CN101868068B - 面热源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面热源，包括：一加热元件，该加热元件包括一基体及多个碳纳米管分布于该基体中；以及至少两电极间隔设置并与该加热元件电连接，其中，该多个碳纳米管组成至少一自支撑的碳纳米管线状结构。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，具有广泛的应用范围。

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，将待加热物体置于该二维结构的上方对物体进行加热，因此，面热源可对待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，并与该加热元件电连接。当通过电极向加热元件通入电压或电流时，由于加热元件具有较大电阻，通入加热元件的电能转换成热能，并从加热元件释放出来。现在市售的面热源通常采用金属丝或碳纤维制成的电热丝作为加热元件进行电热转换。

然而，金属丝或碳纤维均具有强度不高、电热转换效率较低以及质量较大的缺点。金属丝易于折断，特别是多次弯曲或绕折成一定角度时易产生疲劳，因此应用受到限制。另外，以金属丝或碳纤维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，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。碳纤维及金属丝的质量均较大，不利于使热源轻型化。同时，碳纤维尺寸不够小，不利于应用于微型热源。

自九十年代初以来，以碳纳米管(请参见Helical microtubules of graphiticcarbon，Nature，Sumio Iijima，vol 354，p56(1991))为代表的纳米材料以其独特的结构和性质引起了人们极大的关注。近几年来，随着碳纳米管及纳米材料研究的不断深入，其广阔的应用前景不断显现出来。范守善等人于2007年12月19日公开的一件中国专利申请第CN101090586A号中公开了一种纳米柔性电热材料。该电热材料包括一柔性基体及分散在所述柔性基体中的多个碳纳米管。该多个碳纳米管以粉末态存在，彼此间结合力很弱，无法形成一具有特定形状的自支撑结构。将该粉末态的碳纳米管与聚合物溶液混合时，该粉末态的碳纳米管极易团聚，从而导致碳纳米管在基体中分散不均匀。为了避免碳纳米管在聚合物溶液中分散时的团聚现象，一方面，在分散的过程中需要通过超声波振荡处理该碳纳米管与聚合物溶液的混合物，另一方面，该电热材料中碳纳米管的质量百分含量不能太高，仅为0.1～4％。

而且，碳纳米管在经过上述分散处理之后，即使碳纳米管彼此间能够相互接触，其结合力也较弱，无法形成一自支撑的碳纳米管结构。由于碳纳米管含量少，热电材料的热响应速度不够快，电热转换效率不够高，故该电热材料的发热温度不够高，限制了其应用范围。另外，为了使碳纳米管在液相中分散，制备电热材料时，其柔性基体只能选择聚合物材料，聚合物材料耐热温度较低，此种采用在液相中分散碳纳米管形成电热材料的方法限制了基体材料的选择。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种电热转换效率较高，发热温度范围较宽的面热源。

一种面热源，包括：一加热元件，该加热元件包括一基体及多个碳纳米管分布于该基体中；以及至少两电极间隔设置并与该加热元件电连接，其中，该多个碳纳米管组成至少一自支撑的碳纳米管线状结构。

一种面热源，包括：一加热元件以及至少两电极间隔设置并与该加热元件电连接，其中：该加热元件包括多个碳纳米管，以及一基体材料，该多个碳纳米管通过范德华力的作用形成一体的自支撑的碳纳米管线状结构，该基体材料与该碳纳米管线状结构相复合。

一种面热源，其特征在于，其包括：一加热元件，该加热元件包括至少一碳纳米管线状复合结构；以及至少两电极间隔设置并与该加热元件电连接，该碳纳米管线状复合结构包括一基体以及多个碳纳米管，该多个碳纳米管形成一自支撑的碳纳米管线状结构并与该基体复合。

与现有技术相比较，所述的面热源由于采用自支撑结构的碳纳米管线状结构，且碳纳米管在碳纳米管线状结构中均匀分布，将该自支撑的碳纳米管线状结构与基体直接复合，无需解决碳纳米管的分散问题，碳纳米管的含量不受限制，可使复合后形成的加热元件中碳纳米管仍相互结合保持一碳纳米管线状结构的形态，使该热源具有更佳的加热性能。另外，该基体材料的种类不限于聚合物，温度范围宽，使该热源的应用范围更加广泛。碳纳米管线状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，所以该面热源具有升温迅速、热滞后小、热交换速度快、辐射效率高的特点。

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沿II-II线的剖面示意图。

图3为本发明实施例包括多个相互交叉的碳纳米管线状结构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状结构的面热源的结构示意图。

图5为本发明实施例面热源中的碳纳米管拉膜结构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碳纳米管拉膜结构的扫描电镜照片。

