CN101616515B - 线热源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线热源包括一线状基底，一加热层设置于线状基底的表面，以及两个电极间隔设置于加热层的表面，并分别与该加热层电连接，其中，所述电极中，至少一个电极包括一碳纳米管结构。

Description

线热源

技术领域

本发明涉及一种线热源，尤其涉及一种基于碳纳米管的线热源。

背景技术

热源在人们的生产、生活、科研中起着重要的作用。线热源是常用的热源之一，被广泛应用于电加热器、红外治疗仪、电暖器等领域。

请参见图1，现有技术提供一种线热源10，其包括一中空圆柱状支架102；一加热层104设置于该支架102表面，一绝缘保护层106设置于该加热层104表面；两个电极110分别设置于支架102两端，且与加热层104电连接；两个夹紧件108分别将两个电极110与加热层104卡固在支架102两端。其中，电极110通常采用一金属片、金属丝、金属膜、铟锡氧化物(ITO)层、锑锡氧化物(ATO)层、导电银胶层或导电聚合物层等。当通过两个电极110对该线热源10施加一电压时，所述电热层104产生焦耳热，并向周围进行热辐射。

然而，采用金属片、金属丝、金属膜、铟锡氧化物(ITO)层、锑锡氧化物(ATO)层、导电银胶层或导电聚合物层作为线热源的电极具有以下缺点：第一，该电极的电阻率较大，所以对电能的损耗也较大。第二，该电极的柔韧性和机械强度差，长期折叠容易断裂，使用寿命短，不易应用于柔性线热源。第三，该电极的密度较大，重量大，使用不便。

有鉴于此，确有必要提供一种线热源，且该线热源的电极电阻率较小，柔韧性和机械强度高，长期折叠不易断裂，且密度小，重量轻。

发明内容

一种线热源包括一线状基底，一加热层设置于线状基底的表面，以及两个电极间隔设置于加热层的表面，并分别与该加热层电连接，其中，所述电极中，至少一个电极包括一碳纳米管结构。

与现有技术相比较，所述的线热源具有以下优点：其一，碳纳米管具有极好的导电性，所以该电极的电阻小，有利于降低功耗，提高发热效率。其二，碳纳米管的优异的力学特性使得碳纳米管结构具有很好的柔韧性和机械强度，故，采用碳纳米管结构作电极，可以相应的提高线热源，尤其是柔性线热源的耐用性，所以该线热源使用寿命长；其三，碳纳米管密度小，所以该线热源重量轻，使用方便。

附图说明

图1为现有技术的线热源的结构示意图。

图2为本技术方案实施例的线热源的结构示意图

图3为图2的线热源沿线III-III的剖面示意图。

图4为图3的线热源沿线IV-IV的剖面示意图。

图5为本技术方案实施例的碳纳米管薄膜的扫描电镜照片

图6为本技术方案实施例的碳纳米管薄膜的部分放大结构示意图。

图7为本技术方案实施例的束状结构的碳纳米管长线的扫描电镜照片。

图8为本技术方案实施例的绞线结构的碳纳米管长线的扫描电镜照片。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本技术方案提供的线热源。

请参阅图2至图4，本技术方案实施例提供一种线热源20，该线热源20包括一线状基底202；一反射层210设置于该线状基底202的表面；一加热层204设置于所述反射层210表面；两个电极206间隔设置于该加热层204的表面，且与该加热层204电连接；以及一绝缘保护层208设置于该加热层204的表面。所述线热源20的长度不限，直径为0.1微米～1.5厘米。本实施例的线热源20的直径优选为1.1毫米～1.1厘米。

所述线状基底202用于支撑加热层204，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：塑料或柔性纤维等，用以使该线热源20在使用时根据需要弯折成任意形状。所述线状基底202的长度、直径以及形状不限，可依据实际需要进行选择。本实施例优选的线状基底202为一陶瓷杆，其直径为1毫米～1厘米。

所述反射层210的材料为一白色绝缘材料，如：金属氧化物、金属盐或陶瓷等。本实施例中，反射层210的材料优选三氧化二铝，其厚度为100微米～0.5毫米。该反射层210通过蒸发或溅射的方法沉积于该线状基底202表面。所述反射层210用来反射加热层204所发的热量，使其有效的散发到外界空间去，故，该反射层210为一可选择结构。

所述加热层204的材料不限，其可以为金属丝层、电热膜、碳纤维层或碳纳米管层。当采用碳纳米管层作为加热层204时，该碳纳米管层包括多个均匀分布的碳纳米管。该碳纳米管层中的碳纳米管有序排列或无序排列。该碳纳米管层的厚度为0.01微米～2毫米。该碳纳米管层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～10纳米，双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～15纳米，多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。该碳纳米管的长度为200～900微米。

该碳纳米管层可以包裹或缠绕于所述反射层210的表面，或通过粘结剂固定于所述反射层210的表面。可以理解，当没有反射层210时，该碳纳米管层可以直接设置于线装基底202的表面。碳纳米管具有良好的导电性能以及热稳定性，作为一理想的黑体结构，且具有比较高的热辐射效率。

