專利名稱：面熱源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種面熱源，尤其涉及一種基于碳納米管的面熱源。
背景技術：
熱源在人們的生產(chǎn)、生活、科研中起著重要的作用。面熱源是熱源的一種。面熱源 為二維結構，將待加熱物體置于該二維結構的上方對物體進行加熱，因此，面熱源可對待加 熱物體的各個部位同時加熱，加熱面較大、加熱均勻且效率較高。面熱源已成功用于工業(yè)領 域、科研領域或生活領域等，如電加熱器、電熱毯、紅外治療儀及電暖器等。現(xiàn)有面熱源一般包括一加熱元件和至少兩個電極，該至少兩個電極設置于該加熱 元件的表面，并與該加熱元件電連接。當通過電極向加熱元件通入電壓或電流時，由于加熱 元件具有較大電阻，通入加熱元件的電能轉換成熱能，并從加熱元件釋放出來?，F(xiàn)在市售的 面熱源通常采用金屬絲或碳纖維制成的電熱絲作為加熱元件進行電熱轉換。然而，金屬絲或碳纖維均具有強度不高、電熱轉換效率較低以及質量較大的缺點。 金屬絲易于折斷，特別是多次彎曲或繞折成一定角度時易產(chǎn)生疲勞，因此應用受到限制。另 夕卜，以金屬絲或碳纖維制成的電熱絲所產(chǎn)生的熱量是以普通波長向外輻射的，其電熱轉換 效率不高不利于節(jié)省能源，需加入粘涂有遠紅外涂料的棉線提高電熱轉換效率，不利于節(jié) 能環(huán)保。碳纖維及金屬絲的質量均較大，不利于使熱源輕型化。同時，碳纖維尺寸不夠小， 不利于應用于微型熱源。自九十年代初以來，以碳納米管(請參見Helical microtubules of graphiticcarbon, Nature, Sumio Iijima, vol 354，p56 (1991))為代表的納米材料以其獨 特的結構和性質引起了人們極大的關注。近幾年來，隨著碳納米管及納米材料研究的不斷 深入，其廣闊的應用前景不斷顯現(xiàn)出來。范守善等人于2007年12月19日公開的一件中國 專利申請第CN101090586A號中公開了一種納米柔性電熱材料。該電熱材料包括一柔性基 體及分散在所述柔性基體中的多個碳納米管。該多個碳納米管以粉末態(tài)存在，彼此間結合 力很弱，無法形成一具有特定形狀的自支撐結構。將該粉末態(tài)的碳納米管與聚合物溶液混 合時，該粉末態(tài)的碳納米管極易團聚，從而導致碳納米管在基體中分散不均勻。為了避免碳 納米管在聚合物溶液中分散時的團聚現(xiàn)象，一方面，在分散的過程中需要通過超聲波振蕩 處理該碳納米管與聚合物溶液的混合物，另一方面，該電熱材料中碳納米管的質量百分含 量不能太高，僅為0. 1 4%。
而且，碳納米管在經(jīng)過上述分散處理之后，即使碳納米管彼此間能夠相互接觸，其 結合力也較弱，無法形成一自支撐的碳納米管結構。由于碳納米管含量少，熱電材料的熱 響應速度不夠快，電熱轉換效率不夠高，故該電熱材料的發(fā)熱溫度不夠高，限制了其應用范 圍。另外，為了使碳納米管在液相中分散，制備電熱材料時，其柔性基體只能選擇聚合物材 料，聚合物材料耐熱溫度較低，此種采用在液相中分散碳納米管形成電熱材料的方法限制 了基體材料的選擇。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，確有必要提供一種電熱轉換效率較高，發(fā)熱溫度范圍較寬的面熱源。一種面熱源，包括一加熱元件，該加熱元件包括基體及多個碳納米管分布于該基 體中；以及至少兩電極間隔設置并與該加熱元件電連接，其中，該加熱元件中的多個碳納米 管組成至少一自支撐的碳納米管結構，該碳納米管結構中的碳納米管無序排列、沿同一方 向擇優(yōu)取向排列或沿不同方向擇優(yōu)取向排列。一種面熱源，包括一加熱元件以及至少兩電極間隔設置并與該加熱元件電連接， 其中該加熱元件包括至少一自支撐的碳納米管結構，以及基體材料復合于該碳納米管結 構中，該碳納米管結構中的碳納米管無序排列、沿同一方向擇優(yōu)取向排列或沿不同方向擇 優(yōu)取向排列。一種面熱源，包括一加熱元件，該加熱元件包括一碳納米管復合結構；以及至少 兩電極間隔設置并與該加熱元件電連接，其中，該碳納米管復合結構包括一基體以及至少 一自支撐的碳納米管結構與該基體復合，該碳納米管結構中的碳 納米管無序排列、沿同一 方向擇優(yōu)取向排列或沿不同方向擇優(yōu)取向排列。與現(xiàn)有技術相比較，所述的面熱源由于采用自支撐結構的碳納米管結構，且碳納 米管在碳納米管結構中均勻分布，將該自支撐的碳納米管結構與基體直接復合，無需解決 碳納米管的分散問題，碳納米管的含量不受限制，可使復合后形成的加熱元件中碳納米管 仍相互結合保持一碳納米管結構的形態(tài)，使該熱源具有更佳的加熱性能。另外，該基體材料 的種類不限于聚合物，溫度范圍寬，使該熱源的應用范圍更加廣泛。碳納米管結構中的碳納 米管均勻分布，因此具有均勻的厚度及電阻，發(fā)熱均勻，碳納米管的電熱轉換效率高，所以 該面熱源具有升溫迅速、熱滯后小、熱交換速度快、輻射效率高的特點。


圖1為本發(fā)明第一實施例的面熱源的結構示意圖。圖2為圖1沿II-II線的剖面示意圖。圖3為本發(fā)明實施例包括多個相互交叉的碳納米管線狀結構的面熱源的結構示 意圖。圖4為本發(fā)明實施例包括一彎折盤繞的碳納米管線狀結構的面熱源的結構示意 圖。圖5為本發(fā)明實施例面熱源中的碳納米管拉膜結構中碳納米管片段的結構示意 圖。圖6為本發(fā)明實施例面熱源中的碳納米管拉膜結構的掃描電鏡照片。圖7為本發(fā)明實施例面熱源中的碳納米管絮化膜結構的掃描電鏡照片。圖8為本發(fā)明實施例面熱源中的碳納米管碾壓膜結構中碳納米管沿不同方向擇 優(yōu)取向排列的掃描電鏡照片。圖9為本發(fā)明實施例面熱源中的碳納米管碾壓膜結構中碳納米管沿同一方向擇 優(yōu)取向排列的掃描電鏡照片。圖10為本發(fā)明實施例面熱源中的非扭轉的碳納米管線的掃描電鏡照片。圖11為本發(fā)明實施例面熱源中的扭轉的碳納米管線的掃描電鏡照片。
圖12為本發(fā)明實施例面熱源中的碳納米管拉膜與環(huán)氧樹脂復合形成的加熱元件 的截斷面掃描電鏡照片。圖13為本發(fā)明實施例包括多個相互間隔的碳納米管結構的面熱源的結構示意 圖。圖14為使用圖12中的加熱元件在不同電壓下的溫度變化曲線。圖15為本發(fā)明第二實施例的面熱源的結構示意圖。圖16為圖15沿XVI-XVI線的剖面示意圖。圖17為本發(fā)明第三實施例的面熱源的結構示意圖。 圖18為本發(fā)明實施例面熱源制備方法的流程圖。圖19為本發(fā)明實施例面熱源制備方法的碳納米管絮狀結構的照片。
具體實施例方式以下將結合附圖及具體實施例詳細說明本發(fā)明提供的面熱源。請參閱圖1及圖2，本發(fā)明第一實施例提供一種面熱源10，該面熱源10為二維結 構，即該面熱源10是沿二維方向延伸的結構。但應當指出的是，即使具有一定厚度的二維 結構，宏觀上仍視為或近似視為二維的結構的實施例，例如板狀，膜狀等結構，也應視為本 發(fā)明保護的范圍。該面熱源10包括一加熱元件16、一第一電極12及一第二電極14。該加熱元件16 與第一電極12及第二電極14電連接，用于使所述加熱元件16接通電源從而流過電流。所述加熱元件16包括一碳納米管復合結構，該碳納米管復合結構包括一基體162 及至少一碳納米管結構164與該基體162復合。具體地，該碳納米管結構164包括多個孔 隙，該基體162的材料滲透入該碳納米管結構164的多個孔隙中，從而形成一碳納米管復合 結構。當該基體162的體積較大時，該碳納米管結構164設置于基體162中，并被該基體 162完全包覆。該加熱元件16為一層狀結構，具體地，該加熱元件16可以為一平面結構或 曲面結構。本實施例中，該基體162為一板狀長方體，該碳納米管結構164完全嵌于該基體 162 中。該碳納米管結構164為一自支撐結構。所謂“自支撐結構”即該碳納米管結構164 無需通過一支撐體支撐，也能保持自身特定的形狀。該自支撐結構的碳納米管結構164包 括多個碳納米管，該多個碳納米管通過范德華力相互吸引，從而形成一網(wǎng)絡結構，并使碳納 米管結構164具有特定的形狀，以形成一一體的自支撐的碳納米管結構。本實施例中，該碳 納米管結構164為二維面狀或一維線狀結構。