图7为本发明实施例面热源中的碳纳米管絮化膜结构的扫描电镜照片。

图8为本发明实施例面热源中的碳纳米管碾压膜结构中碳纳米管沿不同方向择优取向排列的扫描电镜照片。

图9为本发明实施例面热源中的碳纳米管碾压膜结构中碳纳米管沿同一方向择优取向排列的扫描电镜照片。

图10为本发明实施例面热源中的非扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。

图11为本发明实施例面热源中的扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。

图12为本发明实施例面热源中的碳纳米管拉膜与环氧树脂复合形成的加热元件的截断面扫描电镜照片。

图13为本发明实施例包括多个相互间隔的碳纳米管结构的面热源的结构示意图。

图14为使用图12中的加热元件在不同电压下的温度变化曲线。

图15为本发明第二实施例的面热源的结构示意图。

图16为图15沿XVI-XVI线的剖面示意图。

图17为本发明第三实施例的面热源的结构示意图。

图18为本发明实施例面热源制备方法的流程图。

图19为本发明实施例面热源制备方法的碳纳米管絮状结构的照片。

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，用于使所述加热元件16接通电源从而流过电流。

所述加热元件16包括一碳纳米管复合结构，该碳纳米管复合结构包括一基体162及至少一碳纳米管结构164与该基体162复合。具体地，该碳纳米管结构164包括多个孔隙，该基体162的材料渗透入该碳纳米管结构164的多个孔隙中，从而形成一碳纳米管复合结构。当该基体162的体积较大时，该碳纳米管结构164设置于基体162中，并被该基体162完全包覆。该加热元件16为一层状结构，具体地，该加热元件16可以为一平面结构或曲面结构。本实施例中，该基体162为一板状长方体，该碳纳米管结构164完全嵌于该基体162中。

该碳纳米管结构164为一自支撑结构。所谓“自支撑结构”即该碳纳米管结构164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164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164具有特定的形状，以形成一一体的自支撑的碳纳米管结构。本实施例中，该碳纳米管结构164为二维面状或一维线状结构。由于该碳纳米管结构164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。该碳纳米管结构164中碳纳米管之间具有大量间隙，从而使该碳纳米管结构164具有大量孔隙，该基体162材料渗入该孔隙中。

所述碳纳米管结构164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164中的碳纳米管为无序或有序排列。这里的无序指碳纳米管的排列方向无规律，这里的有序指至少多数碳纳米管的排列方向具有一定规律。具体地，当碳纳米管结构164包括无序排列的碳纳米管时，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164各向同性；当碳纳米管结构164包括有序排列的碳纳米管时，碳纳米管沿一个方向或者多个方向择优取向排列。该碳纳米管结构164的厚度优选为0.5纳米～1毫米。该碳纳米管结构164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164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164的热响应速度与其厚度有关。在相同面积的情况下，碳纳米管结构164的厚度越大，热响应速度越慢；反之，碳纳米管结构164的厚度越小，热响应速度越快。由于该碳纳米管结构164由纯碳纳米管组成，因此该碳纳米管结构164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164具有较快的热响应速度。

具体地，该碳纳米管结构164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线状结构组成的复合结构。可以理解，当所述碳纳米管结构164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。请参阅图3，当所述碳纳米管结构164包括多个碳纳米管线状结构时，该多个碳纳米管线状结构可以相互平行、并排或交叉设置成一二维的碳纳米管结构164或相互缠绕或编织成一二维的碳纳米管结构164。另外，请参阅图4，当该碳纳米管结构164可通过一碳纳米管线状结构弯折盘绕成一二维的碳纳米管结构164。

该碳纳米管膜包括碳纳米管拉膜、碳纳米管絮化膜或碳纳米管碾压膜。该碳纳米管线状结构可以包括至少一个碳纳米管线、多个碳纳米管线平行排列组成的束状结构或多个碳纳米管线扭转组成的绞线结构。

所述碳纳米管结构164可包括至少一碳纳米管拉膜，该碳纳米管拉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。每一碳纳米管拉膜包括多个沿同一方向择优取向且平行于碳纳米管拉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，以形成一一体的自支撑的碳纳米管拉膜。请参阅图5及图6，具体地，每一碳纳米管拉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。所述碳纳米管拉膜的厚度为0.5纳米～100微米，宽度与拉取该碳纳米管拉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164由碳纳米管拉膜组成，且碳纳米管结构164的厚度比较小时，例如小于10微米，该碳纳米管结构164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164包括层叠设置的多层碳纳米管拉膜时，相邻两层碳纳米管拉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°)。所述多个碳纳米管拉膜之间或一个碳纳米管拉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164中形成多个孔隙，孔隙的孔径尺寸约小于10微米。所述碳纳米管拉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164包括多个沿相同方向层叠设置的碳纳米管拉膜，从而使碳纳米管结构164中碳纳米管均沿同一方向择优取向排列。

所述碳纳米管结构164可包括至少一碳纳米管絮化膜，该碳纳米管絮化膜包括相互缠绕且均匀分布的碳纳米管。碳纳米管的长度大于10微米，优选为200～900微米，从而使碳纳米管相互缠绕在一起。所述碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构，以形成一一体的自支撑的碳纳米管絮化膜。所述碳纳米管絮化膜各向同性。所述碳纳米管絮化膜中的碳纳米管为均匀分布，无规则排列，形成大量的孔隙结构，孔隙孔径约小于10微米。所述碳纳米管絮化膜的长度和宽度不限。请参阅图7，由于在碳纳米管絮化膜中，碳纳米管相互缠绕，因此该碳纳米管絮化膜具有很好的柔韧性，且为一自支撑结构，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。所述碳纳米管絮化膜的面积及厚度均不限，厚度为1微米～1毫米，优选为100微米。所述碳纳米管絮化膜的具体结构及其制备方法请参见范守善等人于2007年4月13日申请的第200710074027.5号中国大陆专利申请(碳纳米管膜的制备方法，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。