所述电极206可设置在加热层204的同一表面上也可以设置在加热层204的不同表面上，且与加热层204电连接。所述电极206可通过碳纳米管层的粘性或导电粘结剂(图未示)设置于该加热层204的表面上。导电粘结剂在实现电极206与碳纳米管层电接触的同时，还可将电极206更好地固定于碳纳米管层的表面上。通过该两个电极206可以对加热层204进行施加电压。其中，两个电极206之间相隔设置，以使采用碳纳米管层的加热层204通电发热时接入一定的阻值避免短路现象产生。优选地，将电极206环绕设置于加热层204的表面。

所述的电极206中至少一个电极206包括一碳纳米管结构。该碳纳米管结构设置于线装基底202的两端，并包裹或缠绕于所述加热层204的表面，或通过导电粘结剂固定于所述加热层204的表面，且与加热层204电连接。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。本实施例优选金属性碳纳米管。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～10纳米，双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～15纳米，多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。该碳纳米管的长度为大于200微米。

具体地，该碳纳米管结构包括一有序碳纳米管薄膜或至少两层重叠且交叉设置的有序碳纳米管薄膜，或至少一碳纳米管长线。

当所述碳纳米管结构包括至少一有序碳纳米管薄膜时。请参阅图5，该有序碳纳米管薄膜可通过直接拉伸一碳纳米管阵列获得。该有序碳纳米管薄膜包括多个沿拉伸方向定向排列的碳纳米管。所述碳纳米管均匀分布，且平行于碳纳米管薄膜表面。具体地，请参阅图6，所述有序碳纳米管薄膜包括多个首尾相连且长度相等的碳纳米管束162。所述碳纳米管束162的两端通过范德华力相互连接。每个碳纳米管束162包括多个长度相等且平行排列的碳纳米管163。所述相邻的碳纳米管163之间通过范德华力紧密结合。该碳纳米管的长度为200～900微米。所以，该有序碳纳米管薄膜具有一定的柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂，且采用该有序碳纳米管薄膜的电极260具有较长的使用寿命。

所述有序碳纳米管薄膜是由碳纳米管阵列经进一步处理得到的，故其长度不限，宽度和碳纳米管阵列所生长的基底的尺寸有关，可根据实际需求制得。本实施例中，采用气相沉积法在4英寸的基底生长超顺排碳纳米管阵列。所述有序碳纳米管薄膜的宽度可为0.01厘米～10厘米，厚度为0.01微米～100微米。有序碳纳米管薄膜的厚度优选为0.1微米～10微米。

另外，所述有序碳纳米管薄膜还可以包括多个平行排列的长碳纳米管。该长碳纳米管的长度为1厘米～5厘米，直径为0.5纳米～50纳米。由于该长碳纳米管为单根碳纳米管，所以其电阻更小。所以采用该有序碳纳米管薄膜设置于反射层210或加热层204的表面做电极206，可以更有效的传导电流，减少电能的损耗。

当所述碳纳米管结构包括至少两层重叠设置的有序碳纳米管薄膜时，相邻的有序碳纳米管薄膜之间通过范德华力紧密结合。进一步，该碳纳米管结构中的有序碳纳米管薄膜的层数不限，且相邻两层有序碳纳米管薄膜之间具有一交叉角度α，0≤α≤90度，具体可依据实际需求制备。由于该有序碳纳米管薄膜中的碳纳米管沿同一方向定向排列，所以在碳纳米管排列方向具有优异的导电性。本实施例通过改变相邻两层有序碳纳米管薄膜之间的交叉角度α，可以使得该碳纳米管结构在各个方向都具有优异的导电性。本实施例中，优选交叉角度α＝90度。

当所述碳纳米管结构包括至少一碳纳米管长线时，该碳纳米管长线缠绕于反射层210或加热层204的表面。所述碳纳米管长线可通过直接拉伸一碳纳米管阵列获得或拉伸一碳纳米管阵列后经过扭转纺纱获得。所述碳纳米管长线的直径为1纳米～100微米，其长度不限，可根据实际需求制得。请参见图7及图8，所述碳纳米管长线包括多个首尾相连的碳纳米管束平行地组成的束状结构或由多个首尾相连的碳纳米管束相互扭转组成的绞线结构。该相邻的碳纳米管束之间通过范德华力紧密结合，该碳纳米管束包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管。该碳纳米管的长度为200～900微米。所以碳纳米管长线具有一定的柔韧性。

所述碳纳米管结构还可以包括多个碳纳米管长线，且多个碳纳米管长线交叉且重叠设置于反射层210或加热层204的表面。该碳纳米管结构的长度、宽度以及厚度不限，可以根据实际需要制备。由于碳纳米管长线具有一定的柔韧性，所以该碳纳米管结构可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。

由于该碳纳米管长线中的碳纳米管沿着碳纳米管长线的长度方向排列，所以该碳纳米管长线沿着长度方向具有较小的电阻。所以将该碳纳米管长线缠绕于加热层204的表面做电极206，可以有效的传导电流，节约电能。