由于該碳納米管結構164具有自支撐性，在 不通過支撐體表面支撐時仍可保持面狀或線狀結構。該碳納米管結構164中碳納米管之間 具有大量間隙，從而使該碳納米管結構164具有大量孔隙，該基體162材料滲入該孔隙中。所述碳納米管結構164包括均勻分布的大量碳納米管，碳納米管之間通過范德華 力緊密結合。該碳納米管結構164中的碳納米管為無序或有序排列。這里的無序指碳納米 管的排列方向無規(guī)律，這里的有序指至少多數(shù)碳納米管的排列方向具有一定規(guī)律。具體地， 當碳納米管結構164包括無序排列的碳納米管時，碳納米管可進一步相互纏繞，該無序排 列的碳納米管形成的碳納米管結構164各向同性；當碳納米管結構164包括有序排列的碳 納米管時，碳納米管沿一個方向或者多個方向擇優(yōu)取向排列。該碳納米管結構164的厚度優(yōu)選為0. 5納米 1毫米。該碳納米管結構164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 50納米， 所述雙壁碳納米管的直徑為1. 0納米 50納米，所述多壁碳納米管的直徑為1. 5納米 50 納米。優(yōu)選地，所述碳納米管結構164包括有序排列的碳納米管，碳納米管沿一固定方向擇 優(yōu)取向排列?？梢岳斫猓技{米管結構164的熱響應速度與其厚度有關。在相同面積的情況 下，碳納米管結構164的厚度越大，熱響應速度越慢；反之，碳納米管結構164的厚度越小， 熱響應速度越快。由于該碳納米管結構164由純碳納米管組成，因此該碳納米管結構164 的單位面積熱容小于2 X 10_4焦耳每平方厘米開爾文，優(yōu)選地小于1. 7 X ΙΟ"6焦耳每平方厘 米開爾文。該極小的單位面積熱容使該碳納米管結構164具有較快的熱響應速度。具體地，該碳納米管結構164包括至少一碳納米管膜、至少一碳納米管線狀結構或所述碳納米管膜和線狀結構組成的復合結構。可以理解，當所述碳納米管結構164包括 多個碳納米管膜時，該多個碳納米管膜可以層疊設置或并排設置。請參閱圖3，當所述碳納 米管結構164包括多個碳納米管線狀結構時，該多個碳納米管線狀結構可以相互平行、并 排或交叉設置成一二維的碳納米管結構164或相互纏繞或編織成一二維的碳納米管結構 164。另外，請參閱圖4，當該碳納米管結構164可通過一碳納米管線狀結構彎折盤繞成一二 維的碳納米管結構164。該碳納米管膜包括碳納米管拉膜、碳納米管絮化膜或碳納米管碾壓膜。該碳納米 管線狀結構可以包括至少一個碳納米管線、多個碳納米管線平行排列組成的束狀結構或多 個碳納米管線扭轉組成的絞線結構。所述碳納米管結構164可包括至少一碳納米管拉膜，該碳納米管拉膜為從碳納米 管陣列中直接拉取獲得的一種具有自支撐性的碳納米管膜。每一碳納米管拉膜包括多個沿 同一方向擇優(yōu)取向且平行于碳納米管拉膜表面排列的碳納米管。所述碳納米管通過范德華 力首尾相連，以形成一一體的自支撐的碳納米管拉膜。請參閱圖5及圖6，具體地，每一碳納 米管拉膜包括多個連續(xù)且定向排列的碳納米管片段143。該多個碳納米管片段143通過范 德華力首尾相連。每一碳納米管片段143包括多個相互平行的碳納米管145，該多個相互平 行的碳納米管145通過范德華力緊密結合。該碳納米管片段143具有任意的寬度、厚度、均 勻性及形狀。所述碳納米管拉膜的厚度為0. 5納米 100微米，寬度與拉取該碳納米管拉 膜的碳納米管陣列的尺寸有關，長度不限。當該碳納米管結構164由碳納米管拉膜組成，且 碳納米管結構164的厚度比較小時，例如小于10微米，該碳納米管結構164有很好的透明 度，其透光率可以達到90%，可以用于制造一透明熱源。當所述碳納米管結構164包括層疊設置的多層碳納米管拉膜時，相鄰兩層碳納米 管拉膜中的擇優(yōu)取向排列的碳納米管之間形成一交叉角度α，α大于等于0度小于等于90 度(0° < α <90° )。所述多個碳納米管拉膜之間或一個碳納米管拉膜之中的相鄰的碳 納米管之間具有一定間隙，從而在碳納米管結構164中形成多個孔隙，孔隙的孔徑尺寸約 小于10微米。所述碳納米管拉膜的具體結構及其制備方法請參見范守善等人于2007年2 月9日申請的，于2008年8月13公開的第CN101239712A號中國大陸公開專利申請(碳納 米管膜結構及其制備方法，申請人清華大學，鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司)。為節(jié) 省篇幅，僅引用于此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發(fā)明申請技術揭露的一部分。本發(fā)明實施例的碳納米管結構164包括多個沿相同方向層疊設置的碳納米管拉膜，從而使碳納米管結構164中碳納米管均沿同一方向擇優(yōu)取向排列。所述碳納米管結構164可包括至少一碳納米管絮化膜，該碳納米管絮化膜包括相 互纏繞且均勻分布的碳納米管。碳納米管的長度大于10微米，優(yōu)選為200 900微米，從 而使碳納米管相互纏繞在一起。所述碳納米管之間通過范德華力相互吸引、纏繞，形成網(wǎng)絡 狀結構，以形成一一體的自支撐的碳納米管絮化膜。所述碳納米管絮化膜各向同性。所述 碳納米管絮化膜中的碳納米管為均勻分布，無規(guī)則排列，形成大量的孔隙結構，孔隙孔徑約 小于10微米。所述碳納米管絮化膜的長度和寬度不限。請參閱圖7，由于在碳納米管絮化 膜中，碳納米管相互纏繞，因此該碳納米管絮化膜具有很好的柔韌性，且為一自支撐結構， 可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂。所述碳納米管絮化膜的面積及厚度均不限，厚度為1 微米 1毫米，優(yōu)選為100微米。所述碳納米管絮化膜的具體結構及其制備方法請參見范 守善等人于2007年4月13日申請的第200710074027. 5號中國大陸專利申請(碳納米管 膜的制備方法，申請人清華大學，鴻富錦精密工 業(yè)(深圳)有限公司)。為節(jié)省篇幅，僅引 用于此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發(fā)明申請技術揭露的一部分。所述碳納米管結構164可包括至少一碳納米管碾壓膜，該碳納米管碾壓膜包括均 勻分布的碳納米管。所述碳納米管無序，沿同一方向或不同方向擇優(yōu)取向排列。所述碳納 米管碾壓膜中的碳納米管相互部分交疊，并通過范德華力相互吸引，緊密結合，使得該碳納 米管結構具有很好的柔韌性，可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂。且由于碳納米管碾壓膜 中的碳納米管之間通過范德華力相互吸引，緊密結合，使碳納米管碾壓膜為一一體的自支 撐的結構。所述碳納米管碾壓膜可通過碾壓一碳納米管陣列獲得。所述碳納米管碾壓膜中 的碳納米管與形成碳納米管陣列的生長基底的表面形成一夾角β，其中，β大于等于0度 且小于等于15度β < 15° )，該夾角β與施加在碳納米管陣列上的壓力有關，壓力 越大，該夾角越小，優(yōu)選地，該碳納米管碾壓膜中的碳納米管平行于該生長基底排列。該碳 納米管碾壓膜為通過碾壓一碳納米管陣列獲得，依據(jù)碾壓的方式不同，該碳納米管碾壓膜 中的碳納米管具有不同的排列形式。請參閱圖8，當沿不同方向碾壓時，碳納米管沿不同方 向擇優(yōu)取向排列。請參閱圖9，當沿同一方向碾壓時，碳納米管沿一固定方向擇優(yōu)取向排列。 另外，當碾壓方向為垂直該碳納米管陣列表面時，該碳納米管可以無序排列。該碳納米管碾 壓膜中碳納米管的長度大于50微米。該碳納米管碾壓膜的面積和厚度不限，可根據(jù)實際需要選擇。該碳納米管碾壓膜 的面積與碳納米管陣列的尺寸基本相同。該碳納米管碾壓膜厚度與碳納米管陣列的高度以 及碾壓的壓力有關，可為1微米 1毫米?？梢岳斫猓技{米管陣列的高度越大而施加的 壓力越小，則制備的碳納米管碾壓膜的厚度越大；反之，碳納米管陣列的高度越小而施加的 壓力越大，則制備的碳納米管碾壓膜的厚度越小。所述碳納米管碾壓膜之中的相鄰的碳納 米管之間具有一定間隙，從而在碳納米管碾壓膜中形成多個孔隙，孔隙的孔徑約小于10微 米。所述碳納米管碾壓膜的具體結構及其制備方法請參見范守善等人于2007年6月1日 申請的第200710074699. 