CN107426836A - 一种基于金属纳米线薄膜的非矩形面加热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于金属纳米线薄膜的非矩形面加热器，包括基底、导电功能膜、性能调节层以及导电电极。导电功能薄膜为位于所述基底上的由金属纳米线网格组成的导电通道，导电电极包括两条线状金属电极，以所述非矩形面加热器内接的最大面积矩形的相对一组边所分别包络的所述非矩形面加热器的边沿为所述两条线状金属电极分别的可分布位置。上述基于金属纳米线薄膜的非矩形面加热器，能够应用于非规则面的加热，所形成加热区域均匀有效。
Description
技术领域
本发明属于智能控温技术领域，涉及在不规则形状、曲面、弯折、震动等柔性应用需求下的加热器设计与应用，还涉及透明加热应用需求下的加热器设计与应用。
背景技术
热控器件在民用和军工领域发挥越来越重要的作用，如在汽车挡风玻璃、飞船舷窗、战机座舱盖等上面应用的视窗除雾除霜，在电子烟加热芯、红外诱饵中应用的不规则曲面控温等；而近年来随着科技的迅猛发展，无论军工还是民用领域都对智能化的追求越来越提升，例如一键快速视窗除雾。实现这些智能化要求需要一种不受形状限制的面加热器，通电后实现整个面的快速加热，而传统的通过离散分布的加热丝缓慢带动整个面升温的应用已不满足要求；特别地当加热同时有透光要求时，即透明加热器，更排除了传统加热丝的应用可能。在新兴的面加热器选材方面，金属纳米线薄膜相对金属氧化物薄膜和由金属纳米颗粒组成的金属网格在柔韧性方面、相对碳材料薄膜和有机导电薄膜在导电性方面优势显著。
目前关于金属纳米线薄膜加热器只有零星报道，报道中加热器均采用规则的矩形加热面；而实际应用中规则的矩形加热面非常少，亟需开发能适合各种环境的不规则非矩形面加热器，以满足实际应用需求，目前此类加热器尚无报道，也无专利保护。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于金属纳米线薄膜的非矩形面加热器，能够应用于非规则面的加热，所形成加热区域均匀有效。
技术方案：一种基于金属纳米线薄膜的非矩形面加热器，包括基底、导电功能膜、性能调节层以及导电电极；所述导电功能薄膜为位于所述基底上的由金属纳米线网格组成的导电通道；所述性能调节层为在所述导电功能膜上的卤化物后处理层；所述导电电极包括两条线状金属电极，以所述非矩形面加热器内接的最大面积矩形的其中一组对边所分别包络的所述非矩形面加热器的边沿为所述两条线状金属电极分别的分布位置。
进一步的，根据所述非矩形面加热器内接的最大面积矩形的两组对边分别确定的导电电极分布位置计算面加热器电阻，面加热器电阻等于薄膜方块电阻乘以电极间距与电极长度比值的倍数因子，所述电极间距等于该组对边距离，然后根据两组面加热器电阻选择所述导电电极的分布位置。
进一步的，所述金属纳米线为直径在10～100nm，长度与直径比值在100～5000的金、银、铜、镍及其合金纳米线中的一种或几种混合，所述薄膜方块电阻由所述导电功能膜的厚度控制，并在0.1-2000Ω范围内选择。
进一步的，所述性能调节层为用氯化物盐、溴化物盐、碘化物盐溶液中的一种或几种处理形成的无定形卤化金、银、铜、镍及其合金中的一种或几种；所用卤化物盐为钾、钙、钠、镁、锌、铁、锡中的一种或几种。
进一步的，所述面加热器用作柔性加热器时所述基底的材料选用聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚乙烯亚胺中的一种，基底厚度根据柔性度和加热器热响应速率在0.01～2mm范围内选择；所述面加热器用作透明加热器时所述基底在可见光区平均透过率不低于50％，包括所述面加热器用作柔性加热器时基底材料中的任一种，还包括刚性的玻璃或陶瓷基底，且平面的刚性基底和曲面的刚性基底均包括在内，基底厚度根据光学透过率和加热器热响应速率在0.01～20mm范围内选择。
进一步的，所述金属电极包括用蒸发、溅射、导电胶粘中任一方法制备的金、银、铜电极。
有益效果：(1)本发明以曲面和平面的、刚性和柔性的、还有透明的任意不规则形状基底为依托，通过线电极设计制作了面加热器，在保持快速、有效加热的同时大大拓宽了加热器的应用空间。
(2)线电极设计基于“内接最大面积矩形”确定电极分布位置，原理在于面加热源由线电极带动电流从正极一侧沿最小电阻路径流向负极一侧，而两个线电极之间矩形对边距离最短、电阻最小，因此通电后内接矩形区域均匀加热，矩形区域外在热扩散下也很快达到热平衡，选择内接最大面积矩形就最大程度保证了中心矩形区域均匀加热和最小外周区域的热平衡加热。