当只有一个电极206包括一碳纳米管结构时，另一电极206采用金属片金属丝、金属膜或导电胶层等。本实施例优选地，两个电极206都采用碳纳米管结构制作，且该碳纳米管结构包括重叠且交叉设置的50层有序碳纳米管薄膜，相邻两层有序碳纳米管薄膜之间交叉的角度为90度。该碳纳米管结构中有序碳纳米管薄膜的长度为1厘米，宽度为1厘米，厚度为30微米。本实施例将两个上述碳纳米管结构分别间隔包裹于加热层204的表面。由于碳纳米管结构良好的导电性，使得碳纳米管结构与加热层204之间形成良好的电连接。

本实施例中，加热层204采用碳纳米管层。两个电极206都采用采用重叠且交叉设置的10层有序碳纳米管薄膜，相邻两层有序碳纳米管薄膜之间交叉的角度为90度。该结构可以减小加热层204与电极206之间的欧姆接触电阻，提高对电能的利用率。

所述绝缘保护层208的材料为一绝缘材料，如：橡胶、树脂等。所述绝缘保护层208厚度不限，可以根据实际情况选择。本实施例中，该绝缘保护层208的材料采用橡胶，其厚度为0.5～2毫米。该绝缘保护层208可通过涂敷或包裹的方法形成于加热层204的表面。所述绝缘保护层208用来防止该线热源20在使用时与外界形成电接触，同时还可以防止加热层204中的碳纳米管层吸附外界杂质。该绝缘保护层208为一可选择结构。

该线热源20在使用时，可以将其设置于所要加热的物体表面或将其与被加热的物体间隔设置，利用其热辐射即可进行加热。另外，还可以将多个该线热源20排列成各种预定的图形使用。该线热源20可以广泛应用于电加热器、红外治疗仪、电暖器等领域。

所述的线热源20具有以下优点：其一，碳纳米管具有较低的电阻率，所以该电极206的电阻小，有利于节约电能。其二，碳纳米管的优异的力学特性使得碳纳米管结构具有很好的柔韧性和机械强度，故，采用碳纳米管结构作电极206，可以相应的提高线热源20，尤其是柔性线热源20的耐用性，所以该线热源20使用寿命长；其三，碳纳米管密度小，所以该线热源20重量轻，使用方便。其四，加热层204采用碳纳米管层，该碳纳米管层具有较高的电热转换效率。其五，加热层204采用碳纳米管层，电极206采用碳纳米管结构，可以减小加热层204与电极206之间的欧姆接触电阻，提高对电能的利用率。

另外，本实施例中，由于碳纳米管具有纳米级的直径，使得制备的碳纳米管结构可以具有较小的厚度，故，采用小直径的线状基底可以制备微型线热源。碳纳米管具有强的抗腐蚀性，使其可以在酸性环境中工作。而且，碳纳米管具有极强的稳定性，即使于3000℃以上高温的真空环境下工作而不会分解，使该线热源20适合于真空高温下工作。另外，碳纳米管比同体积的钢强度高100倍，重量却只有其1/6，所以，采用碳纳米管的线热源20具有更高的强度和更轻的重量。

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 (14)

1.一种线热源，其包括：一线状基底，一加热层设置于线状基底的表面，以及两个电极间隔设置于加热层的表面，并分别与该加热层电连接，其特征在于，所述电极中的至少一个电极包括一碳纳米管结构，该碳纳米管结构包括至少两个重叠设置的有序碳纳米管薄膜，所述碳纳米管结构中相邻两个有序碳纳米管薄膜之间通过范德华力紧密连接。

2.如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管结构包裹或缠绕于所述加热层的表面，或通过导电粘结剂固定于所述加热层的表面。

3.如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述有序碳纳米管薄膜包括多个首尾相连的碳纳米管束沿同一方向排列，且相邻的碳纳米管束之间通过范德华力连接。

4.如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述有序碳纳米管薄膜的厚度为0.01微米~100微米。

5.如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述有序碳纳米管薄膜包括多个首尾相连且择优取向的碳纳米管束，且有序碳纳米管薄膜中相邻的碳纳米管束之间通过范德华力连接。

6.如权利要求5所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管束包括多个具有相同长度且相互平行排列的碳纳米管。

7.如权利要求6所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管的长度为200~900微米，直径为0.5纳米~50纳米。

8.如权利要求3所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管结构中相邻的有序碳纳米管薄膜之间具有一交叉角度α，0≤α≤90度。

9.如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述加热层包括金属丝层、电热膜、碳纤维层或碳纳米管层。

10.如权利要求9所述的线热源，其特征在于，所述碳纳米管层包括有序排列或无序排列的碳纳米管。

11.如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述线状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、石英。

12.如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述线热源进一步包括一反射层设置于加热层与线状基底之间。

13.如权利要求12所述的线热源，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。

14.如权利要求1所述的线热源，其特征在于，所述线热源进一步包括一绝缘保护层设置于所述加热层表面。

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