6號中國大陸專利申請(碳納米管膜的制備方法，申請人清華大 學，鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司)。為節(jié)省篇幅，僅引用于此，但上述申請所有技術揭 露也應視為本發(fā)明申請技術揭露的一部分。所述碳納米管結構164可包括至少一碳納米管線。該碳納米管線可以為非扭轉的 碳納米管線或扭轉的碳納米管線。該非扭轉的碳納米管線為將碳納米管拉膜通過有機溶劑處理得到。請參閱圖10，該非扭轉的碳納米管線包括多個沿碳納米管線長度方向排列的碳 納米管。優(yōu)選地，該碳納米管首尾相連。具體地，該非扭轉的碳納米管線包括多個碳納米管 片段，該多個碳納米管片段通過范德華力首尾相連，每一碳納米管片段包括多個相互平行 并通過范德華力緊密結合的碳納米管。該碳納米管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形 狀。該非扭轉的碳納米管線長度不限，直徑為0.5納米-100微米。所述碳納米管線的具體 結構及制備方法請參見范守善等人于2002年9月16日申請的，于2008年8月20日公告 的中國專利第CN100411979C號，以及于2005年12月16日申請的，于2007年6月20日公 開的中國專利申請第CN1982209A號。為節(jié)省篇幅，僅引用于此，但上述申請所有技術揭露 也應視為本發(fā)明申請技術揭露的一部分。該扭轉的碳納米管線為采用一機械力將所述碳納米管拉膜兩端沿相反方向扭轉 獲得。請參閱圖11，該扭轉的碳納米管線包括多個繞碳納米管線軸向螺旋排列的碳納米管。 具體地，該扭轉的碳納米管線包括多個碳納米管片段，該多個碳納米管片段通過范德華力 首尾相連，每一碳納米管片段包括多個相互平行并通過范德華力緊密結合的碳納米管。該 碳納米管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該扭轉的碳納米管線長度不限，直徑 為0.5納米-100微米。
進一步地，可采用一揮發(fā)性有機溶劑處理該扭轉的碳納米管線。在揮發(fā)性有機溶 劑揮發(fā)時產(chǎn)生的表面張力的作用下，處理后的扭轉的碳納米管線中相鄰的碳納米管通過范 德華力緊密結合，使扭轉的碳納米管線的直徑及比表面積減小，密度及強度增大。由于該碳納米管線為采用有機溶劑或機械力處理上述碳納米管拉膜獲得，該碳納 米管拉膜為自支撐結構，故該碳納米管線為自支撐結構。該碳納米管線與碳納米管拉膜類 似，由多個碳納米管通過范德華力首尾相連，以形成一一體的自支撐的碳納米管線。另外， 該碳納米管線中相鄰碳納米管間存在間隙，故該碳納米管線具有大量孔隙，孔隙的孔徑約 小于10微米。所述基體162的材料可以選擇為高分子材料或無機非金屬材料等。該基體162或 形成該基體162的前驅體在一定溫度下為液態(tài)或氣態(tài)，從而使該基體162或該基體162的 前驅體在面熱源10的加熱元件16的制備過程中能夠滲透到該碳納米管結構164的間隙或 孔隙中，并形成一固態(tài)基體162與碳納米管結構164相結合的復合結構。該基體162的材 料應具有一定的耐熱性能，使其在該面熱源10的工作溫度內(nèi)不致受熱破壞、變形、熔化、氣 化或分解。具體地，該高分子材料可以包括熱塑性聚合物或熱固性聚合物的一種或多種，如 纖維素、聚對苯二甲酸乙酯、壓克力樹脂、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、酚醛樹脂、 環(huán)氧樹脂、硅膠及聚酯等中的一種或多種。該無機非金屬材料可以包括玻璃、陶瓷及半導體 材料中的一種或多種。本發(fā)明實施例中，該基體162的材料為環(huán)氧樹脂。請參閱圖12，由于該碳納米管結構164中碳納米管間具有間隙，從而在碳納米管 結構164中形成多個孔隙，且該基體162或形成該基體162的前驅體在一定溫度下為液態(tài) 或氣態(tài)，從而使該基體162與該碳納米管結構164復合時可以滲入該碳納米管結構164的 孔隙內(nèi)部。圖12為沿平行于碳納米管拉膜中碳納米管的排列方向拉伸該加熱元件16至該 加熱元件16斷裂后，得到的該加熱元件16的截斷面照片，可以發(fā)現(xiàn)，與環(huán)氧樹脂復合后，該 碳納米管結構164仍能基本保持復合前的形態(tài)，碳納米管在環(huán)氧樹脂內(nèi)基本沿同一方向擇優(yōu)取向排列。該基體162可只填充于所述碳納米管結構164的孔隙中，也可以如圖2所示進一 步完全包覆整個碳納米管結構164。請參閱圖13，當該加熱元件16包括多個碳納米管結構 164時，該多個碳納米管結構164可相互間隔(或相互接觸)的設置于該基體162中。當該 碳納米管結構164為二維結構時，該二維結構可相互間隔或相互接觸的并排設置或層疊設 置在基體162中；當該碳納米管結構164為線狀結構時，該線狀結構可相互間隔或相互接觸 的設置在基體162中。當該碳納米管結構164間隔設置于基體162中時，可以節(jié)省制備該 加熱元件16所需的碳納米管結構164的用量。另外，可視實際需要將碳納米管結構164設 置在基體162的特定位置，從而使該加熱元件16在不同位置具有不同的加熱溫度?？梢岳斫猓龌w162滲透于碳納米管結構164的孔隙中，可以起到固定該碳納 米管結構164中的碳納米管的作用，使在使用時碳納米管結構164中的碳納米管不致因外 力摩擦或刮劃而脫落。當所述基體162包覆整個碳納米管結構164時，該基體162可進一 步保護該碳納米管結構164。當該基體162為絕緣性的有機高分子材料或無機非金屬材料 時，該基體162同時保證該加熱元件16與外部絕緣。另外，該基體162可進一步起到導熱 及使熱量分布均勻的目的。進一步地，當該碳納米管結構164急劇升溫時，該基體162可以 起到緩沖熱量的作用，使該加熱元件16的溫度變化較為柔和。該基體162的材料可采用柔 性高分子材料，從而可以增強整個面熱源10的柔性與韌性。 可以理解，由于該碳納米管在碳納米管結構164中均勻分布，通過將基體162與自 支撐的碳納米管結構164直接復合形成加熱元件16，可使碳納米管在加熱元件16中均勻分 布，且碳納米管的含量達到99%，提高了熱源10的發(fā)熱溫度。由于該碳納米管結構164為 一自支撐結構，且碳納米管在碳納米管結構164中均勻分布，將該自支撐的碳納米管結構 164與基體162直接復合，可使復合后形成的加熱元件16中碳納米管仍相互結合保持一碳 納米管結構164的形態(tài)，從而使加熱元件16中碳納米管既能均勻分布形成導電網(wǎng)絡，又不 受碳納米管在溶液中分散濃度的限制，使碳納米管在加熱元件16中的質量百分含量可以 達到99%。所述第一電極12和第二電極14由導電材料組成，該第一電極12和第二電極14 的形狀不限，可為導電膜、金屬片或者金屬引線。優(yōu)選地，第一電極12和第二電極14均為 一層導電膜。當用于微型面熱源10時，該導電膜的厚度為0.5納米 100微米。該導電膜 的材料可以為金屬、合金、銦錫氧化物(ITO)、銻錫氧化物(ΑΤΟ)、導電銀膠、導電聚合物或 導電性碳納米管等。該金屬或合金材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、鈦、釹、鈀、銫或其任意組合 的合金。本實施例中，所述第一電極12和第二電極14的材料為金屬鈀膜，厚度為5納米。 所述金屬鈀與碳納米管具有較好的潤濕效果，有利于所述第一電極12及第二電極14與所 述加熱元件16之間形成良好的電接觸，減少歐姆接觸電阻。所述的第一電極12和第二電極14直接與加熱元件16中的碳納米管結構164電 連接。其中，第一電極12和第二電極14間隔設置，以使加熱元件16應用于面熱源10時接 入一定的阻值避免短路現(xiàn)象產(chǎn)生。具體地，當該加熱元件16的基體162只填充于該碳納米管結構164的孔隙中時， 由于該碳納米管結構164中部分碳納米管部分暴露于加熱元件16表面，該第一電極12和 第二電極14可以設置在加熱元件16的表面，從而使該第一電極12和第二電極14與碳納米管結構164電連接。該第一電極12和第二電極14可以設置在加熱元件16的同一表面 也可以設置在加熱元件16的不同表面。