所述碳纳米管结构164可包括至少一碳纳米管碾压膜，该碳纳米管碾压膜包括均匀分布的碳纳米管。所述碳纳米管无序，沿同一方向或不同方向择优取向排列。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管相互部分交叠，并通过范德华力相互吸引，紧密结合，使得该碳纳米管结构具有很好的柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。且由于碳纳米管碾压膜中的碳纳米管之间通过范德华力相互吸引，紧密结合，使碳纳米管碾压膜为一一体的自支撑的结构。所述碳纳米管碾压膜可通过碾压一碳纳米管阵列获得。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管与形成碳纳米管阵列的生长基底的表面形成一夹角β，其中，β大于等于0度且小于等于15度(0≤β≤15°)，该夹角β与施加在碳纳米管阵列上的压力有关，压力越大，该夹角越小，优选地，该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管平行于该生长基底排列。该碳纳米管碾压膜为通过碾压一碳纳米管阵列获得，依据碾压的方式不同，该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管具有不同的排列形式。请参阅图8，当沿不同方向碾压时，碳纳米管沿不同方向择优取向排列。请参阅图9，当沿同一方向碾压时，碳纳米管沿一固定方向择优取向排列。另外，当碾压方向为垂直该碳纳米管阵列表面时，该碳纳米管可以无序排列。该碳纳米管碾压膜中碳纳米管的长度大于50微米。

该碳纳米管碾压膜的面积和厚度不限，可根据实际需要选择。该碳纳米管碾压膜的面积与碳纳米管阵列的尺寸基本相同。该碳纳米管碾压膜厚度与碳纳米管阵列的高度以及碾压的压力有关，可为1微米～1毫米。可以理解，碳纳米管阵列的高度越大而施加的压力越小，则制备的碳纳米管碾压膜的厚度越大；反之，碳纳米管阵列的高度越小而施加的压力越大，则制备的碳纳米管碾压膜的厚度越小。所述碳纳米管碾压膜之中的相邻的碳纳米管之间具有一定间隙，从而在碳纳米管碾压膜中形成多个孔隙，孔隙的孔径约小于10微米。所述碳纳米管碾压膜的具体结构及其制备方法请参见范守善等人于2007年6月1日申请的第200710074699.6号中国大陆专利申请(碳纳米管膜的制备方法，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。

所述碳纳米管结构164可包括至少一碳纳米管线。该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。请参阅图10，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。请参阅图11，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。另外，该碳纳米管线中相邻碳纳米管间存在间隙，故该碳纳米管线具有大量孔隙，孔隙的孔径约小于10微米。

所述基体162的材料可以选择为高分子材料或无机非金属材料等。该基体162或形成该基体162的前驱体在一定温度下为液态或气态，从而使该基体162或该基体162的前驱体在面热源10的加热元件16的制备过程中能够渗透到该碳纳米管结构164的间隙或孔隙中，并形成一固态基体162与碳纳米管结构164相结合的复合结构。该基体162的材料应具有一定的耐热性能，使其在该面热源10的工作温度内不致受热破坏、变形、熔化、气化或分解。

具体地，该高分子材料可以包括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。该无机非金属材料可以包括玻璃、陶瓷及半导体材料中的一种或多种。本发明实施例中，该基体162的材料为环氧树脂。

请参阅图12，由于该碳纳米管结构164中碳纳米管间具有间隙，从而在碳纳米管结构164中形成多个孔隙，且该基体162或形成该基体162的前驱体在一定温度下为液态或气态，从而使该基体162与该碳纳米管结构164复合时可以渗入该碳纳米管结构164的孔隙内部。图12为沿平行于碳纳米管拉膜中碳纳米管的排列方向拉伸该加热元件16至该加热元件16断裂后，得到的该加热元件16的截断面照片，可以发现，与环氧树脂复合后，该碳纳米管结构164仍能基本保持复合前的形态，碳纳米管在环氧树脂内基本沿同一方向择优取向排列。

该基体162可只填充于所述碳纳米管结构164的孔隙中，也可以如图2所示进一步完全包覆整个碳纳米管结构164。请参阅图13，当该加热元件16包括多个碳纳米管结构164时，该多个碳纳米管结构164可相互间隔(或相互接触)的设置于该基体162中。当该碳纳米管结构164为二维结构时，该二维结构可相互间隔或相互接触的并排设置或层叠设置在基体162中；当该碳纳米管结构164为线状结构时，该线状结构可相互间隔或相互接触的设置在基体162中。当该碳纳米管结构164间隔设置于基体162中时，可以节省制备该加热元件16所需的碳纳米管结构164的用量。另外，可视实际需要将碳纳米管结构164设置在基体162的特定位置，从而使该加热元件16在不同位置具有不同的加热温度。

可以理解，所述基体162渗透于碳纳米管结构164的孔隙中，可以起到固定该碳纳米管结构164中的碳纳米管的作用，使在使用时碳纳米管结构164中的碳纳米管不致因外力摩擦或刮划而脱落。当所述基体162包覆整个碳纳米管结构164时，该基体162可进一步保护该碳纳米管结构164。当该基体162为绝缘性的有机高分子材料或无机非金属材料时，该基体162同时保证该加热元件16与外部绝缘。另外，该基体162可进一步起到导热及使热量分布均匀的目的。进一步地，当该碳纳米管结构164急剧升温时，该基体162可以起到缓冲热量的作用，使该加热元件16的温度变化较为柔和。该基体162的材料可采用柔性高分子材料，从而可以增强整个面热源10的柔性与韧性。

