CN105101498B - 除霜玻璃、除霜灯及应用该除霜玻璃、除霜灯的汽车 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种除霜玻璃，其包括：一玻璃基体以及一设置于所述玻璃基体的表面的碳纳米管复合导线。所述碳纳米管复合导线包括：一碳纳米管单纱，该碳纳米管单纱的直径为1微米到30微米，该碳纳米管单纱的捻度为10转/厘米到300转/厘米，所述碳纳米管单纱包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管沿该碳纳米管单纱的轴向螺旋状排列；以及一金属层，均匀包覆于所述碳纳米管单纱的外表面，该金属层厚度为1微米到5微米。本发明还涉及一种含有该碳纳米管复合导线的除霜灯，以及分别含有该除霜玻璃、除霜灯的汽车。
Description
技术领域
本发明涉及一种除霜玻璃及应用该除霜玻璃的车灯及汽车。
背景技术
冬季气温低，早上起来开车，车玻璃或车灯上常会有一层薄霜/雾，想要除去也不是很容易。主要原因就是车玻璃或车灯与外界接触，温度较低，水蒸气容易凝结在玻璃上形成的。
现有技术中，多采在车玻璃或车灯上设置条形电阻丝。使用时对该电阻丝进行通电加热，就可以除掉形成在汽车玻璃或车灯上的霜/雾。一般要求该电阻丝同时具有较大的强度以及尽可能小的直径，以提高耐用性并提高视觉效果。现有的车玻璃或车灯上的电阻丝主要为金属丝。然而，当由金属或合金作成的电阻丝的直径达到微米级时，例如1微米-50微米，其抗拉强度会显著降低，难以满足实际应用的要求。
碳纳米管由于具有良好的机械性能，也广泛应用于电阻丝。现有技术中的碳纳米管线，是由多个微观的碳纳米管相互连接，从而形成宏观的电阻丝。由碳纳米管形成的电阻丝虽然具有较高的机械强度，但是，在碳纳米管之间的连接处具有很高的电阻。因此，将所述碳纳米管线用作汽车除霜玻璃或车灯时，由于车载电源电压较小，一般为12v，难以满足加热要求。
为了提高所述碳纳米管线的导电性能，有人提出将碳纳米管线的表面形成一厚度为1～50纳米的金属层以提高其导电性。由于所述金属层具有较小的厚度，一方面，在使用时该金属层易氧化，故耐用性低；另一方面，其导电性虽然与纯的碳纳米管线有一定的提高，但相对于纯金属线仍然相差数个数量级，导电性有待进一步提高。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种新型的除霜玻璃及其应用，该除霜玻璃的性能比较稳定，具有较好的除霜效果。
一种除霜玻璃，其包括：一玻璃基体具有一表面，一碳纳米管复合导线设置于所述玻璃基体的表面，以及至少一第一电极及一第二电极间隔设置并与所述碳纳米管复合导线电连接。所述碳纳米管复合导线包括：一碳纳米管单纱，该碳纳米管单纱的直径为1微米到30微米，该碳纳米管单纱的捻度为10转/厘米到300转/厘米，所述碳纳米管单纱包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管沿该碳纳米管单纱的轴向螺旋状排列；以及一金属层，均匀包覆于所述碳纳米管单纱的外表面，该金属层厚度为1微米到5微米。
一种应用上述除霜玻璃的汽车，包括：一电路***，所述电路***通过导线与所述除霜玻璃的至少一第一电极及至少一第二电极电连接；以及一控制***，所述控制***通过控制所述电路***向碳纳米管复合导线提供电压，使碳纳米管复合导线加热玻璃除霜。
一种除霜灯，其包括：一灯罩具有一内表面，一碳纳米管复合导线设置于所述灯罩的内表面，以及至少一第一电极及一第二电极间隔设置并与所述碳纳米管复合导线电连接。所述碳纳米管复合导线包括：一碳纳米管单纱，该碳纳米管单纱的直径为1微米到30微米，该碳纳米管单纱的捻度为10转/厘米到300转/厘米，所述碳纳米管单纱包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管沿该碳纳米管单纱的轴向螺旋状排列；以及一金属层，均匀包覆于所述碳纳米管单纱的外表面，该金属层厚度为1微米到5微米。