另外，當該加熱元件16的基體162包覆整個碳納 米管結構164時，為使該第一電極12和第二電極14與該碳納米管結構164電連接，該第一 電極12和第二電極14可設置于加熱元件16的基體162中，并直接與碳納米管結構164接 觸。此時，為使該第一電極12和第二電極14與外部電源導通，該第一電極12和第二電極 14可部分暴露于加熱元件16之外；或者，該熱源10可進一步包括兩條引線，分別與該第一 電極12和第二電極14電連接，并從該基體162內(nèi)部引出。當該碳納米管結構164中碳納米管有序排列時，優(yōu)選地，該碳納米管的排列方向 沿第一電極12至第二電極14延伸。具體地，當該碳納米管結構164包括至少一碳納米管 拉膜時，所述第一電極12及第二電極14設置于該碳納米管拉膜的兩端，使碳納米管拉膜中 碳納米管首尾相連從第一電極12延伸至第二電極14。當該碳納米管結構164包括多個平 行排列的碳納米管線狀結構時，與電阻絲相似的，該碳納米管線狀結構兩端分別與該第一 電極12與第二電極14電連接。所述的第一電極12和第二電極14可通過一導電粘結劑(圖未示)設置于該加熱 元件16或碳納米管結構164表面，導電粘結劑在實現(xiàn)第一電極12和第二電極14與碳納米 管結構164電接觸的同時，還可以將所述第一電極12和第二電極14更好地固定于碳納米 管結構164的表面上。具體地，該導電粘結劑可以為銀膠。 可以理解，第一電極12和第二電極14的結構和材料均不限，其設置目的是為了使 所述加熱元件16中碳納米管結構164流過電流。因此，所述第一電極12和第二電極14只 需要導電，并與所述加熱元件16的碳納米管結構164之間形成電接觸都在本發(fā)明的保護范 圍內(nèi)。本發(fā)明實施例的面熱源10在使用時，可先將面熱源10的第一電極12和第二電極 14連接導線后接入電源。在接入電源后熱源10中的碳納米管結構164即可輻射出一定波 長范圍的電磁波。所述面熱源10可以與待加熱物體的表面直接接觸?；蛘?，所述面熱源10 可以與待加熱物體相隔一定的距離設置。本發(fā)明實施例中的面熱源10在碳納米管結構164的面積大小一定時，通過調(diào)節(jié)電 源電壓大小和碳納米管結構164的厚度，可以輻射出不同波長范圍的電磁波。具體地，該碳 納米管結構164可以產(chǎn)生一紅外線熱輻射。電源電壓的大小一定時，碳納米管結構164的 厚度和面熱源10輻射出電磁波的波長的變化趨勢相反。即當電源電壓大小一定時，碳納米 管結構164的厚度越厚，面熱源10輻射出電磁波的波長越短；碳納米管結構164的厚度越 薄，面熱源10輻射出電磁波的波長越長。碳納米管結構164的厚度一定時，電源電壓的大 小和面熱源10輻射出電磁波的波長成反比。即當碳納米管結構164的厚度一定時，電源電 壓越大，面熱源10輻出電磁波的波長越短；電源電壓越小，面熱源10輻射出電磁波的波長 越長。可以理解，該面熱源10在應用時應根據(jù)基體162的材料通過一電路限制施加在第 一電極12及第二電極14兩端的電壓大小，使碳納米管結構164的發(fā)熱溫度控制在該基體 162能耐受的溫度范圍內(nèi)。例如，當該基體162的材料為有機高分子聚合物時，該電壓范圍 為0 10伏，該面熱源10的發(fā)熱溫度為120°C以下，并低于該高分子聚合物的熔點。當該 基體162的材料為陶瓷時，該電壓范圍為10伏 30伏，該面熱源10的發(fā)熱溫度為120°C 500°C。請參閱圖14，本發(fā)明實施例通過測量100層碳納米管拉膜相互層疊形成的碳納米管結構164與環(huán)氧樹脂基體162復合形成的加熱元件16的面熱源10，可以發(fā)現(xiàn)對該面熱源 10施加電壓越高，該面熱源10升溫越快，發(fā)熱溫度越高。碳納米管具有良好的導電性能以及熱穩(wěn)定性，且作為一理想的黑體結構，具有比 較高的熱輻射效率。在另一實施例中，基體162采用耐熱材料時，將該面熱源10暴露在氧化 性氣體或者大氣的環(huán)境中，其中碳納米管結構164的厚度為5毫米，通過在10伏 30伏調(diào) 節(jié)電源電壓，該面熱源10可以輻射出波長較長的電磁波。通過溫度測量儀發(fā)現(xiàn)該面熱源10 的溫度為50°C 500°C。對于具有黑體結構的物體來說，其所對應的溫度為200°C 450°C 時就能發(fā)出人眼看不見的熱輻射(紅外線)，此時的熱輻射最穩(wěn)定、效率最高。應用該碳納 米管結構164制成的面熱源10，可應用于電加熱器、紅外治療儀、電熱毯、電暖器等領域。另外，當該面熱源10的加熱元件16中碳納米管結構164的厚度較小，為一透明的 碳納米管結構164，且該基體162的材料為透明的有機或無機材料時，該面熱源10為一透 明面熱源10。另外，當該面熱源10的加熱元件16中的基體162由柔性的聚合物材料制成 時，該面熱源10為一柔性面熱源10。進一步地，由于該聚合物材料的基體162可以通過模 壓法形成各種形狀，且該碳納米管線可以編織成不同形狀，該柔性的面熱源10可以用于制 造自發(fā)熱的取暖服、取暖手套或取暖鞋等。
請參閱圖15及圖16，本發(fā)明第二實施例提供一種面熱源20，該面熱源20包括一 加熱元件26、一第一電極22及一第二電極24。該加熱元件26包括一基體262及至少一碳 納米管結構264設置于基體262中。該加熱元件26為一類二維結構，即為一具有一定厚度 的二維結構。具體地，該加熱元件26可以為一平面結構或曲面結構。該加熱元件26的碳 納米管結構264與第一電極22及第二電極24電連接，用于使所述加熱元件26接通電源從 而流過電流。該面熱源20的結構與第一實施例的面熱源10基本相同，其不同之處在于，該面熱 源20進一步包括一支撐體28、一熱反射層27以及一保護層25。所述熱反射層27設置于 支撐體28的表面。所述加熱元件26設置于所述熱反射層27的表面。所述第一電極22和 第二電極24間隔設置于所述加熱元件26的表面，并與該加熱元件26電接觸，用于使所述 加熱元件26中流過電流。所述保護層25設置于所述加熱元件26的表面，用于避免所述加 熱元件26吸附外界雜質。所述支撐體28、熱反射層27以及保護層25均為可選擇結構。進 一步地，該面熱源20包括兩條電極引線29，分別與所述第一電極22和第二電極24相連，從 嵌于基體262中的第一電極22和第二電極24引出至基體262外。所述支撐體28形狀不限，其具有一表面用于支撐加熱元件16或者熱反射層27。 該表面可以為平面或曲面。優(yōu)選地，所述支撐體28為一板狀結構，其材料可為硬性材料， 如陶瓷、玻璃、樹脂、石英等，亦可以選擇柔性材料，如塑料或樹脂等。其中，支撐體28的 大小不限，可依據(jù)實際需要進行改變。本實施例優(yōu)選的支撐體28為一陶瓷基板。所述熱反射層27的設置用來反射加熱元件26所發(fā)的熱量，從而控制加熱的方向， 用于單面加熱，并進一步提高加熱的效率。所述熱反射層27的材料為一白色絕緣材料，如 金屬氧化物、金屬鹽或陶瓷等。本實施例中，熱反射層27為三氧化二鋁層，其厚度為100微 米 0.5毫米。該熱反射層27可通過濺射或其他方法形成于該支撐體28表面?？梢岳斫?， 所述熱反射層27也可設置在支撐體28遠離加熱元件26的表面，即所述支撐體28設置于 所述加熱元件26和所述熱反射層27之間。所述熱反射層27為一可選擇的結構。所述加熱元件26可直接設置在支撐體28的表面，此時面熱源10的加熱方向不限，可用于雙面加 熱。所述保護層25為一可選擇結構，其材料為一絕緣材料，如塑料、橡膠或樹脂等。 所述保護層25厚度不限，可以根據(jù)實際情況選擇。所述保護層25覆蓋于所述第一電極22、 第二電極24和加熱元件26之上，本實施例中，該絕緣保護層25的材料為耐熱橡膠，其厚度 為0. 5 2毫米。所述保護層25可保護加熱元件26，尤其當該加熱元件26中基體262僅 填充于碳納米管結構264的孔隙中時，該保護層25可防止暴露于加熱元件26表面的碳納 米管受外力摩擦而損壞，另外，可以保證該加熱元件26除所述第一電極22及第二電極24 外與外部絕緣。 請參閱圖17，本發(fā)明第三實施例提供一種面熱源30，該面熱源30包括一加熱元件 36、一第一電極32及一第二電極34。該加熱元件36為一二維結構，即具有一定厚度的二維 結構。具體地，該加熱元件36可以為一平面結構或曲面結構。該加熱元件36與第一電極 32及第二電極34電連接，用于使所述加熱元件36中的碳納米管接通電源從而流過電流。