可以理解，由于该碳纳米管在碳纳米管结构164中均匀分布，通过将基体162与自支撑的碳纳米管结构164直接复合形成加热元件16，可使碳纳米管在加热元件16中均匀分布，且碳纳米管的含量达到99％，提高了热源10的发热温度。由于该碳纳米管结构164为一自支撑结构，且碳纳米管在碳纳米管结构164中均匀分布，将该自支撑的碳纳米管结构164与基体162直接复合，可使复合后形成的加热元件16中碳纳米管仍相互结合保持一碳纳米管结构164的形态，从而使加热元件16中碳纳米管既能均匀分布形成导电网络，又不受碳纳米管在溶液中分散浓度的限制，使碳纳米管在加热元件16中的质量百分含量可以达到99％。

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中的碳纳米管结构164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。

具体地，当该加热元件16的基体162只填充于该碳纳米管结构164的孔隙中时，由于该碳纳米管结构164中部分碳纳米管部分暴露于加热元件16表面，该第一电极12和第二电极14可以设置在加热元件16的表面，从而使该第一电极12和第二电极14与碳纳米管结构164电连接。该第一电极12和第二电极14可以设置在加热元件16的同一表面也可以设置在加热元件16的不同表面。另外，当该加热元件16的基体162包覆整个碳纳米管结构164时，为使该第一电极12和第二电极14与该碳纳米管结构164电连接，该第一电极12和第二电极14可设置于加热元件16的基体162中，并直接与碳纳米管结构164接触。此时，为使该第一电极12和第二电极14与外部电源导通，该第一电极12和第二电极14可部分暴露于加热元件16之外；或者，该热源10可进一步包括两条引线，分别与该第一电极12和第二电极14电连接，并从该基体162内部引出。

当该碳纳米管结构164中碳纳米管有序排列时，优选地，该碳纳米管的排列方向沿第一电极12至第二电极14延伸。具体地，当该碳纳米管结构164包括至少一碳纳米管拉膜时，所述第一电极12及第二电极14设置于该碳纳米管拉膜的两端，使碳纳米管拉膜中碳纳米管首尾相连从第一电极12延伸至第二电极14。当该碳纳米管结构164包括多个平行排列的碳纳米管线状结构时，与电阻丝相似的，该碳纳米管线状结构两端分别与该第一电极12与第二电极14电连接。

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或碳纳米管结构164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164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164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中碳纳米管结构164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164之间形成电接触都在本发明的保护范围内。

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164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。

本发明实施例中的面热源10在碳纳米管结构164的面积大小一定时，通过调节电源电压大小和碳纳米管结构164的厚度，可以辐射出不同波长范围的电磁波。具体地，该碳纳米管结构164可以产生一红外线热辐射。电源电压的大小一定时，碳纳米管结构164的厚度和面热源10辐射出电磁波的波长的变化趋势相反。即当电源电压大小一定时，碳纳米管结构164的厚度越厚，面热源10辐射出电磁波的波长越短；碳纳米管结构164的厚度越薄，面热源10辐射出电磁波的波长越长。碳纳米管结构164的厚度一定时，电源电压的大小和面热源10辐射出电磁波的波长成反比。即当碳纳米管结构164的厚度一定时，电源电压越大，面热源10辐出电磁波的波长越短；电源电压越小，面热源10辐射出电磁波的波长越长。可以理解，该面热源10在应用时应根据基体162的材料通过一电路限制施加在第一电极12及第二电极14两端的电压大小，使碳纳米管结构164的发热温度控制在该基体162能耐受的温度范围内。例如，当该基体162的材料为有机高分子聚合物时，该电压范围为0～10伏，该面热源10的发热温度为120℃以下，并低于该高分子聚合物的熔点。当该基体162的材料为陶瓷时，该电压范围为10伏～30伏，该面热源10的发热温度为120℃～500℃。请参阅图14，本发明实施例通过测量100层碳纳米管拉膜相互层叠形成的碳纳米管结构164与环氧树脂基体162复合形成的加热元件16的面热源10，可以发现对该面热源10施加电压越高，该面热源10升温越快，发热温度越高。

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。在另一实施例中，基体162采用耐热材料时，将该面热源10暴露在氧化性气体或者大气的环境中，其中碳纳米管结构164的厚度为5毫米，通过在10伏～30伏调节电源电压，该面热源10可以辐射出波长较长的电磁波。通过温度测量仪发现该面热源10的温度为50℃～500℃。对于具有黑体结构的物体来说，其所对应的温度为200℃～450℃时就能发出人眼看不见的热辐射(红外线)，此时的热辐射最稳定、效率最高。应用该碳纳米管结构164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164的厚度较小，为一透明的碳纳米管结构164，且该基体162的材料为透明的有机或无机材料时，该面热源10为一透明面热源10。另外，当该面热源10的加热元件16中的基体162由柔性的聚合物材料制成时，该面热源10为一柔性面热源10。进一步地，由于该聚合物材料的基体162可以通过模压法形成各种形状，且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15及图16，本发明第二实施例提供一种面热源20，该面热源20包括一加热元件26、一第一电极22及一第二电极24。该加热元件26包括一基体262及至少一碳纳米管结构264设置于基体262中。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进一步包括一支撑体28、一热反射层27以及一保护层25。所述热反射层27设置于支撑体28的表面。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。所述保护层25设置于所述加热元件26的表面，用于避免所述加热元件26吸附外界杂质。所述支撑体28、热反射层27以及保护层25均为可选择结构。进一步地，该面热源20包括两条电极引线29，分别与所述第一电极22和第二电极24相连，从嵌于基体262中的第一电极22和第二电极24引出至基体262外。