一种应用上述除霜灯的汽车，包括：一电路***，所述电路***通过导线与所述除霜灯的至少一第一电极及至少一第二电极电连接；以及一控制***，所述控制***通过控制所述电路***向碳纳米管复合导线提供电压，使碳纳米管复合导线加热除霜灯。
与现有技术相比较，由本发明提供的除霜玻璃或除霜灯具有以下优点。首先，所述碳纳米管复合导线具有较小的直径，为头发丝直径的五分之一到七分之一，故，所述除霜玻璃或除霜灯在使用时不会影响该除霜玻璃或除霜灯的视觉效果。其次，通过优化所述碳纳米管单纱的直径和捻度，从而可以显著提高所述碳纳米管复合导线的机械性能，进而提高所述除霜玻璃或除霜灯的使用寿命。最后，由于所述金属层具有较大的厚度，因此，所述碳纳米管复合导线在使用时，所述金属层起主要的导电作用，即，电流主要通过碳纳米管复合导线的表层传导，即通过金属层传导，形成类似驱肤效应，故，可以显著提高所述碳纳米管复合导线的电导率，进而提高所述除霜玻璃或除霜灯的加热效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的除霜玻璃的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的除霜玻璃的剖面图。
图3为本发明实施例提供的除霜玻璃中使用的碳纳米管复合导线的扫描电镜照片。
图4为本发明实施例提供的除霜玻璃中使用的碳纳米管复合导线的拉伸应力曲线。
图5为本发明实施例提供的除霜玻璃使用时的结构示意图。
图6是本发明实施例提供的包括多个第一电极及第二电极的除霜玻璃的结构示意图。
图7为本发明实施例提供的除霜玻璃应用于汽车时的结构示意图。
图8为本发明实施例的除霜玻璃应用于汽车时的工作模块示意图。
图9为本发明实施例提供的除霜灯的结构示意图。
图10为本发明实施例提供的除霜灯使用时的结构示意图。
图11为本发明实施例的除霜灯应用于汽车时的工作模块示意图。
主要元件符号说明
| 除霜玻璃 | 100 |
| 汽车 | 200 |
| 除霜灯 | 300 |
| 玻璃基体 | 10 |
| 粘结剂层 | 11 |
| 碳纳米管复合导线 | 12 |
| 碳纳米管单纱 | 122 |
| 金属层 | 124 |
| 第一电极 | 13、31 |
| 第二电极 | 14、32 |
| 高分子保护层 | 15 |
| 电源 | 16 |
| 控制*** | 22 |
| 开关 | 23 |
| 传感器 | 24 |
| 供电*** | 25 |
| 灯罩 | 30 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1及图2，本发明实施例提供一种除霜玻璃100，该除霜玻璃100包括一玻璃基体10、一粘结剂层11、多条碳纳米管复合导线12、一第一电极13、一第二电极14以及一高分子保护层15。所述粘结剂层11设置于玻璃基体10的表面。所述多条碳纳米管复合导线12平行且间隔设置，并通过所述粘结剂11固定于所述玻璃基体10的表面。所述第一电极13和第二电极14分别设置于所述碳纳米管复合导线12的两端，并与所述碳纳米管复合导线12电接触，用于给所述碳纳米管复合导线12施加电压，使所述碳纳米管复合导线12中流通电流。所述高分子保护层15覆盖于所述第一电极13、第二电极14及所述碳纳米管复合导线12的表面，用于保护所述第一电极13、第二电极14及所述碳纳米管复合导线12。
所述玻璃基体10形状不限，该玻璃基体10在使用时可根据需要弯折成任意形状。该玻璃基体10具有一表面用于支撑碳纳米管复合导线12或者粘结剂层11。优选地，所述玻璃基体10为一板状基底。其中，玻璃基体10的大小不限，可依据实际需要进行改变。