(2)本发明采用导电性最好的金属且柔韧性优良的单晶纳米线作为加热组件，相对于金属氧化物、碳纳米管、石墨烯、有机导电分子等材料，减小了输入电压，提高了热响应率，利于低功耗、高灵敏器件的柔性应用。
(3)本发明选择不同比热和厚度的基底，精确地调控了加热器的响应速率，满足不同热响应速率的应用要求。
(4)本发明加热器结构简单，利于规模化制造。
附图说明
图1为实施例一的银纳米线薄膜圆形面加热器的结构示意图；
图2为实施例一的银纳米线薄膜圆形面加热器的红外图像，中心加热区域完全重叠；
图3为本发明实施例一的银纳米线薄膜圆形加热器的透过率；
图4为本发明实施例提供的银纳米线薄膜梯形加热器的结构示意图，4(a)为待加热面，4(b)为小电阻导电电极分布方式，4(c)为大电阻导电电极分布方式；
图5为本发明实施例提供的银纳米线薄膜圆角矩形面加热器的结构示意图，5(a)为待加热面，5(b)为大电阻电极连接方式，5(c)为小电阻电极连接方式。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种基于金属纳米线薄膜的非矩形面加热器，包括基底、导电功能膜、性能调节层、导电电极以及纳米尺度的保护层。
其中，面加热器用作柔性加热器时，基底的材料选用聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚乙烯亚胺中的一种，基底厚度根据柔性度和加热器热响应速率在0.01～2mm范围内选择。面加热器用作透明加热器时，基底在可见光区平均透过率不低于50％，包括面加热器用作柔性加热器时基底材料中的任一种，还包括刚性的玻璃或陶瓷基底，且平面的刚性基底和曲面的刚性基底均包括在内，基底厚度根据光学透过率和加热器热响应速率在0.01～20mm范围内选择。
导电功能薄膜为位于基底上的由金属纳米线网格组成的导电通道。金属纳米线为直径在10～100nm，长度与直径比值在100～5000的金、银、铜、镍及其合金纳米线中的一种或几种混合，薄膜方块电阻由导电功能膜的厚度控制，并在0.1-2000Ω范围内选择。
性能调节层为在导电功能膜上的卤化物后处理层。性能调节层为用氯化物盐、溴化物盐、碘化物盐溶液中的一种或几种处理金属纳米线网格形成的无定形卤化金、银、铜、镍及其合金中的一种或几种。其中，所用卤化物盐为钾、钙、钠、镁、锌、铁、锡中的一种或几种。
导电电极包括两条线状金属电极，以非矩形面加热器内接的最大面积矩形的其中一组对边所分别包络的非矩形面加热器的边沿为两条线状金属电极分别的分布位置。根据非矩形面加热器内接的最大面积矩形的两组对边分别确定的导电电极分布位置计算面加热器电阻，面加热器电阻等于薄膜方块电阻乘以电极间距与电极长度比值的倍数因子，其中电极间距等于该组对边距离。然后根据两组面加热器电阻选择导电电极的分布位置。金属电极包括用蒸发、溅射、导电胶粘中任一方法制备的金、银、铜电极。
实施例1
本实施例提供一种可在飞船舷窗上使用、基于银纳米线透明导电薄膜的圆形面加热器及其制备方法，制备方法步骤如下：
(1)基底：将厚度100μm、直径20cm的圆形聚对苯二甲酸乙二醇酯基底裁剪待用。
(2)导电功能薄膜：在基底上利用自动刮涂仪器将由直径100nm、长度100μm的银纳米线配制的浓度为1mg/mL墨水，刮涂一次成膜，然后在干燥箱中60℃干燥5分钟。
(3)性能调节层：将干燥后薄膜在5wt％的氯化锡水溶液中浸泡10秒后，再在去离子水中浸泡10秒，而后干燥箱中60℃干燥5分钟。
(4)导电电极：利用掩版遮盖薄膜，留出圆形薄膜的两个相对的四分之一外周，预留外周宽度3-5mm；将掩版与薄膜放入磁控溅射仪器，溅射Au电极，最后将导电铜线通过导电银胶与Au电极导通，完成加热器制作。如图1所示，圆形面加热器内接最大面积的矩形为长和宽相等的特殊矩形，任选一组对边，该组对边包络的圆形面加热器的边缘，即两条1/4圆周的圆弧作为导电电极的两条金属电极的位置。
(5)加热器红外图像测试：通过加热器两侧线电极输入恒定电压，由红外测温仪读取加热器温度图像。
对上述方法制得的银纳米线透明导电薄膜的圆形面加热器通过透过率测试、加热测试，结果表明：所制备的透明加热器具有大于90％的透过率，如图3所示，非常适合在视窗除雾等器件中应用。如图2所示的红外图像表明通过内接矩形的电极设计，加热器中心加热区域完全重叠，实现有效加热，满足不规则形状加热器件的应用要求。