所述支撑体28形状不限，其具有一表面用于支撑加热元件16或者热反射层27。该表面可以为平面或曲面。优选地，所述支撑体28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，支撑体28的大小不限，可依据实际需要进行改变。本实施例优选的支撑体28为一陶瓷基板。

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，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。

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，尤其当该加热元件26中基体262仅填充于碳纳米管结构264的孔隙中时，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除所述第一电极22及第二电极24外与外部绝缘。

请参阅图17，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为一二维结构，即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状复合结构366。该多个碳纳米管线状复合结构366相互编织形成二维的加热元件36。该碳纳米管线状复合结构366为将一碳纳米管线状结构与一基体材料复合得到。该基体材料填充于该碳纳米管线状结构的孔隙中。该碳纳米管复合线状结构366可方便地直接编织成各种形状的加热元件36。该基体材料优选为柔性的聚合物。

请参阅图18，本发明实施例提供一种面热源10的制备方法，其包括以下步骤：

步骤一，提供一碳纳米管结构164，该碳纳米管结构164包括多个孔隙。

根据碳纳米管结构164的不同，所述碳纳米管结构164的制备方法包括：直接拉膜法、碾压法、絮化法等。本实施例中，该碳纳米管结构164可以为一维结构也可以为二维结构。下面将对上述几种碳纳米管结构164的制备方法进行分别叙述。

(一)当该碳纳米管结构164包括至少一碳纳米管拉膜，该碳纳米管结构164的制备方法具体包括以下步骤：

首先，提供一碳纳米管阵列形成于一生长基底，该阵列为超顺排的碳纳米管阵列。

该碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括：(a)提供一平整生长基底，该生长基底可选用P型或N型硅生长基底，或选用形成有氧化层的硅生长基底，本发明实施例优选为采用4英寸的硅生长基底；(b)在生长基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一；(c)将上述形成有催化剂层的生长基底在700℃～900℃的空气中退火约30分钟～90分钟；(d)将处理过的生长基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500℃～740℃，然后通入碳源气体反应约5分钟～30分钟，生长得到碳纳米管阵列。该碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于生长基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件，该定向排列的碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。

本发明实施例提供的碳纳米管阵列为单壁碳纳米管阵列、双壁碳纳米管阵列及多壁碳纳米管阵列中的一种。所述碳纳米管的直径为1～50纳米，长度为50纳米～5毫米。本实施例中，碳纳米管的长度优选为100～900微米。

本发明实施例中碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等化学性质较活泼的碳氢化合物，本发明实施例优选的碳源气为乙炔；保护气体为氮气或惰性气体，本发明实施例优选的保护气体为氩气。

可以理解，本发明实施例提供的碳纳米管阵列不限于上述制备方法，也可为石墨电极恒流电弧放电沉积法、激光蒸发沉积法等。

其次，采用一拉伸工具从碳纳米管阵列中拉取碳纳米管获得至少一碳纳米管拉膜，其具体包括以下步骤：(a)从所述超顺排碳纳米管阵列中选定一个或具有一定宽度的多个碳纳米管，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带、镊子或夹子接触碳纳米管阵列以选定一个或具有一定宽度的多个碳纳米管；(b)以一定速度拉伸该选定的碳纳米管，从而形成首尾相连的多个碳纳米管片段，进而形成一连续的碳纳米管膜。该拉取方向沿基本垂直于碳纳米管阵列的生长方向。

在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离生长基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管片段分别与其它碳纳米管片段首尾相连地连续地被拉出，从而形成一连续、均匀且具有一定宽度的碳纳米管膜。该碳纳米管膜包括多个首尾相连的碳纳米管，该碳纳米管基本沿拉伸方向排列。请参阅图5及图6，该碳纳米管膜包括多个择优取向排列的碳纳米管145。进一步地，所述碳纳米管膜包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管片段143，碳纳米管片段143两端通过范德华力相互连接。该碳纳米管片段143包括多个相互平行排列的碳纳米管145。该直接拉伸获得碳纳米管膜的方法简单快速，适宜进行工业化应用。

该碳纳米管膜的宽度与碳纳米管阵列的尺寸有关，该碳纳米管膜的长度不限，可根据实际需求制得。当该碳纳米管阵列的面积为4英寸时，该碳纳米管膜的宽度为0.5纳米～10厘米，该碳纳米管膜的厚度为0.5纳米～100微米。

最后，利用上述碳纳米管拉膜制备碳纳米管结构164。

该碳纳米管拉膜可以作为一碳纳米管结构164使用。进一步，还可以将至少两个碳纳米管拉膜平行无间隙或/和层叠铺设得到一碳纳米管结构164。由于该碳纳米管拉膜具有较大的比表面积，因此该碳纳米管拉膜具有较大粘性，故多层碳纳米管膜可以相互紧密结合形成一碳纳米管结构164。该碳纳米管结构164中，碳纳米管拉膜的层数不限，且相邻两层碳纳米管拉膜之间具有一交叉角度α，0°≤α≤90°，具体可依据实际需求制备。所述碳纳米管膜可沿一个电极至另一个电极方向铺设，从而使碳纳米管膜中碳纳米管沿一个电极至另一个电极方向延伸