所述粘结剂层11可以通过丝网印刷的方式形成于所述玻璃基体10表面。本实施例中，所述粘结剂层11为一硅胶层。
请参阅图3，所述碳纳米管复合导线12，包括一碳纳米管单纱122以及一包覆于所述碳纳米管单纱122外表面的金属层124。
所述碳纳米管单纱122可以通过从一碳纳米管阵列中拉取获得一碳纳米管线，并将所述碳纳米管线的两端相对回转形成。即，所述碳纳米管单纱122为由纯的、未修饰的碳纳米管组成。所述碳纳米管线可以沿顺时针方向回转，从而形成S捻；所述碳纳米管线可以沿逆时针方向回转，从而形成Z捻。由于从碳纳米管阵列中直接拉取获得的碳纳米管线中的碳纳米管基本沿所述碳纳米管线的轴向延伸，且在所述碳纳米管线的轴向方向通过范德华力首尾相连。故，在将所述碳纳米管线的两端相对回转的过程中，该碳纳米管线中的碳纳米管会沿碳纳米管线的轴向方向螺旋状排列，且在延伸方向通过范德华力首尾相连，进而形成所述碳纳米管单纱122。另外，在将所述碳纳米管线的两端相对回转的过程中，所述碳纳米管线中沿径向方向相邻的碳纳米管之间的间距会变小，接触面积增大，从而使所述碳纳米管单纱122中沿径向方向相邻的碳纳米管之间的范德华力显著增加，并紧密相连。所述碳纳米管单纱122中沿径向方向相邻的碳纳米管之间的间距小于等于10纳米。优选地，所述碳纳米管单纱122中沿径向方向相邻的碳纳米管之间的间距小于等于5纳米。更优选地，所述碳纳米管单纱122中沿径向方向相邻的碳纳米管之间的间距小于等于1纳米。由于所述碳纳米管单纱122中沿径向方向相邻的碳纳米管之间的间距较小且通过范德华力紧密相连，故，所述碳纳米管单纱122具有光滑且致密的表面结构。
所述碳纳米管单纱122的直径为1微米到30微米。所述碳纳米管单纱122的捻度为10转/厘米到300转/厘米。所述捻度是指单位长度碳纳米管线回转的圈数。当所述碳纳米管单纱122的直径确定时，适当的捻度可以使所述碳纳米管单纱122具有较好的机械性能。例如，当所述碳纳米管单纱122的直径小于10微米时，所述碳纳米管单纱122的捻度优选为250转/厘米到300转/厘米；而当所述碳纳米管单纱122的直径为10微米到20微米时，所述碳纳米管单纱122的捻度优选为200转/厘米到250转/厘米；而当所述碳纳米管单纱122的直径为25微米到30微米时，所述碳纳米管单纱122的捻度优选为100转/厘米到150转/厘米。所述碳纳米管单纱122的机械强度可以达到相同直径的金线的机械强度的5-10倍。本实施例中，所述碳纳米管单纱122的直径约为25微米，且其捻度约为100转/厘米。
由于所述碳纳米管单纱122具有光滑且致密的表面结构，故，所述金属层124可以和所述碳纳米管单纱122形成良好的结合，不易脱落。所述金属层124均匀的包覆于所述碳纳米管单纱122的外表面，其厚度为1微米到5微米。当所述金属层124的厚度为1微米到5微米时，所述碳纳米管复合导线12的电导率可以到达所述金属层124中金属的电导率的50%以上。当所述金属层124的厚度太小时，例如小于1微米，一方面不能显著提高所述碳纳米管复合导线12的电导率，另一方面，还会使得该金属层124在使用时容易被氧化，进一步降低所述碳纳米管复合导线12的电导率及使用寿命。另外，实验证明当所述金属层124的厚度大于一定值时，例如大于5微米，所述碳纳米管复合导线12的电导率不但不会显著增加，还会额外增加所述碳纳米管复合导线12的直径。所述金属层124的材料可以为钨、镍、铬、铁等金属或合金。本实施例中，所述金属层124为厚度约为5微米的钨，从而使该碳纳米管复合导线12的电导率可以达到金属钨的电导率的75%左右。
请参照图4，本实施例中，所述碳纳米管复合导线12的直径约为35微米，其拉伸应力可以达到900MPa以上，为相同直径下金线的9倍左右。