实施例2
本实施例提供一种可在汽车挡风玻璃上使用、基于银纳米线透明导电薄膜的梯形面加热器及其制备方法，步骤除了面加热器形状和导电电极外，同实施例1，具体地：
基底是上下边长分别为100cm、135cm和高为60cm的大弧度曲面的梯形，如图4(a)所示。利用大弧度曲面的梯形最大内接矩形，得到两种导电电极方案。如图4(b)所示，以该梯形内接的最大面积矩形的上下两条边为基础，这两条边所包络的大弧度曲面的梯形的边沿和矩形的上下两条重合，即该矩形的上下两条边即为一对金属电极的分布位置。如图4(c)所示，以该梯形内接的最大面积矩形的左右两条边为基础，这两条边所包络的大弧度曲面的梯形的边沿即为一对金属电极的分布位置，即所选取的矩形边的两个端点所截取的大弧度曲面的梯形边沿位置。上述两种导电电极方案中，图4(b)所示的方案，面加热器电阻是银纳米线薄膜方块电阻的0.6倍；图4(c)所示的方案，面加热器电阻是银纳米线薄膜方块电阻的1.67倍。
实施例3
本实施例提供一种可在飞机舷窗上使用、基于银纳米线透明导电薄膜的大圆角矩形加热器及其制备方法，步骤除了面加热器形状和导电电极设计外，同实施例1，具体地：
基底是40cm×29cm圆角矩形，圆角长宽均跨度10cm，如图5(a)所示。利用圆角矩形最大内接矩形，得到两种导电电极方案。如图5(b)所示，以该圆角矩形内接的最大面积矩形的上下两条边为基础，这两条边所包络的圆角矩形的边沿和矩形的上下两条重合，即该矩形的上下两条边即为一对金属电极的分布位置。如图5(c)所示，以该圆角矩形内接的最大面积矩形的左右两条边为基础，这两条边所包络的圆角矩形的边沿即为一对金属电极的分布位置，即所选取的矩形边的两个端点所截取的圆角矩形边沿位置。上述两种导电电极方案中，图5(b)所示的方案，加热器电阻是银纳米线薄膜方块电阻的1.45倍；图5(c)所示的方案，加热器电阻是银纳米线薄膜方块电阻的0.69倍。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于金属纳米线薄膜的非矩形面加热器，其特征在于：包括基底、导电功能膜、性能调节层以及导电电极；所述导电功能薄膜为位于所述基底上的由金属纳米线网格组成的导电通道；所述性能调节层为在所述导电功能膜上的卤化物后处理层；所述导电电极包括两条线状金属电极，以所述非矩形面加热器内接的最大面积矩形的其中一组对边所分别包络的所述非矩形面加热器的边沿为所述两条线状金属电极分别的分布位置。
2.根据权利要求1所述的基于金属纳米线薄膜的非矩形面加热器，其特征在于：根据所述非矩形面加热器内接的最大面积矩形的两组对边分别确定的导电电极分布位置计算面加热器电阻，面加热器电阻等于薄膜方块电阻乘以电极间距与电极长度比值的倍数因子，所述电极间距等于该组对边距离，然后根据两组面加热器电阻选择所述导电电极的分布位置。
3.根据权利要求1或2所述的基于金属纳米线薄膜的非矩形面加热器，其特征在于：所述金属纳米线为直径在10～100nm，长度与直径比值在100～5000的金、银、铜、镍及其合金纳米线中的一种或几种混合，所述薄膜方块电阻由所述导电功能膜的厚度控制，并在0.1-2000Ω范围内选择。
4.根据权利要求1所述的基于金属纳米线薄膜的非矩形面加热器，其特征在于：所述性能调节层为用氯化物盐、溴化物盐、碘化物盐溶液中的一种或几种处理形成的无定形卤化金、银、铜、镍及其合金中的一种或几种；所用卤化物盐为钾、钙、钠、镁、锌、铁、锡中的一种或几种。
5.根据权利要求1或2所述的基于金属纳米线薄膜的非矩形面加热器，其特征在于：所述面加热器用作柔性加热器时所述基底的材料选用聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚乙烯亚胺中的一种，基底厚度根据柔性度和加热器热响应速率在0.01～2mm范围内选择；所述面加热器用作透明加热器时所述基底在可见光区平均透过率不低于50％，包括所述面加热器用作柔性加热器时基底材料中的任一种，还包括刚性的玻璃或陶瓷基底，且平面的刚性基底和曲面的刚性基底均包括在内，基底厚度根据光学透过率和加热器热响应速率在0.01～20mm范围内选择。
6.根据权利要求1或2所述的基于金属纳米线薄膜的非矩形面加热器，其特征在于：所述金属电极包括用蒸发、溅射、导电胶粘中任一方法制备的金、银、铜电极。
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