本实施例中，进一步包括用有机溶剂处理碳纳米管结构164的步骤，该有机溶剂为挥发性有机溶剂，可选用乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷和氯仿中一种或者几种的混合，本实施例中的有机溶剂采用乙醇。该使用有机溶剂处理的步骤具体为：将该碳纳米管结构164设置于一基底表面或一框架结构上，通过试管将有机溶剂滴落在碳纳米管结构164表面浸润整个碳纳米管结构164，或者，也可将上述碳纳米管结构164浸入盛有有机溶剂的容器中浸润。所述的碳纳米管结构164经有机溶剂浸润处理后，当碳纳米管膜的层数较少时，在表面张力的作用下，碳纳米管膜中相邻的碳纳米管会收缩成间隔分布的碳纳米管线。而当碳纳米管膜的层数较多时，有机溶剂处理后的多层碳纳米管膜为一均匀的膜结构。有机溶剂处理后，碳纳米管结构164的粘性降低，更便于使用。

(二)当该碳纳米管结构164包括至少一碳纳米管絮化膜，该碳纳米管结构164的制备方法包括以下步骤：

首先，提供一碳纳米管原料。

所述碳纳米管原料可以为通过化学气相沉积法、石墨电极恒流电弧放电沉积法或激光蒸发沉积法等各种方法制备的碳纳米管。

本实施例中，采用刀片或其他工具将上述定向排列的碳纳米管阵列从基底刮落，获得一碳纳米管原料。优选地，所述的碳纳米管原料中，碳纳米管的长度大于100微米。

其次，将上述碳纳米管原料添加到一溶剂中并进行絮化处理获得一碳纳米管絮状结构，将上述碳纳米管絮状结构从溶剂中分离，并对该碳纳米管絮状结构定型处理以获得一碳纳米管膜。

本发明实施例中，溶剂可选用水、易挥发的有机溶剂等。絮化处理可通过采用超声波分散处理或高强度搅拌等方法。优选地，本发明实施例采用超声波分散10分钟～30分钟。由于碳纳米管具有极大的比表面积，相互缠绕的碳纳米管之间具有较大的范德华力。上述絮化处理并不会将该碳纳米管原料中的碳纳米管完全分散在溶剂中，碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构。

本发明实施例中，所述的分离碳纳米管絮状结构的方法具体包括以下步骤：将上述含有碳纳米管絮状结构的溶剂倒入一放有滤纸的漏斗中；静置干燥一段时间从而获得一分离的碳纳米管絮状结构，图19为该碳纳米管絮状结构的照片。

本发明实施例中，所述的碳纳米管絮状结构的定型处理过程具体包括以下步骤：将上述碳纳米管絮状结构置于一容器中；将该碳纳米管絮状结构按照预定形状摊开；施加一定压力于摊开的碳纳米管絮状结构；以及，将该碳纳米管絮状结构中残留的溶剂烘干或等溶剂自然挥发后获得一碳纳米管絮化膜，图7为该碳纳米管絮化膜的扫描电镜照片。

可以理解，本发明实施例可通过控制该碳纳米管絮状结构摊开的面积来控制该碳纳米管絮化膜的厚度和面密度。碳纳米管絮状结构摊开的面积越大，则该碳纳米管絮化膜的厚度和面密度就越小。本发明实施例中获得的碳纳米管絮化膜，该碳纳米管絮化膜的厚度为1微米-2毫米。

另外，上述分离与定型处理碳纳米管絮状结构的步骤也可直接通过抽滤的方式实现，具体包括以下步骤：提供一微孔滤膜及一抽气漏斗；将上述含有碳纳米管絮状结构的溶剂经过该微孔滤膜倒入该抽气漏斗中；抽滤并干燥后获得一碳纳米管絮化膜。该微孔滤膜为一表面光滑、孔径为0.22微米的滤膜。由于抽滤方式本身将提供一较大的气压作用于该碳纳米管絮状结构，该碳纳米管絮状结构经过抽滤会直接形成一均匀的碳纳米管絮化膜。且，由于微孔滤膜表面光滑，该碳纳米管絮化膜容易剥离，得到一自支撑的碳纳米管絮化膜。

请参见图7，上述碳纳米管絮化膜中包括相互缠绕的碳纳米管，所述碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构，因此该碳纳米管絮化膜具有很好的韧性。该碳纳米管絮化膜中，碳纳米管为均匀分布且无规则排列。

可以理解，该碳纳米管絮化膜的具有一定的厚度，且通过控制该碳纳米管絮状结构摊开的面积以及压力大小可以控制其厚度。所以该碳纳米管絮化膜可以直接作为一碳纳米管结构164使用。另外，可以将至少两层碳纳米管絮化膜层叠设置或并排设置形成一碳纳米管结构164。

(三)当该碳纳米管结构164包括至少一碳纳米管碾压膜，该碳纳米管结构164的制备方法包括以下步骤：

首先，提供一碳纳米管阵列形成于一生长基底，该阵列为定向排列的碳纳米管阵列。

所述碳纳米管阵列优选为一超顺排的碳纳米管阵列。所述碳纳米管阵列与上述碳纳米管阵列的制备方法相同。

其次，采用一施压装置，挤压上述碳纳米管阵列获得一碳纳米管碾压膜，其具体过程为：

该施压装置施加一定的压力于上述碳纳米管阵列上。在施压的过程中，碳纳米管阵列在压力的作用下会与生长基底分离，从而形成由多个碳纳米管组成的具有自支撑结构的碳纳米管碾压膜，且所述的多个碳纳米管基本上与碳纳米管碾压膜的表面平行。