所述第一电极13和第二电极14由导电材料组成，该第一电极13和第二电极14为长条形，材料可为导电薄膜、金属片或者金属引线。优选地，第一电极13和第二电极14均为条形的导电薄膜。该导电薄膜的厚度为0.5纳米~100微米。该导电薄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。当所述第一电极13及第二电极14采用铟锡氧化物（ITO）、锑锡氧化物（ATO）材料时，第一电极13及第二电极14为透明电极。
所述第一电极13和第二电极14间隔设置，以使碳纳米管复合导线12应用于除霜玻璃100时接入的阻值避免短路现象产生。当所述第一电极13及第二电极14为条形金属片时，所述的第一电极13和第二电极14也可通过一导电粘结剂(图未示)设置于该碳纳米管复合导线12的表面上，导电粘结剂在实现第一电极13和第二电极14与碳纳米管复合导线12电接触的同时，还可以将所述第一电极13和第二电极14更好地固定于碳纳米管复合导线12的表面上。本实施例优选的导电粘结剂为银胶。
可以理解，所述第一电极13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碳纳米管复合导线12中流过电流。因此，所述第一电极13和第二电极14只需要导电，并与所述碳纳米管复合导线12之间形成电接触都在本发明的保护范围内。
所述高分子保护层15的材料为一透明高分子材料，可以是热塑性聚合物或热固性聚合物的一种或多种，如纤维素、聚对苯二甲酸乙酯、压克力树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂、环氧树脂、硅胶及聚酯等中的一种或多种。所述高分子保护层15厚度不限，可以根据实际情况选择。所述高分子保护层15覆盖于所述第一电极13、第二电极14和碳纳米管复合导线12之上，可以使该除霜玻璃100在绝缘状态下使用，同时还可以避免所述碳纳米管复合导线12遭受外力的破坏。本实施例中，该高分子保护层15的材料为环氧树脂，其厚度为200微米。
请参见图5，本发明实施例的除霜玻璃100在使用时，可先将第一电极13和第二电极14连接导线后接入电源16。在接入电源16后，所述除霜玻璃100中的碳纳米管复合导线12即被加热，从而使得热量可以快速传递至玻璃基体10，进而升温将形成于除霜玻璃100表面的霜/雾除去。
本发明实施例提供的除霜玻璃具有以下优点，首先，所述碳纳米管复合导线具有较小的直径，为头发丝直径的五分之一到七分之一，故，所述除霜玻璃在使用时不会影响该除霜玻璃的视觉效果。其次，通过优化所述碳纳米管单纱的直径和捻度，从而可以显著提高所述碳纳米管复合导线的机械性能，进而提高所述除霜玻璃的使用寿命。最后，由于所述金属层具有较大的厚度，因此，所述碳纳米管复合导线在使用时，所述金属层起主要的导电作用，即，电流主要通过碳纳米管复合导线的表层传导，即通过金属层传导，形成类似驱肤效应，故，可以显著提高所述碳纳米管复合导线的电导率，进而提高所述除霜玻璃的加热效率。此外，由于所述金属层具有较大的厚度，故，还可以使所述金属层具有较好的抗氧化性能及耐用性能。另外，所述碳纳米管复合导线在使用时，即使所述金属层被高温熔断，由于碳纳米管具有良好的耐热性能，所述碳纳米管单纱也不会轻易断路，从而还可以使所述碳纳米管复合导线保持通路状态，进一步提高所述除霜玻璃的耐用性。
请参见图6，所述除霜玻璃100亦可以包括多个第一电极13及多个第二电极14，该多个第一电极13及多个第二电极14平行且间隔设置，并与所述碳纳米管复合导线12电连接。使用时，所述多个第一电极13以及多个第二电极14通过导线分别与电源16的两个电极电连接，从而在每两个相邻的第一电极13以及第二电极14之间形成相同的电势差，从而可以降低所述碳纳米管复合导线12的加热电压，进而提高所述除霜玻璃100的电热转换。