該面熱源30的結構與第一實施例的面熱源10基本相同，其不同之處在于，該加熱 元件36包括多個碳納米管線狀復合結構366。該多個碳納米管線狀復合結構366相互編織 形成二維的加熱元件36。該碳納米管線狀復合結構366為將一碳納米管線狀結構與一基體 材料復合得到。該基體材料填充于該碳納米管線狀結構的孔隙中。該碳納米管復合線狀結 構366可方便地直接編織成各種形狀的加熱元件36。該基體材料優(yōu)選為柔性的聚合物。請參閱圖18，本發(fā)明實施例提供一種面熱源10的制備方法，其包括以下步驟步驟一，提供一碳納米管結構164，該碳納米管結構164包括多個孔隙。根據(jù)碳納米管結構164的不同，所述碳納米管結構164的制備方法包括直接拉膜 法、碾壓法、絮化法等。本實施例中，該碳納米管結構164可以為一維結構也可以為二維結 構。下面將對上述幾種碳納米管結構164的制備方法進行分別敘述。(一)當該碳納米管結構164包括至少一碳納米管拉膜，該碳納米管結構164的制 備方法具體包括以下步驟首先，提供一碳納米管陣列形成于一生長基底，該陣列為超順排的碳納米管陣列。該碳納米管陣列的制備方法采用化學氣相沉積法，其具體步驟包括(a)提供一 平整生長基底，該生長基底可選用P型或N型硅生長基底，或選用形成有氧化層的硅生長基 底，本發(fā)明實施例優(yōu)選為采用4英寸的硅生長基底；(b)在生長基底表面均勻形成一催化劑 層，該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一；(c)將上述 形成有催化劑層的生長基底在700°C 900°C的空氣中退火約30分鐘 90分鐘；(d)將處 理過的生長基底置于反應爐中，在保護氣體環(huán)境下加熱到500°C 740°C，然后通入碳源氣 體反應約5分鐘 30分鐘，生長得到碳納米管陣列。該碳納米管陣列為多個彼此平行且垂 直于生長基底生長的碳納米管形成的純碳納米管陣列。通過上述控制生長條件，該定向排 列的碳納米管陣列中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。本發(fā)明實施例提供的碳納米管陣列為單壁碳納米管陣列、雙壁碳納米管陣列及多 壁碳納米管陣列中的一種。所述碳納米管的直徑為1 50納米，長度為50納米 5毫米。 本實施例中，碳納米管的長度優(yōu)選為100 900微米。本發(fā)明實施例中碳源氣可選用乙炔、乙烯、甲烷等化學性質較活潑的碳氫化合物，本發(fā)明實施例優(yōu)選的碳源氣為乙炔；保護氣體為氮氣或惰性氣體，本發(fā)明實施例優(yōu)選的保護氣體為氬氣?？梢岳斫?，本發(fā)明實施例提供的碳納米管陣列不限于上述制備方法，也可為石墨 電極恒流電弧放電沉積法、激光蒸發(fā)沉積法等。其次，采用一拉伸工具從碳納米管陣列中拉取碳納米管獲得至少一碳納米管拉 膜，其具體包括以下步驟(a)從所述超順排碳納米管陣列中選定一個或具有一定寬度的 多個碳納米管，本實施例優(yōu)選為采用具有一定寬度的膠帶、鑷子或夾子接觸碳納米管陣列 以選定一個或具有一定寬度的多個碳納米管；(b)以一定速度拉伸該選定的碳納米管，從 而形成首尾相連的多個碳納米管片段，進而形成一連續(xù)的碳納米管膜。該拉取方向沿基本 垂直于碳納米管陣列的生長方向。在上述拉伸過程中，該多個碳納米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離生長 基底的同時，由于范德華力作用，該選定的多個碳納米管片段分別與其它碳納米管片段首 尾相連地連續(xù)地被拉出，從而形成一連續(xù)、均勻且具有一定寬度的碳納米管膜。該碳納米管 膜包括多個首尾相連的碳納米管，該碳納米管基本沿拉伸方向排列。請參閱圖5及圖6，該 碳納米管膜包括多個擇優(yōu)取向排列的碳納米管145。進一步地，所述碳納米管膜包括多個 首尾相連且定向排列的碳納米管片段143，碳納米管片段143兩端通過范德華力相互連接。 該碳納米管片段143包括多個相互平行排列的碳納米管145。該直接拉伸獲得碳納米管膜 的方法簡單快速，適宜進行工業(yè)化應用。該碳納米管膜的寬度與碳納米管陣列的尺寸有關，該碳納米管膜的長度不限，可 根據(jù)實際需求制得。當該碳納米管陣列的面積為4英寸時，該碳納米管膜的寬度為0. 5納 米 10厘米，該碳納米管膜的厚度為0. 5納米 100微米。最后，利用上述碳納米管拉膜制備碳納米管結構164。該碳納米管拉膜可以作為一碳納米管結構164使用。進一步，還可以將至少兩個 碳納米管拉膜平行無間隙或/和層疊鋪設得到一碳納米管結構164。由于該碳納米管拉膜 具有較大的比表面積，因此該碳納米管拉膜具有較大粘性，故多層碳納米管膜可以相互緊 密結合形成一碳納米管結構164。該碳納米管結構164中，碳納米管拉膜的層數(shù)不限，且相 鄰兩層碳納米管拉膜之間具有一交叉角度α，0° < α <90°，具體可依據(jù)實際需求制備。 所述碳納米管膜可沿一個電極至另一個電極方向鋪設，從而使碳納米管膜中碳納米管沿一 個電極至另一個電極方向延伸本實施例中，進一步包括用有機溶劑處理碳納米管結構164的步驟，該有機溶劑 為揮發(fā)性有機溶劑，可選用乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷和氯仿中一種或者幾種的混合，本實 施例中的有機溶劑采用乙醇。該使用有機溶劑處理的步驟具體為將該碳納米管結構164 設置于一基底表面或一框架結構上，通過試管將有機溶劑滴落在碳納米管結構164表面浸 潤整個碳納米管結構164，或者，也可將上述碳納米管結構164浸入盛有有機溶劑的容器中 浸潤。所述的碳納米管結構164經(jīng)有機溶劑浸潤處理后，當碳納米管膜的層數(shù)較少時，在表 面張力的作用下，碳納米管膜中相鄰的碳納米管會收縮成間隔分布的碳納米管線。而當碳 納米管膜的層數(shù)較多時，有機溶劑處理后的多層碳納米管膜為一均勻的膜結構。有機溶劑 處理后，碳納米管結構164的粘性降低，更便于使用。(二)當該碳納米管結構164包括至少一碳納米管絮化膜，該碳納米管結構164的制備方法包括以下步驟首先，提供一碳納米管原料。所述碳納米管原料可以為通過化學氣相沉積法、石墨電極恒流電弧放電沉積法或 激光蒸發(fā)沉積法等各種方法制備的碳納米管。本實施例中，采用刀片或其他工具將上述定向排列的碳納米管陣列從基底刮落， 獲得一碳納米管原料。優(yōu)選地，所述的碳納米管原料中，碳納米管的長度大于100微米。其次，將上述碳納米管原料添加到一溶劑中并進行絮化處理獲得一碳納米管絮狀 結構，將上述碳納米管絮狀結構從溶劑中分離，并對該碳納米管絮狀結構定型處理以獲得 一碳納米管膜。本發(fā)明實施例中，溶劑可選用水、易揮發(fā)的有機溶劑等。絮化處理可通過采用超聲 波分散處理或高強度攪拌等方法。優(yōu)選地，本發(fā)明實施例采用超聲波分散10分鐘 30分 鐘。由于碳納米管具有極大的比表面積，相互纏繞的碳納米管之間具有較大的范德華力。上 述絮化處理并不會將該碳納米管原料中的碳納米管完全分散在溶劑中，碳納米管之間通過 范德華力相互吸引、纏繞，形成網(wǎng)絡狀結構。本發(fā)明實施例中，所述的分離碳納米管絮狀結構的方法具體包括以下步驟將上 述含有碳納米管絮狀結構的溶劑倒入一放有濾紙的漏斗中；靜置干燥一段時間從而獲得一 分離的碳納米管絮狀結構，圖19為該碳納米管絮狀結構的照片。本發(fā)明實施例中，所述的碳納米管絮狀結構的定型處理過程具體包括以下步驟 將上述碳納米管絮狀結構置于一容器中；將該碳納米管絮狀結構按照預定形狀攤開；施加 一定壓力于攤開的碳納米管絮狀結構；以及，將該碳納米管絮狀結構中殘留的溶劑烘干或 等溶劑自然揮發(fā)后獲得一碳納米管絮化膜，圖7為該碳納米管絮化膜的掃描電鏡照片?？梢岳斫猓景l(fā)明實施例可通過控制該碳納米管絮狀結構攤開的面積來控制該碳 納米管絮化膜的厚度和面密度。碳納米管絮狀結構攤開的面積越大，則該碳納米管絮化膜 的厚度和面密度就越小。本發(fā)明實施例中獲得的碳納米管絮化膜，該碳納米管絮化膜的厚 度為1微米_2毫米。另外，上述分離與定型處理碳納米管絮狀結構的步驟也可直接通過抽濾的方式實 現(xiàn)，具體包括以下步驟提供一微孔濾膜及一抽氣漏斗；將上述含有碳納米管絮狀結構的 溶劑經(jīng)過該微孔濾膜倒入該抽氣漏斗中；抽濾并干燥后獲得一碳納米管絮化膜。該微孔濾 膜為一表面光滑、孔徑為0. 22微米的濾膜。由于抽濾方式本身將提供一較大的氣壓作用 于該碳納米管絮狀結構，該碳納米管絮狀結構經(jīng)過抽濾會直接形成一均勻的碳納米管絮化 膜。且，由于微孔濾膜表面光滑，該碳納米管絮化膜容易剝離，得到一自支撐的碳納米管絮 化膜。請參見圖7，上述碳納米管絮化膜中包括相互纏繞的碳納米管，所述碳納米管之間 通過范德華力相互吸引、纏繞，形成網(wǎng)絡狀結構，因此該碳納米管絮化膜具有很好的韌性。 該碳納米管絮化膜中，碳納米管為均勻分布且無規(guī)則排列。