本发明实施例中，施压装置为一压头，压头表面光滑，压头的形状及挤压方向决定制备的碳纳米管碾压膜中碳纳米管的排列方式。具体地，当采用平面压头沿垂直于上述碳纳米管阵列生长基底的方向挤压时，可获得碳纳米管为无序排列的各向同性的碳纳米管碾压膜；当采用滚轴状压头沿平行于基底的某一固定方向碾压时，可获得碳纳米管沿该固定方向取向排列的碳纳米管碾压膜；当采用滚轴状压头沿不同方向碾压时，可获得碳纳米管沿不同方向取向排列的碳纳米管碾压膜。

可以理解，当采用上述不同方式挤压上述的碳纳米管阵列时，碳纳米管会在压力的作用下倾倒，并与相邻的碳纳米管通过范德华力相互吸引、连接形成由多个碳纳米管组成的具有自支撑结构的碳纳米管碾压膜。所述的多个碳纳米管与该生长基底的表面成一夹角β，其中，β大于等于零度且小于等于15度(0°≤β≤15°)。依据碾压的方式不同，如图9所示，该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管可以沿一固定方向择优取向排列；或如图8所示，沿不同方向择优取向排列。另外，在压力的作用下，碳纳米管阵列会与生长的基底分离，从而使得该碳纳米管碾压膜容易与基底脱离，从而形成一自支撑的碳纳米管碾压膜。

本技术领域技术人员应明白，上述碳纳米管阵列的倾倒程度(倾角)与压力的大小有关，压力越大，倾角越大。所述倾角为碳纳米管阵列中的碳纳米管与生长该碳纳米管阵列的基底所呈的夹角。制备的碳纳米管碾压膜的厚度取决于碳纳米管阵列的高度以及压力大小。碳纳米管阵列的高度越大而施加的压力越小，则制备的碳纳米管碾压膜的厚度越大；反之，碳纳米管阵列的高度越小而施加的压力越大，则制备的碳纳米管碾压膜的厚度越小。该碳纳米管碾压膜的宽度与碳纳米管阵列所生长的基底的尺寸有关，该碳纳米管碾压膜的长度不限，可根据实际需求制得。本发明实施例中获得的碳纳米管碾压膜，该碳纳米管碾压膜的厚度为1微米～2毫米。

最后，将该碳纳米管碾压膜从所述生长基底揭起，从而得到一自支撑的碳纳米管碾压膜。

上述碳纳米管碾压膜中包括多个沿同一方向或择优取向排列的碳纳米管，所述碳纳米管之间通过范德华力相互吸引，因此该碳纳米管碾压膜具有很好的韧性。该碳纳米管碾压膜中，碳纳米管均匀分布，规则排列。

可以理解，该碳纳米管碾压膜具有一定的厚度，且通过碳纳米管阵列的高度以及压力大小可以控制其厚度。所以该碳纳米管碾压膜可以直接作为一碳纳米管结构164使用。另外，可以将至少两层碳纳米管碾压膜层叠设置或并排设置形成一碳纳米管结构164。

(四)当该碳纳米管结构164包括至少一碳纳米管线状结构时，该碳纳米管结构164的制备方法包括以下步骤：

首先，提供至少一碳纳米管拉膜。

该碳纳米管拉膜的形成方法与(一)中碳纳米管拉膜的形成方法相同。

其次，处理该碳纳米管拉膜，形成至少一碳纳米管线。

该处理碳纳米管拉膜的步骤可以为采用有机溶剂处理该碳纳米管拉膜，从而得到一非扭转的碳纳米管线，或为采用机械外力扭转该碳纳米管拉膜，从而得到一扭转的碳纳米管线。

采用有机溶剂处理该碳纳米管拉膜的步骤具体为：将有机溶剂浸润所述碳纳米管拉膜的整个表面，在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，碳纳米管拉膜中的相互平行的多个碳纳米管通过范德华力紧密结合，从而使碳纳米管拉膜收缩为一非扭转的碳纳米管线。该有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中采用乙醇。通过有机溶剂处理的非扭转碳纳米管线与未经有机溶剂处理的碳纳米管拉膜相比，比表面积减小，粘性降低。可以理解，该采用有机溶剂处理碳纳米管拉膜形成非扭转的碳纳米管线的方法与(一)中采用有机溶剂降低碳纳米管拉膜的粘性的方法相似，其区别在于，当需要形成非扭转的碳纳米管线时，碳纳米管拉膜的两端不固定，即不将碳纳米管拉膜设置在基底表面或框架结构上。

采用机械外力扭转该碳纳米管拉膜的步骤为采用一机械力将所述碳纳米管膜两端沿相反方向扭转。本发明实施例中，具体可以提供一个尾部可以粘住碳纳米管拉膜的纺纱轴。将该纺纱轴的尾部与碳纳米管拉膜结合后，将该纺纱轴以旋转的方式旋转该碳纳米管拉膜，形成一扭转的碳纳米管线。可以理解，上述纺纱轴的旋转方式不限，可以正转，也可以反转，或者正转和反转相结合。

