CN101605409B - 面热源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面热源，其包括：一加热元件，该加热元件包括一碳纳米管结构，该碳纳米管结构包括多个均匀分布的碳纳米管；以及至少两电极间隔设置并与该加热元件电连接。该面热源可以用于制造自发热的取暖服、取暖手套或取暖鞋、电加热器、红外治疗仪、电暖器等。

Description

面热源

技术领域

本发明涉及一种面热源，尤其涉及一种基于碳纳米管的面热源。

背景技术

热源在人们的生产、生活、科研中起着重要的作用。面热源是热源的一种。面热源为二维结构，将被加热物体置于该二维结构的上方对物体进行加热，因此，面热源可对被加热物体的各个部位同时加热，加热面较大、加热均匀且效率较高。面热源已成功用于工业领域、科研领域或生活领域等，如电加热器、电热毯、红外治疗仪及电暖器等。

现有面热源一般包括一加热元件和至少两个电极，该至少两个电极设置于该加热元件的表面，并与该加热元件的表面电连接。当连接加热元件上的电极通入低电压电流时，热量立刻从加热元件释放出来。现在市售的面热源通常采用金属制成的电热丝作为加热元件进行电热转换。然而，电热丝的强度不高易于折断，特别是弯曲或绕折成一定角度时，电热丝更易折断，因此其应用受到限制。另外，以金属制成的电热丝所产生的热量是以普通波长向外辐射的，其电热转换效率不高不利于节省能源。

非金属碳纤维导电材料的发明为面热源的发展带来了突破。采用碳纤维的加热元件通常在碳纤维外部涂覆一层防水的绝缘层用作电热转换的元件以代替金属电热丝。由于碳纤维具有较好的韧性，这在一定程度上解决了电热丝强度不高易折断的缺点。然而，由于碳纤维仍是以普通波长向外散热，故并未解决电热转换率低的问题。为了解决上述问题，采用碳纤维的加热元件一般包括多根碳纤维热源线铺设而成。该碳纤维热源线为一外表包裹有化纤或者棉线的导电芯线。该化纤或者棉线的外面浸涂一层防水阻燃绝缘材料。所述导电芯线由多根碳纤维与多根表面粘涂有远红外涂料的棉线缠绕而成。导电芯线中加入粘涂有远红外涂料的棉线，一来可增强芯线的强度，二来可使通电后碳纤维发出的热量能以红外波长向外辐射。

然而，采用碳纤维作为加热元件具有以下缺点：第一，碳纤维强度不够大，柔性不够好，容易破裂，需要加入棉线提高碳纤维的强度，限制了其应有范围；第二，碳纤维本身的电热转换效率较低，需加入粘涂有远红外涂料的棉线提高电热转换效率，不利于节能环保。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种电热转换效率较高，寿命较长的面热源。

一种面热源，该面热源包括一第一电极、一第二电极和一加热元件。所述第一电极和第二电极间隔设置于该加热元件上，并与该加热元件电接触。该加热元件包括一碳纳米管结构，该碳纳米管结构包括多个均匀分布的碳纳米管。

与现有技术相比较，所述的面热源具有以下优点：第一，由于碳纳米管具有较好的强度及韧性，碳纳米管结构的强度较大，碳纳米管结构的柔性好，不易破裂，使其具有较长的使用寿命。第二，碳纳米管结构中的碳纳米管均匀分布，碳纳米管结构具有均匀的厚度及电阻，发热均匀，碳纳米管的电热转换效率高，所以该面热源具有升温迅速、热滞后小、热交换速度快的特点。

附图说明

图1为本发明第一实施例的面热源的结构示意图。

图2为图1中的面热源的侧视图。

图3为本发明实施例包括多个相互交叉的碳纳米管线的面热源的结构示意图。

图4为本发明实施例包括一弯折盘绕的碳纳米管线的面热源的结构示意图。

图5为本发明实施例面热源中的有序碳纳米管膜中碳纳米管片段的结构示意图。

图6为本发明实施例面热源中的有序碳纳米管膜的扫描电镜照片。

图7为本发明第二实施例的面热源的结构示意图。

图8为图7沿VIII-VIII线的剖面示意图。

图9为本发明第三实施例的面热源的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例详细说明本发明提供的面热源。