可以理解，該碳納米管絮化膜的具有一定的厚度，且通過控制該碳納米管絮狀結 構攤開的面積以及壓力大小可以控制其厚度。所以該碳納米管絮化膜可以直接作為一碳納 米管結構164使用。另外，可以將至少兩層碳納米管絮化膜層疊設置或并排設置形成一碳 納米管結構164。
(三)當該碳納米管結構164包括至少一碳納米管碾壓膜，該碳納米管結構164的 制備方法包括以下步驟首先，提供一碳納米管陣列形成于一生長基底，該陣列為定向排列的碳納米管陣 列。所述碳納米管陣列優(yōu)選為一超順排的碳納米管陣列。所述碳納米管陣列與上述碳 納米管陣列的制備方法相同。其次，采用一施壓裝置，擠壓上述碳納米管陣列獲得一碳納米管碾壓膜，其具體過 程為該施壓裝置施加一定的壓力于上述碳納米管陣列上。在施壓的過程中，碳納米管 陣列在壓力的作用下會與生長基底分離，從而形成由多個碳納米管組成的具有自支撐結構 的碳納米管碾壓膜，且所述的多個碳納米管基本上與碳納米管碾壓膜的表面平行。本發(fā)明實施例中，施壓裝置為一壓頭，壓頭表面光滑，壓頭的形狀及擠壓方向決定 制備的碳納米管碾壓膜中碳納米管的排列方式。具體地，當采用平面壓頭沿垂直于上述碳 納米管陣列生長基底的方向擠壓時，可獲得碳納米管為無序排列的各向同性的碳 納米管碾 壓膜；當采用滾軸狀壓頭沿平行于基底的某一固定方向碾壓時，可獲得碳納米管沿該固定 方向取向排列的碳納米管碾壓膜；當采用滾軸狀壓頭沿不同方向碾壓時，可獲得碳納米管 沿不同方向取向排列的碳納米管碾壓膜?？梢岳斫?，當采用上述不同方式擠壓上述的碳納米管陣列時，碳納米管會在壓力 的作用下傾倒，并與相鄰的碳納米管通過范德華力相互吸引、連接形成由多個碳納米管組 成的具有自支撐結構的碳納米管碾壓膜。所述的多個碳納米管與該生長基底的表面成一夾 角β，其中，β大于等于零度且小于等于15度(0°彡β <15° )。依據(jù)碾壓的方式不同， 如圖9所示，該碳納米管碾壓膜中的碳納米管可以沿一固定方向擇優(yōu)取向排列；或如圖8所 示，沿不同方向擇優(yōu)取向排列。另外，在壓力的作用下，碳納米管陣列會與生長的基底分離， 從而使得該碳納米管碾壓膜容易與基底脫離，從而形成一自支撐的碳納米管碾壓膜。本技術領域技術人員應明白，上述碳納米管陣列的傾倒程度(傾角)與壓力的大 小有關，壓力越大，傾角越大。所述傾角為碳納米管陣列中的碳納米管與生長該碳納米管陣 列的基底所呈的夾角。制備的碳納米管碾壓膜的厚度取決于碳納米管陣列的高度以及壓力 大小。碳納米管陣列的高度越大而施加的壓力越小，則制備的碳納米管碾壓膜的厚度越大； 反之，碳納米管陣列的高度越小而施加的壓力越大，則制備的碳納米管碾壓膜的厚度越小。 該碳納米管碾壓膜的寬度與碳納米管陣列所生長的基底的尺寸有關，該碳納米管碾壓膜的 長度不限，可根據(jù)實際需求制得。本發(fā)明實施例中獲得的碳納米管碾壓膜，該碳納米管碾壓 膜的厚度為1微米 2毫米。最后，將該碳納米管碾壓膜從所述生長基底揭起，從而得到一自支撐的碳納米管 碾壓膜。上述碳納米管碾壓膜中包括多個沿同一方向或擇優(yōu)取向排列的碳納米管，所述碳 納米管之間通過范德華力相互吸引，因此該碳納米管碾壓膜具有很好的韌性。該碳納米管 碾壓膜中，碳納米管均勻分布，規(guī)則排列。可以理解，該碳納米管碾壓膜具有一定的厚度，且通過碳納米管陣列的高度以及 壓力大小可以控制其厚度。所以該碳納米管碾壓膜可以直接作為一碳納米管結構164使用。另外，可以將至少兩層碳納米管碾壓膜層疊設置或并排設置形成一碳納米管結構164。(四)當該碳納米管結構164包括至少一碳納米管線狀結構時，該碳納米管結構 164的制備方法包括以下步驟首先，提供至少一碳納米管拉膜。 該碳納米管拉膜的形成方法與(一)中碳納米管拉膜的形成方法相同。其次，處理該碳納米管拉膜，形成至少一碳納米管線。該處理碳納米管拉膜的步驟可以為采用有機溶劑處理該碳納米管拉膜，從而得到 一非扭轉的碳納米管線，或為采用機械外力扭轉該碳納米管拉膜，從而得到一扭轉的碳納 米管線。采用有機溶劑處理該碳納米管拉膜的步驟具體為將有機溶劑浸潤所述碳納米管 拉膜的整個表面，在揮發(fā)性有機溶劑揮發(fā)時產(chǎn)生的表面張力的作用下，碳納米管拉膜中的 相互平行的多個碳納米管通過范德華力緊密結合，從而使碳納米管拉膜收縮為一非扭轉的 碳納米管線。該有機溶劑為揮發(fā)性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施 例中采用乙醇。通過有機溶劑處理的非扭轉碳納米管線與未經(jīng)有機溶劑處理的碳納米管拉 膜相比，比表面積減小，粘性降低?？梢岳斫猓摬捎糜袡C溶劑處理碳納米管拉膜形成非扭 轉的碳納米管線的方法與(一)中采用有機溶劑降低碳納米管拉膜的粘性的方法相似，其 區(qū)別在于，當需要形成非扭轉的碳納米管線時，碳納米管拉膜的兩端不固定，即不將碳納米 管拉膜設置在基底表面或框架結構上。采用機械外力扭轉該碳納米管拉膜的步驟為采用一機械力將所述碳納米管膜兩 端沿相反方向扭轉。本發(fā)明實施例中，具體可以提供一個尾部可以粘住碳納米管拉膜的紡 紗軸。將該紡紗軸的尾部與碳納米管拉膜結合后，將該紡紗軸以旋轉的方式旋轉該碳納米 管拉膜，形成一扭轉的碳納米管線?？梢岳斫?，上述紡紗軸的旋轉方式不限，可以正轉，也可 以反轉，或者正轉和反轉相結合。進一步地，可采用一揮發(fā)性有機溶劑處理該扭轉的碳納米管線。在揮發(fā)性有機溶 劑揮發(fā)時產(chǎn)生的表面張力的作用下，處理后的扭轉的碳納米管線中相鄰的碳納米管通過范 德華力緊密結合，使扭轉的碳納米管線的比表面積減小，粘性降低，與未經(jīng)有機溶劑處理的 扭轉的碳納米管線相比密度及強度均增大。再次，利用上述碳納米管線制備至少一碳納米管線狀結構，并得到一碳納米管結 構 164。上述扭轉的碳納米管線或非扭轉的碳納米管線為一自支撐結構，可直接作為一碳 納米管結構164使用。另外，可以將多個碳納米管線平行排列成一束狀結構的碳納米管線 狀結構，或者將該平行排列的多個碳納米管線經(jīng)一扭轉步驟得到一絞線結構的碳納米管線 狀結構。進一步地，可以將該多個碳納米管線或碳納米管線狀結構相互平行排列、交叉排列 或編織，得到一二維的碳納米管結構164。步驟二，間隔形成一第一電極12及一第二電極14于該碳納米管結構164的兩端， 該第一電極12及一第二電極14與該碳納米管結構164形成電連接。所述的第一電極12及一第二電極14的設置方式與碳納米管結構164有關。當碳 納米管結構164中碳納米管至少部分有序排列時，如該碳納米管結構164包括一碳納米管 拉膜、沿一個固定方向碾壓得到的碳納米管碾壓膜或者一碳納米管線時，即該碳納米管結構164中大多數(shù)碳納米管沿同一方向擇優(yōu)取向排列時，優(yōu)選地，應保證碳納米管結構164中 的部分碳納米管沿第一電極12至一第二電極14方向延伸，使第一電極12及第二電極14 設置于該碳納米管的延伸方向上。此種設置方式可以保證碳納米管結構164具有最好的導 電性，從而使加熱元件16具有最好的發(fā)熱效果。所述的第一電極12及一第二電極14可以設置在碳納米管結構164的同一表面上 或不同表面上，或者該第一電極12及一第二電極14環(huán)繞設置于碳納米管結構164的表面。 其中，第一電極12及一第二電極14之間相隔設置，以使碳納米管結構164應用于線熱源10 時接入一定的阻值避免短路現(xiàn)象產(chǎn)生。碳納米管結構164本身有很好的粘附性與導電性， 故第一電極12及一第二電極14可以與碳納米管結構164之間形成很好的電接觸。所述第一電極12及一第二電極14為導電膜、金屬片或者金屬引線。該導電膜可以 通過電鍍、化學鍍、濺鍍、真空蒸鍍、物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、直接涂覆或絲網(wǎng)印 刷導電漿料或其它方法形成于碳納米管結構164表面。該金屬片可以為銅片或鋁片等。該 金屬片或者金屬引線可以通過導電粘結劑固定于碳納米管結構164表面，或者通過螺釘、 夾板等固定在碳納米管結構。本發(fā)明實施例中采用真空蒸鍍法在碳納米管結構164兩端形 成兩條鈀膜，作為第一電極12及第二電極14。
