述碳納米管結(jié)構(gòu)包括定向排列 且均勻分布的金屬性碳納米管。
9. 如權(quán)利要求7所述的線熱源，其特征在于，所述碳納米管結(jié)構(gòu)包括至少一有 序碳納米管薄膜或至少 一碳納米管長(zhǎng)線。
10. 如權(quán)利要求7所述的線熱源，其特征在于，所述該碳納米管結(jié)構(gòu)包裹或纏繞 于加熱層的表面。
11. 如權(quán)利要求10所述的線熱源，其特征在于，所述碳納米管結(jié)構(gòu)通過(guò)其自身 的粘性或?qū)щ娬辰Y(jié)劑固定于加熱層的表面。
12. 如權(quán)利要求1所述的線熱源，其特征在于，所述線狀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(shù)脂、石英。
13. 如權(quán)利要求1所述的線熱源，其特征在于，所述線熱源進(jìn)一步包括一反射層 設(shè)置于加熱層與線狀基底之間。
14. 如權(quán)利要求13所述的線熱源，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。
15. 如權(quán)利要求13所述的線熱源，其特征在于，所述反射層的厚度為100微米~ 0.5毫米。
16. 如權(quán)利要求1所述的線熱源，其特征在于，所述線熱源進(jìn)一步包括一絕緣保 護(hù)層設(shè)置于所述加熱層的外表面。
17. 如權(quán)利要求1所述的線熱源，其特征在于，所述線熱源的直徑為0.1微米~1.5 厘米。
全文摘要
一種線熱源包括一線狀基底，一加熱層設(shè)置于線狀基底的表面，以及兩個(gè)電極間隔設(shè)置于加熱層的表面，所述的兩個(gè)電極與該加熱層電連接，其中，所述的加熱層包括一碳納米管層，且該碳納米管層包括各向同性、沿一固定方向取向或不同方向取向擇優(yōu)排列的多個(gè)碳納米管。
文檔編號(hào)H05B3/40GK101616512SQ200810068069
公開(kāi)日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2008年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日
發(fā)明者劉長(zhǎng)洪, 姜開(kāi)利, 鼎 王, 范守善 申請(qǐng)人:清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司