请参阅图1及图2，本发明第一实施例提供一种面热源10，该面热源10为二维结构，即该面热源10是沿二维方向延伸的结构。但应当指出的是，即使具有一定厚度的二维结构，宏观上仍视为或近似视为二维的结构的实施例，例如：板状，膜状等结构，也应视为本发明保护的范围。

该面热源10包括一加热元件16、一第一电极12及一第二电极14。该加热元件16与第一电极12及第二电极14电连接，该第一电极12及第二电极14用于使所述加热元件16接通电源从而流过电流。

该面热源10进一步包括一支撑体18。所述支撑体18形状不限，其具有一表面用于支撑加热元件16。该表面可以为平面或曲面。优选地，所述支撑体18为一板状结构，其材料可为硬性材料，如：陶瓷、玻璃、树脂、石英等，亦可以选择柔性材料，如：塑料或树脂等。其中，所述支撑体18的大小不限，可依据实际需要进行改变。本实施例支撑体18为一陶瓷基板。

所述加热元件16包括一碳纳米管结构。该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，从而形成一网络结构，并使碳纳米管结构具有特定的形状，以形成一个一体的自支撑的碳纳米管结构。本实施例中，该碳纳米管结构为二维面状或一维线状结构。当碳纳米管结构为一维线状结构时，该一维线状结构的碳纳米管结构可以相互平行、并排或交叉设置成一二维的加热元件16或相互编织成一二维的加热元件16。由于该碳纳米管结构具有自支撑性，在不通过支撑体表面支撑时仍可保持面状或线状结构。

所述碳纳米管结构包括均匀分布的大量碳纳米管，碳纳米管之间通过范德华力紧密结合。该碳纳米管结构的厚度优选为0.5纳米～5毫米。该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。优选地，所述碳纳米管结构包括有序排列的碳纳米管，碳纳米管沿一固定方向择优取向排列。可以理解，碳纳米管结构的热响应速度与其厚度有关。在相同表面积的情况下，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。由于该碳纳米管结构由纯碳纳米管组成，因此该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，优选地小于1.7×10^-6焦耳每平方厘米开尔文。该极小的单位面积热容使该碳纳米管结构具有较快的热响应速度。

具体地，该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所述碳纳米管膜和碳纳米管线组成的复合结构。可以理解，当所述碳纳米管结构包括多个碳纳米管膜时，该多个碳纳米管膜可以层叠设置或并排设置。当所述加热元件16包括多个碳纳米管线时，该多个碳纳米管线可以相互平行、并排或交叉设置成一二维的碳纳米管结构或相互编织成一二维的碳纳米管结构。请参阅图3，为包括多个交叉设置的碳纳米管线所构成的加热元件16。另外，请参阅图4，当所述加热元件16包括一个碳纳米管线时，该碳纳米管线可弯折盘绕成一二维的加热元件16。

所述碳纳米管膜为有序碳纳米管膜或无序碳纳米管膜。所述无序碳纳米管膜包括多个无序排列的碳纳米管，这里的无序指碳纳米管的排列方向无规律。所述有序碳纳米管膜是指碳纳米管膜中多数碳纳米管的排列方向具有一定规律。具体地，所述无序碳纳米管膜中的碳纳米管可进一步相互缠绕，该无序排列的碳纳米管形成的碳纳米管结构各向同性；所述有序碳纳米管膜中的碳纳米管沿一个方向或者多个方向择优取向排列。