所述第一電極12及一第二電極14還可以為一金屬性碳納米管層。該碳納米管層 設置于碳納米管結構164的表面。該碳納米管層可通過其自身的粘性或導電粘結劑固定于 碳納米管結構164的表面。該碳納米管層包括定向排列且均勻分布的金屬性碳納米管。具 體地，該碳納米管層包括至少一碳納米管膜或至少一碳納米管線。優(yōu)選地，所述金屬性碳納 米管層中至少部分碳納米管表面包覆一金屬層，從而提高該金屬性碳納米管層的導電性。 該在碳納米管層中碳納米管表面包覆金屬層的方法可以為真空蒸鍍、等離子濺射或物理氣 相沉積方法等?？梢岳斫猓谛纬傻谝浑姌O12及一第二電極14后，可進一步形成兩條導電引線， 分別與第一電極12及第二電極14的端部電連接，從第一電極12及一第二電極14引出至 外部電源。步驟三，提供一基體前驅體，將基體前驅體與碳納米管結構164復合，形成一加熱 元件16。所述基體前驅體的材料為該基體的材料、該基體材料所形成的溶液或制備該基體 材料的前驅反應物。該基體前驅體在一定溫度下應為液態(tài)或氣態(tài)。所述基體162的材料包括高分子材料或無機非金屬材料等。具體地，該有機高分 子材料可以包括熱塑性聚合物或熱固性聚合物中的一種或多種，故該基體前驅體的材料可 以為生成該熱塑性聚合物或熱固性聚合物的聚合物單體溶液，或該熱塑性聚合物或熱固性 聚合物在揮發(fā)性有機溶劑中溶解后形成的混合液。該碳納米管結構164直接浸泡于該液態(tài) 的基體前驅體后，將該基體前驅體固化，形成基體162與該碳納米管結構164復合。該無機非金屬材料可以包括玻璃、陶瓷及半導體材料中的一種或多種，故該基體 前驅體可以為無機非金屬材料顆粒制成的漿料、制備該無機非金屬材料的反應氣體或呈氣 態(tài)的該無機非金屬材料。具體地，可以采用真空蒸鍍、濺鍍、化學氣相沉積(CVD)以及物理 氣相沉積(PVD)的方法形成氣態(tài)的基體前驅體，并使該基體前驅體沉積在碳納米管結構 164的碳納米管表面。另外，可以將大量無機非金屬材料顆粒在溶劑中分散，形成一漿料作為該基體前驅體，并將該碳納米管結構164浸泡于該漿料中，并使溶劑蒸發(fā)，使該基體162 與該碳納米管結構164復合?？傊?，當該基體前驅體為液態(tài)時，該步驟三具體包括將該液態(tài)基體前驅體浸潤該 碳納米管結構164以及固化該基體前驅體的步驟，從而使該基體162滲透至該碳納米管結 構164的孔隙中，形成一加熱元件16 ；當該基體前驅體為氣態(tài)時，該步驟三具體包括沉積該 基體前驅體于碳納米管結構164的碳納米管表面的步驟，從而使該基體162充滿該碳納米 管結構164的孔隙中，形成一加熱元件16。本實施例采用注膠法將環(huán)氧樹脂基體材料與碳納米管結構164復合，形成一加熱 元件16，具體包括以下步驟
步驟(一)提供一液態(tài)熱固性高分子材料。所述液態(tài)熱固性高分子材料的粘度低于5帕·秒，并能在室溫下保持該粘度在30 分鐘以上。本發(fā)明實施例優(yōu)選以環(huán)氧樹脂制備液態(tài)熱固性高分子材料，其具體包括以下步 驟首先，將縮水甘油醚型環(huán)氧和縮水甘油酯型環(huán)氧的混合物置于一容器中，加熱至 30°C 60°C，并對容器中所述縮水甘油醚型環(huán)氧和縮水甘油酯型環(huán)氧的混合物攪拌10分 鐘，直至所述縮水甘油醚型環(huán)氧和縮水甘油酯型環(huán)氧的混合物混合均勻為止。其次，將脂肪胺和二縮水甘油醚加入到所述攪拌均勻的縮水甘油醚型環(huán)氧和縮水 甘油酯型環(huán)氧的混合物中進行化學反應。最后，將所述縮水甘油醚型環(huán)氧和縮水甘油酯型環(huán)氧的混合物加熱至30°C 60°C，從而得到一含環(huán)氧樹脂的液態(tài)熱固性高分子材料。步驟(二)采用所述液態(tài)熱固性高分子材料浸潤所述碳納米管結構162。本實施例中采用所述液態(tài)熱固性高分子材料浸潤所述碳納米管結構162的方法 包括以下步驟首先，將碳納米管結構162放置于一模具中。其次，將所述液態(tài)熱固性高分子材料注射進所述模具中，浸潤所述碳納米管結構 162。為了讓液態(tài)熱固性高分子材料充分浸潤所述碳納米管結構162，浸潤所述碳納米管結 構162的時間不能少于10分鐘?？梢岳斫?，將所述液態(tài)熱固性高分子材料浸潤所述碳納米管結構162的方法不限 注射的方法，所述液態(tài)熱固性高分子材料還可以通過毛細作用被吸入到所述碳納米管結構 162中，浸潤所述碳納米管結構162，或者將所述碳納米管結構162浸泡在所述液態(tài)熱固性 高分子材料中。步驟(三)固化上述被液態(tài)熱固性高分子材料浸潤的碳納米管結構162，得到一 碳納米管復合結構。本實施例含環(huán)氧樹脂的熱固性高分子材料的固化方法具體包括以下步驟首先，通過一加熱裝置將該模具加熱至50°C 70°C，在該溫度下含環(huán)氧樹脂的熱 固性高分子材料為液態(tài)，維持該溫度1小時 3小時，使得該熱固性高分子材料繼續(xù)吸熱以 增加其固化度。其次，繼續(xù)加熱該模具至80°C 100°C，在該溫度下維持1小時 3小時，使得所 述熱固性高分子材料繼續(xù)吸熱以增加其固化度。
再次，繼續(xù)加熱該模具至110°C 150°C，在該溫度下維持2小時 20小時，使得 所述熱固性高分子材料繼續(xù)吸熱以增加其固化度。最后，停止加熱，待該模具降溫至室溫后，脫?？傻靡惶技{米管復合結構。上述制備碳納米管復合結構的具體步驟可參見范守善等人于2007年12月14日 申請的申請?zhí)枮?00710125109.8的中國大陸專利申請“碳納米管復合材料的制備方法”。 為節(jié)省篇幅，僅引用于此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發(fā)明申請技術揭露的一部 分?？梢岳斫?，上述含環(huán)氧樹脂的熱固性高分子材料的固化方法也可以采用一次升溫 的方法，直接將溫度升至150°C，使熱固性高分子材料吸熱固化?？梢岳斫?，上述步驟二中形成第一電極12及一第二電極14的步驟可在形成該加 熱元件16之后進行。當該基體162僅填充于該碳納米管結構164的孔隙中，從而使碳納米 管部分暴露于加熱元件16表面時，可采用與步驟二相同的方法將該第一電極12及一第二 電極14直接形成于該加熱元件16表面。當該基體162全部包覆該碳納米管結構164時， 進一步包括一暴露所述碳納米管結構164于加熱元件16表面的步驟，該第一電極12及第 二電極14分別與暴露出的碳納米管結構164電連接。具體地，可采用一切割的步驟切割該 加熱元件16，以形成一切割面，從而使該碳 納米管結構164暴露于加熱元件16的切割面，進 而采用與步驟二相同的方法將該第一電極12及一第二電極14形成于該加熱元件16的切 割面，從而與該暴露出來的碳納米管結構164電連接。可以理解，當該碳納米管結構為線狀時，該第三實施例的加熱元件36的形成方法 可包括以下步驟首先，將該碳納米管線狀結構與所述基體前驅體復合，形成一碳納米管線狀復合 結構366 ；其次，將一個或多個該碳納米管線狀復合結構366排列，形成一二維的加熱元件 36。該碳納米管線狀復合結構366可相互編織、交叉、并排或盤繞形成一二維的加熱 元件36。當該碳納米管線狀復合結構366相互編織時，與織物類似地，該加熱元件36可保 持一面狀。該相互編織形成的加熱元件36可制成一加熱墊、加熱衣及加熱手套等。當該碳 納米管線狀復合結構366相互交叉、并排或盤繞時，該多個碳納米管線狀結構366之間可通 過粘結劑粘結，從而使該加熱元件36保持面狀。所述將碳納米管線狀結構與基體前驅體復合的方式與上述步驟三相同。