请参阅图7，本发明实施例提供一种应用所述除霜玻璃100的汽车200，该除霜玻璃100安装于汽车200的车窗，做为汽车的挡风玻璃。该除霜玻璃100的玻璃基体10形成有所述碳纳米管复合导线12的表面朝向车厢内，玻璃基体10的另一表面暴露在车厢外部的空气中。所述除霜玻璃100的第一电极13及第二电极14与汽车的供电***电连接，所述碳纳米管复合导线12可通过汽车的供电***通入电流，从而发热。另外，当所述第一电极13及第二电极14为透明电极时，如采用ITO膜时，由于所述碳纳米管复合导线12具有较小的直径，几乎为一透明结构，该除霜玻璃100整体上具有透明的特点，因此该除霜玻璃100可应用于汽车的各个车窗，并不局限于汽车的后挡风玻璃。
请参阅图8，本发明的除霜玻璃100应用于汽车200，汽车进一步包括一控制***22，开关23，传感器24，供电***25。所述控制***22与所述供电***25电连接，用于控制所述供电***25的电压，所述供电***25通过所述第一电极13及第二电极14与所述除霜玻璃100电连接用于给所述除霜玻璃100供电。所述开关23与所述控制***22电连接，并由汽车的乘员或驾驶员控制。另外，所述传感器24与所述控制***22电连接，并感受汽车挡风玻璃上是否有霜/雾，并将信号传送给控制***22。该控制***22可以根据传感器24发出的信号，控制除霜玻璃100进行除霜。所述传感器24还可感受玻璃上的温度，太低的时候加热，达到一定温度上的时候停止加热，可实现自动调节控制。
请参阅图9，本发明实施例提供一种除霜灯300，包括一灯罩30、一碳纳米管复合导线12、一第一电极31以及一第二电极32。所述碳纳米管复合导线12间隔设置于所述灯罩30的内表面。所述第一电极31和第二电极32分别与所述碳纳米管复合导线12电接触，用于给所述碳纳米管复合导线12施加电压，使所述碳纳米管复合导线12中流过电流。
所述灯罩30的形状和材料不限，可以根据实际需要选择。本实施例中，所述灯罩30的形状为半球形。
所述碳纳米管复合导线12可以沿所述灯罩30的经线方向或纬线方向间隔设置，且相邻的碳纳米管复合导线12之间电连接。本实施例中，所述碳纳米管复合导线12沿所述灯罩30的经线方向间隔设置。所述碳纳米管复合导线12可以通过粘结剂或灯罩30内表面的凹槽或凸棱设置于所述灯罩30的内表面。本实施例中，所述灯罩30的内表面具有多个沿经线方向延伸的凹槽，且所述碳纳米管复合导线12通过所述多个凹槽设置于所述灯罩30的内表面。
所述第一电极31和第二电极32可选自与所述第一电极13和第二电极14相同的材料和结构。
请参见图10，本发明实施例的除霜灯300在使用时，可先将第一电极31和第二电极32连接导线后接入电源16。在接入电源16后，所述除霜灯300中的碳纳米管复合导线12即被加热，从而使得热量可以快速传递至灯罩30，进而升温将形成于灯罩30表面的霜/雾除去。
本发明实施例提供一种应用所述除霜灯300的汽车。所述除霜灯300的第一电极31和第二电极32与汽车的供电***电连接，所述碳纳米管复合导线12可通过汽车的供电***通入电流，从而发热。另外，由于所述碳纳米管复合导线12具有较小的直径，几乎为一透明结构，该除霜灯300整体上具有透明的特点，因此该除霜灯300可应用于汽车的各个车灯。
请参阅图11，本发明的除霜灯300应用于汽车，汽车进一步包括一控制***22，开关23，传感器24，供电***25。所述控制***22与所述供电***25电连接，用于控制所述供电***25的电压，所述供电***25通过所述第一电极31和第二电极32与所述除霜灯300电连接用于给所述除霜灯300供电。所述开关23与所述控制***22电连接，并由汽车的乘员或驾驶员控制。另外，所述传感器24与所述控制***22电连接，并感受汽车挡风玻璃上是否有霜/雾，并将信号传送给控制***22。该控制***22可以根据传感器24发出的信号，控制除霜灯300进行除霜。所述传感器24还可感受玻璃上的温度，太低的时候加热，达到一定温度上的时候停止加热，可实现自动调节控制。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，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内。