所述有序碳纳米管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。每一有序碳纳米管膜包括多个沿同一方向择优取向且平行于有序碳纳米管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，以形成一个一体的自支撑的有序碳纳米管膜。请参阅图5及图6，具体地，每一有序碳纳米管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。所述有序碳纳米管膜的厚度为0.5纳米～100微米，宽度与拉取该有序碳纳米管膜的碳纳米管阵列的尺寸有关，长度不限。当该碳纳米管结构由有序碳纳米管膜组成，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90％，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有序碳纳米管膜时，相邻两层有序碳纳米管膜中的择优取向排列的碳纳米管之间形成一交叉角度α，α大于等于0度小于等于90度(0°≤α≤90°)。所述多个有序碳纳米管膜之间或一个有序碳纳米管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孔隙，孔隙的孔径尺寸约小于10微米。所述有序碳纳米管膜的具体结构及其制备方法请参见范守善等人于2007年2月9日申请的，于2008年8月13公开的第CN101239712A号中国大陆公开专利申请(碳纳米管膜结构及其制备方法，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。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。

本发明实施例的碳纳米管结构包括多个沿相同方向层叠设置的有序碳纳米管膜，从而使碳纳米管结构中碳纳米管均沿同一方向择优取向排列。

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。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。优选地，该碳纳米管首尾相连。具体地，该非扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该非扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米-100微米。所述碳纳米管线的具体结构及制备方法请参见范守善等人于2002年9月16日申请的，于2008年8月20日公告的中国专利第CN100411979C号，以及于2005年12月16日申请的，于2007年6月20日公开的中国专利申请第CN1982209A号。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。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。具体地，该扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米-100微米。

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，故该碳纳米管线为自支撑结构。该碳纳米管线与碳纳米管拉膜类似，由多个碳纳米管通过范德华力首尾相连，以形成一一体的自支撑的碳纳米管线。

所述第一电极12和第二电极14由导电材料组成，该第一电极12和第二电极14的形状不限，可为导电膜、金属片或者金属引线。优选地，第一电极12和第二电极14均为一层导电膜。当用于微型面热源10时，该导电膜的厚度为0.5纳米～100微米。该导电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、导电聚合物或导电性碳纳米管等。该金属或合金材料可以为铝、铜、钨、钼、金、钛、钕、钯、铯或其任意组合的合金。本实施例中，所述第一电极12和第二电极14的材料为金属钯膜，厚度为5纳米。所述金属钯与碳纳米管具有较好的润湿效果，有利于所述第一电极12及第二电极14与所述加热元件16之间形成良好的电接触，减少欧姆接触电阻。

所述的第一电极12和第二电极14直接与加热元件16电连接。其中，第一电极12和第二电极14间隔设置，以使加热元件16应用于面热源10时接入一定的阻值避免短路现象产生。

所述的第一电极12和第二电极14可通过一导电粘结剂(图未示)设置于该加热元件16表面，导电粘结剂在实现第一电极12和第二电极14与碳纳米管结构电接触的同时，还可以将所述第一电极12和第二电极14更好地固定于碳纳米管结构的表面上。具体地，该导电粘结剂可以为银胶。可以理解，第一电极12和第二电极14的结构和材料均不限，其设置目的是为了使所述加热元件16流过电流。因此，所述第一电极12和第二电极14只需要导电，并与所述加热元件16的碳纳米管结构之间形成电接触都在本发明的保护范围内。

所述的面热源10还可进一步包括多个第一电极12和多个第二电极14，该多个第一电极12和多个第二电极14间隔设置且分别与加热元件16电连接。具体地，所述面热源多个第一电极12与多个第二电极14连续地交替间隔设置，所述多个第一电极12之间电连接，所述多个第二电极14之间电连接。具体地，所述面热源10可包括多个条形第一电极12与多个条形第二电极14平行且间隔设置，且多个第一电极12与多个第二电极14交替设置，即，每个第一电极12均设置于两个第二电极14之间，每个第二电极14均设置于两个第一电极12之间。