該第一電極及第二電極可通過上述步驟二的方式形成于該加熱元件36表面。進 一步地，可通過一切割步驟暴露該碳納米管線狀結構于所述加熱元件36表面，進而將該第 一電極及第二電極形成于該暴露有碳納米管結構的表面上，從而使該第一電極及第二電極 與該碳納米管復合結構中的碳納米管形成電連接。可以理解，該制備方法可進一步包括以下可選擇步驟，從而制備一具有第二實施 例中的面熱源20 步驟四，提供一支撐體28，形成一熱反射層27于支撐體28的表面。在支撐體28的表面形成一熱反射層27可以通過涂覆或鍍膜的方法實現(xiàn)。具體 地，當該熱反射層27的材料為金屬鹽或金屬氧化物時，可將該金屬鹽或金屬氧化物的顆粒分散于溶劑中，形成一漿料，并將該漿料涂敷或絲網(wǎng)印刷于支撐體28表面，形成該熱反射 層27。根據(jù)金屬鹽或金屬氧化物的不同，該溶劑不應與金屬鹽或金屬氧化物發(fā)生化學反 應。另外，該熱反射層27也可通過電鍍、化學鍍、濺鍍、真空蒸鍍、化學氣相沉積或物理氣相 沉積等方法形成。本發(fā)明實施例采用物理氣相沉積法在陶瓷基板表面沉積一層三氧化二鋁 層，作為熱反射層27。步驟五，將加熱元件26設置于熱反射層27表面。該加熱元件26可通過一粘結劑固定于熱反射層27表面。另外，還可采用機械固定 的方法，如采用螺釘、夾板等固定裝置，將加熱元件26四角或四邊固定于熱反射層27表面。步驟六，形成一保護層25于所述加熱元件26的外表面，形成一面熱源20。
該保護層25可直接通過粘結劑或機械固定的方法固定于加熱元件26表面。另 夕卜，當該保護層25的材料為一熱塑性聚合物時，可將該熱塑性聚合物在高溫下于融化狀態(tài) 涂敷或包裹于加熱元件26表面，待低溫時固化形成該保護層25。另外，當該保護層25為一 柔性聚合物，如一聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜時，可通過一熱壓步驟，將該保護層25與 該加熱元件26疊加并熱壓，使保護層25與加熱元件26牢固結合。所述的面熱源及其制備方法具有以下優(yōu)點第一，由于該碳納米管結構為一自支 撐結構，且碳納米管在碳納米管結構中均勻分布，將該自支撐的碳納米管結構與基體直接 復合，可使復合后形成的加熱元件中碳納米管仍相互結合保持一碳納米管結構的形態(tài)，從 而使加熱元件中碳納米管既能均勻分布形成導電網(wǎng)絡，又不受碳納米管在溶液中分散濃度 的限制，使碳納米管在加熱元件中的質量百分含量可以達到99 %，使該熱源具有更高的加 熱性能。另外，該基體材料的種類不限于聚合物，使該熱源的應用范圍更加廣泛。第二，由于 碳納米管具有較好的強度及韌性，碳納米管結構的強度較大，柔性較好，不易破裂，使其具 有較長的使用壽命，特別的，當該碳納米管結構與柔性基體復合形成加熱元件時，可制備一 柔性熱源，使該熱源具有更廣的應用范圍。第三，碳納米管結構中的碳納米管均勻分布，因 此具有均勻的厚度及電阻，發(fā)熱均勻，碳納米管的電熱轉換效率高，且該碳納米管結構的單 位面積熱容小于2X10—4焦耳每平方厘米開爾文，所以該面熱源具有升溫迅速、熱滯后小、 熱響應速度快、熱交換速度快及輻射效率高的特點。第四，碳納米管的直徑較小，使得碳納 米管結構可以具有較小的厚度，可以制備微型面熱源，應用于微型器件的加熱。第五，當碳 納米管結構包括碳納米管拉膜時，該碳納米管拉膜可通過從碳納米管陣列中拉取得到，方 法簡單且有利于大面積面熱源的制作，且該碳納米管拉膜中，碳納米管沿同一方向擇優(yōu)取 向排列，具有較好的導電性能，使該熱源具有較好的加熱性能，另外，該碳納米管拉膜具有 一定透明度，可用于制備一透明熱源。第六，該碳納米管線可用于編織形成各種形狀的加熱 元件，從而制備各種形狀的面熱源。第七，該碳納米管絮化膜及碳納米管碾壓膜具有較好的 韌性，制備方法簡單。第八，該形成自支撐的碳納米管結構，并將該碳納米管結構與基體直 接復合形成加熱元件的方法簡單，且碳納米管在加熱元件中的含量可方便的控制。與基體 復合后，該碳納米管結構仍能保持原有的形態(tài)，具有與純碳納米管結構相當?shù)陌l(fā)熱性能。第 九，該碳納米管結構可有選擇的設置于一具有特定形狀的基體中的某一位置，從而實現(xiàn)局 部選擇性加熱，適應不同領域的需求。另外，本領域技術人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，當然，這些依據(jù)本發(fā)明精 神所做的變化，都應包含在本發(fā)明所要求保護的范圍之內(nèi)。
權利要求
一種面熱源，包括一加熱元件，該加熱元件包括基體及多個碳納米管分布于該基體中；以及至少兩電極間隔設置并與該加熱元件電連接，其特征在于，該加熱元件中的多個碳納米管組成至少一自支撐的碳納米管結構，該碳納米管結構中的碳納米管無序排列、沿同一方向擇優(yōu)取向排列或沿不同方向擇優(yōu)取向排列。
2.如權利要求1所述的面熱源，其特征在于，所述碳納米管結構包括至少一碳納米管膜。
3.如權利要求2所述的面熱源，其特征在于，所述碳納米管結構包括多個碳納米管膜 層疊設置或多個碳納米管膜并排設置。
4.如權利要求2所述的面熱源，其特征在于，所述碳納米管膜為通過碾壓一碳納米管 陣列獲得，所述碳納米管膜中的碳納米管與形成碳納米管陣列的生長基底的表面形成一夾 角β，其中，β大于等于O度且小于等于15度。
5.如權利要求2所述的面熱源，其特征在于，所述碳納米管膜中碳納米管沿一個電極 向另一個電極延伸。
6.如權利要求2所述的面熱源，其特征在于，所述碳納米管膜的厚度為1微米至1毫米。
7.如權利要求1所述的面熱源，其特征在于，所述碳納米管結構的單位面積熱容小于 2 X 10_4焦耳每平方厘米開爾文。
8.如權利要求1所述的面熱源，其特征在于，所述至少兩電極分別與所述碳納米管結 構電連接。
9.如權利要求1所述的面熱源，其特征在于，所述加熱元件包括多個碳納米管結構相 互間隔或相互接觸的設置于所述基體中。
10.如權利要求1所述的面熱源，其特征在于，所述基體的材料為有機高分子材料或無 機非金屬材料。
11.如權利要求1所述的面熱源，其特征在于，所述面熱源進一步包括一支撐體，所述 加熱元件至少部分通過該支撐體支撐，該支撐體的材料為柔性材料或硬性材料。
12.如權利要求11所述的面熱源，其特征在于，所述面熱源進一步包括一熱反射層，所 述熱反射層設置在所述加熱元件與支撐體之間或者設置在所述支撐體遠離加熱元件的表面。
13.一種面熱源，包括一加熱元件以及至少兩電極間隔設置并與該加熱元件電連接，其特征在于該加熱元 件包括至少一自支撐的碳納米管結構，以及基體材料復合于該碳納米管結構中，該碳納米 管結構中的碳納米管無序排列、沿同一方向擇優(yōu)取向排列或沿不同方向擇優(yōu)取向排列。
14.如權利要求13所述的面熱源，其特征在于，所述碳納米管結構具有多個微孔，所述 基體材料均勻復合于所述碳納米管結構的微孔中。
15.如權利要求14所述的面熱源，其特征在于，所述微孔孔徑小于10微米。
16.一種面熱源，包括一加熱元件，該加熱元件包括一碳納米管復合結構；以及至少兩電極間隔設置并與該加熱元件電連接，其特征在于，該碳納米管復合結構包括一基體以及至少一自支撐的碳納米管結構與該基體復合，該碳納米管結構中的碳納米管無序排列、沿同一方向擇優(yōu)取向排列或沿不同方 向擇優(yōu)取向排列。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種面熱源，包括一加熱元件，該加熱元件包括基體及多個碳納米管分布于該基體中；以及至少兩電極間隔設置并與該加熱元件電連接，其中，該加熱元件中的多個碳納米管組成至少一自支撐的碳納米管結構，該碳納米管結構中的碳納米管無序排列、沿同一方向擇優(yōu)取向排列或沿不同方向擇優(yōu)取向排列。該面熱源可以用于制造自發(fā)熱的取暖服、取暖手套或取暖鞋、電加熱器、紅外治療儀、電暖器等，具有廣泛的應用范圍。
文檔編號H05B3/14GK101868067SQ20091010680
公開日2010年10月20日 申請日期2009年4月20日 優(yōu)先權日2009年4月20日
發(fā)明者劉長洪, 姜開利, 王佳平, 范守善 申請人:清華大學;鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司