Claims (11)
1.一种除霜玻璃，其包括：
一玻璃基体具有一表面，
一碳纳米管复合导线设置于所述玻璃基体的表面，所述碳纳米管复合导线包括：
一碳纳米管单纱，该碳纳米管单纱的直径为1微米到30微米，该碳纳米管单纱的捻度为10转/厘米到300转/厘米，所述碳纳米管单纱包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管沿该碳纳米管单纱的轴向螺旋状排列，且碳纳米管单纱中相邻的碳纳米管之间通过范德华力紧密相连；以及
一金属层，均匀包覆于所述碳纳米管单纱的外表面，该金属层厚度为1微米到5微米，所述碳纳米管复合导线的电导率为该金属层中金属的电导率的50％以上；以及
至少一第一电极及一第二电极间隔设置并与所述碳纳米管复合导线电连接。
2.如权利要求1所述的除霜玻璃，其特征在于，所述碳纳米管单纱的直径小于10微米，所述碳纳米管单纱的捻度为250转/厘米到300转/厘米。
3.如权利要求1所述的除霜玻璃，其特征在于，所述碳纳米管单纱的直径为25微米到30微米，所述碳纳米管单纱的捻度为100转/厘米到150转/厘米。
4.如权利要求1所述的除霜玻璃，其特征在于，所述碳纳米管单纱的机械强度为相同直径下金线的机械强度的5-10倍。
5.如权利要求1所述的除霜玻璃，其特征在于，进一步包括多个碳纳米管复合导线，该多个碳纳米管复合导线平行且相互间隔设置。
6.一种应用如权利要求1至5项中任一项所述的除霜玻璃的汽车，包括：一电路***，所述电路***通过导线与所述除霜玻璃的至少一第一电极及至少一第二电极电连接；以及一控制***，所述控制***通过控制所述电路***向碳纳米管复合导线提供电压，使碳纳米管复合导线加热玻璃除霜。
7.一种除霜灯，其包括：
一灯罩具有一内表面，
一碳纳米管复合导线设置于所述灯罩的内表面，所述碳纳米管复合导线包括：
一碳纳米管单纱，该碳纳米管单纱的直径为1微米到30微米，该碳纳米管单纱的捻度为10转/厘米到300转/厘米，所述碳纳米管单纱包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管沿该碳纳米管单纱的轴向螺旋状排列，且碳纳米管单纱中相邻的碳纳米管之间通过范德华力紧密相连；以及
一金属层，均匀包覆于所述碳纳米管单纱的外表面，该金属层厚度为1微米到5微米，所述碳纳米管复合导线的电导率为该金属层中金属的电导率的50％以上；以及
至少一第一电极及一第二电极间隔设置并与所述碳纳米管复合导线电连接。
8.如权利要求7所述的除霜灯，其特征在于，所述碳纳米管单纱的直径小于10微米，所述碳纳米管单纱的捻度为250转/厘米到300转/厘米。
9.如权利要求7所述的除霜灯，其特征在于，所述碳纳米管单纱的直径为25微米到30微米，所述碳纳米管单纱的捻度为100转/厘米到150转/厘米。
10.如权利要求7所述的除霜灯，其特征在于，所述碳纳米管单纱的机械强度为相同直径下金线的机械强度的5-10倍。
11.一种应用如权利要求7至10项中任一项所述的除霜灯的汽车，包括：一电路***，所述电路***通过导线与所述除霜灯的至少一第一电极及至少一第二电极电连接；以及一控制***，所述控制***通过控制所述电路***向碳纳米管复合导线提供电压，使碳纳米管复合导线加热车灯除霜。
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