本发明实施例的面热源10在使用时，可先将面热源10的第一电极12和第二电极14连接导线后接入电源。在接入电源后热源10中的碳纳米管结构即可辐射出一定波长范围的电磁波。所述面热源10可以与待加热物体的表面直接接触。或者，所述面热源10可以与待加热物体相隔一定的距离设置。

碳纳米管具有良好的导电性能以及热稳定性，且作为一理想的黑体结构，具有比较高的热辐射效率。应用该碳纳米管结构制成的面热源10，可应用于电加热器、红外治疗仪、电热毯、电暖器等领域。

另外，当该面热源10的加热元件16中碳纳米管结构的厚度较小，为一透明的碳纳米管结构时，该面热源10为一透明面热源10。另外，当该面热源10的支撑体18为一柔性支撑体时，该面热源10也可为一柔性面热源10。进一步地，该碳纳米管线可以编织成不同形状，该柔性的面热源10可以用于制造自发热的取暖服、取暖手套或取暖鞋等。

请参阅图7及图8，本发明第二实施例提供一种面热源20，该面热源20包括一支撑体28，加热元件26、一第一电极22及一第二电极24。所述加热元件26设置于该支撑体28的表面。该加热元件26包括一碳纳米管结构。该加热元件26为一类二维结构，即为一具有一定厚度的二维结构。具体地，该加热元件26可以为一平面结构或曲面结构。该加热元件26的碳纳米管结构264与第一电极22及第二电极24电连接，用于使所述加热元件26接通电源从而流过电流。

该面热源20的结构与第一实施例的面热源10基本相同，其不同之处在于，该面热源20进一步包括一热反射层27。所述加热元件26设置于所述热反射层27的表面。所述第一电极22和第二电极24间隔设置于所述加热元件26的表面，并与该加热元件26电接触，用于使所述加热元件26中流过电流。

所述热反射层27的设置用来反射加热元件26所发的热量，从而控制加热的方向，用于单面加热，并进一步提高加热的效率。所述热反射层27的材料为对光具有一定反射性的材料，可为金属氧化物、金属盐或陶瓷等。优选地，所述热反射层27的材料为一白色绝缘材料。本实施例中，热反射层27为三氧化二铝层，其厚度为100微米～0.5毫米。该热反射层27可通过溅射或其他方法形成于该支撑体28表面。可以理解，所述热反射层27也可设置在支撑体28远离加热元件26的表面，即所述支撑体28设置于所述加热元件26和所述热反射层27之间。所述热反射层27为一可选择的结构。所述加热元件26可直接设置在支撑体28的表面，此时面热源10的加热方向不限，可用于双面加热。当加热元件26直接设置于支撑体28的表面时，其结构可与第一实施例所提供的面热源10相同。

当所述面热源20之加热元件26暴露于外界时，该面热源还包括一保护层25。所述保护层25设置于所述加热元件26暴露于外界的表面，用于避免所述加热元件26吸附外界杂质。所述保护层25为一可选择结构，其材料为一绝缘材料，如：塑料、橡胶或树脂等。所述保护层25厚度不限，可以根据实际情况选择。所述保护层25覆盖于所述第一电极22、第二电极24和加热元件26之上，本实施例中，该绝缘保护层25的材料为耐热橡胶，其厚度为0.5～2毫米。所述保护层25可保护加热元件26，该保护层25可防止暴露于加热元件26表面的碳纳米管受外力摩擦而损坏，另外，可以保证该加热元件26与外部绝缘。

请参阅图9，本发明第三实施例提供一种面热源30，该面热源30包括一加热元件36、一第一电极32及一第二电极34。该加热元件36为一具有一定厚度的二维结构。具体地，该加热元件36可以为一平面结构或曲面结构。该加热元件36与第一电极32及第二电极34电连接，用于使所述加热元件36中的碳纳米管接通电源从而流过电流。

该面热源30的结构与第一实施例的面热源10基本相同，其不同之处在于，该加热元件36包括多个碳纳米管线366。该多个碳纳米管线366相互编织形成二维的加热元件36。该碳纳米管线366可方便地直接编织成各种形状的加热元件36。所述由多个碳纳米管线366编织成的加热元件36具有较好的强度与自支撑性能。

所述的面热源具有以下优点：第一，由于碳纳米管具有较好的强度及韧性，碳纳米管结构的强度较大，柔性较好，不易破裂，使其具有较长的使用寿命，特别的，可制备一柔性热源，使该热源具有更广的应用范围。第二，碳纳米管结构中的碳纳米管均匀分布，因此具有均匀的厚度及电阻，发热均匀，碳纳米管的电热转换效率高，且该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，所以该面热源具有升温迅速、热滞后小、热响应速度快、热交换速度快及辐射效率高的特点。第三，碳纳米管的直径较小，使得碳纳米管结构可以具有较小的厚度，可以制备微型面热源，应用于微型器件的加热。第四，当碳纳米管结构包括有序碳纳米管膜时，该有序碳纳米管膜可通过从碳纳米管阵列中拉取得到，方法简单且有利于大面积面热源的制作，且该有序碳纳米管膜中，碳纳米管沿同一方向择优取向排列，具有较好的导电性能，使该热源具有较好的加热性能，另外，该有序碳纳米管膜具有一定透明度，可用于制备一透明热源。第五，该碳纳米管线可用于编织形成各种形状的加热元件，从而制备各种形状的面热源。

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 (16)

1.一种面热源，其特征在于，包括：

一加热元件，该加热元件包括一碳纳米管结构，该碳纳米管结构由纯碳纳米管组成，该碳纳米管结构为自支撑结构；以及至少两电极间隔设置并与该碳纳米管结构电连接。

2.如权利要求1所述的面热源，其特征在于，所述碳纳米管结构包括至少一碳纳米管膜。

3.如权利要求2所述的面热源，其特征在于，所述碳纳米管结构包括多个碳纳米管膜层叠设置或并排设置。

4.如权利要求2所述的面热源，其特征在于，所述碳纳米管膜包括多个碳纳米管有序排列。

5.如权利要求4所述的面热源，其特征在于，所述碳纳米管膜包括多个碳纳米管基本相互平行且基本平行于碳纳米管膜表面。

6.如权利要求5所述的面热源，其特征在于，所述碳纳米管膜中碳纳米管沿一个电极向另一个电极延伸。

7.如权利要求2所述的面热源，其特征在于，所述碳纳米管膜的厚度为0.5纳米~100微米。

8.如权利要求1所述的面热源，其特征在于，所述碳纳米管结构为层状，其厚度为0.5纳米~5毫米。

9.如权利要求1所述的面热源，其特征在于，所述面热源包括多个第一电极与多个第二电极连续地交替间隔设置，所述多个第一电极之间电连接，所述多个第二电极之间电连接。

10.如权利要求1所述的面热源，其特征在于，所述碳纳米管结构中的碳纳米管通过范德华力相互连接形成一自支撑的碳纳米管结构。

11.如权利要求1所述的面热源，其特征在于，所述面热源进一步包括一基底，所述碳纳米管结构设置在该基底表面。

12.如权利要求11所述的面热源，其特征在于，所述基底的材料为柔性材料或硬性材料，且所述柔性材料为塑料或柔性纤维，所述硬性材料为陶瓷、玻璃、树脂或石英。

13.如权利要求11所述的面热源，其特征在于，所述面热源进一步包括一反射层。

14.如权利要求13所述的面热源，其特征在于，所述反射层设置在所述加热元件的表面或者设置在所述基底远离加热元件的表面。

15.如权利要求13所述的面热源，其特征在于，所述反射层的材料为金属氧化物、金属盐或陶瓷，厚度为100微米~0.5毫米。

16.如权利要求11所述的面热源，其特征在于，所述面热源进一步包括一绝缘保护层设置于所述加热元件暴露于外界的表面。

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