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比表面积减小，粘性降低，与未经有机溶剂处理的扭转的碳纳米管线相比密度及强度均增大。

再次，利用上述碳纳米管线制备至少一碳纳米管线状结构，并得到一碳纳米管结构164。

上述扭转的碳纳米管线或非扭转的碳纳米管线为一自支撑结构，可直接作为一碳纳米管结构164使用。另外，可以将多个碳纳米管线平行排列成一束状结构的碳纳米管线状结构，或者将该平行排列的多个碳纳米管线经一扭转步骤得到一绞线结构的碳纳米管线状结构。进一步地，可以将该多个碳纳米管线或碳纳米管线状结构相互平行排列、交叉排列或编织，得到一二维的碳纳米管结构164。

步骤二，间隔形成一第一电极12及一第二电极14于该碳纳米管结构164的两端，该第一电极12及一第二电极14与该碳纳米管结构164形成电连接。

所述的第一电极12及一第二电极14的设置方式与碳纳米管结构164有关。当碳纳米管结构164中碳纳米管至少部分有序排列时，如该碳纳米管结构164包括一碳纳米管拉膜、沿一个固定方向碾压得到的碳纳米管碾压膜或者一碳纳米管线时，即该碳纳米管结构164中大多数碳纳米管沿同一方向择优取向排列时，优选地，应保证碳纳米管结构164中的部分碳纳米管沿第一电极12至一第二电极14方向延伸，使第一电极12及第二电极14设置于该碳纳米管的延伸方向上。此种设置方式可以保证碳纳米管结构164具有最好的导电性，从而使加热元件16具有最好的发热效果。

所述的第一电极12及一第二电极14可以设置在碳纳米管结构164的同一表面上或不同表面上，或者该第一电极12及一第二电极14环绕设置于碳纳米管结构164的表面。其中，第一电极12及一第二电极14之间相隔设置，以使碳纳米管结构164应用于线热源10时接入一定的阻值避免短路现象产生。碳纳米管结构164本身有很好的粘附性与导电性，故第一电极12及一第二电极14可以与碳纳米管结构164之间形成很好的电接触。

所述第一电极12及一第二电极14为导电膜、金属片或者金属引线。该导电膜可以通过电镀、化学镀、溅镀、真空蒸镀、物理气相沉积法、化学气相沉积法、直接涂覆或丝网印刷导电浆料或其它方法形成于碳纳米管结构164表面。该金属片可以为铜片或铝片等。该金属片或者金属引线可以通过导电粘结剂固定于碳纳米管结构164表面，或者通过螺钉、夹板等固定在碳纳米管结构。本发明实施例中采用真空蒸镀法在碳纳米管结构164两端形成两条钯膜，作为第一电极12及第二电极14。

所述第一电极12及一第二电极14还可以为一金属性碳纳米管层。该碳纳米管层设置于碳纳米管结构164的表面。该碳纳米管层可通过其自身的粘性或导电粘结剂固定于碳纳米管结构164的表面。该碳纳米管层包括定向排列且均匀分布的金属性碳纳米管。具体地，该碳纳米管层包括至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线。优选地，所述金属性碳纳米管层中至少部分碳纳米管表面包覆一金属层，从而提高该金属性碳纳米管层的导电性。该在碳纳米管层中碳纳米管表面包覆金属层的方法可以为真空蒸镀、等离子溅射或物理气相沉积方法等。

可以理解，在形成第一电极12及一第二电极14后，可进一步形成两条导电引线，分别与第一电极12及第二电极14的端部电连接，从第一电极12及一第二电极14引出至外部电源。

步骤三，提供一基体前驱体，将基体前驱体与碳纳米管结构164复合，形成一加热元件16。

所述基体前驱体的材料为该基体的材料、该基体材料所形成的溶液或制备该基体材料的前驱反应物。该基体前驱体在一定温度下应为液态或气态。

所述基体162的材料包括高分子材料或无机非金属材料等。具体地，该有机高分子材料可以包括热塑性聚合物或热固性聚合物中的一种或多种，故该基体前驱体的材料可以为生成该热塑性聚合物或热固性聚合物的聚合物单体溶液，或该热塑性聚合物或热固性聚合物在挥发性有机溶剂中溶解后形成的混合液。该碳纳米管结构164直接浸泡于该液态的基体前驱体后，将该基体前驱体固化，形成基体162与该碳纳米管结构164复合。

该无机非金属材料可以包括玻璃、陶瓷及半导体材料中的一种或多种，故该基体前驱体可以为无机非金属材料颗粒制成的浆料、制备该无机非金属材料的反应气体或呈气态的该无机非金属材料。具体地，可以采用真空蒸镀、溅镀、化学气相沉积(CVD)以及物理气相沉积(PVD)的方法形成气态的基体前驱体，并使该基体前驱体沉积在碳纳米管结构164的碳纳米管表面。另外，可以将大量无机非金属材料颗粒在溶剂中分散，形成一浆料作为该基体前驱体，并将该碳纳米管结构164浸泡于该浆料中，并使溶剂蒸发，使该基体162与该碳纳米管结构164复合。

总之，当该基体前驱体为液态时，该步骤三具体包括将该液态基体前驱体浸润该碳纳米管结构164以及固化该基体前驱体的步骤，从而使该基体162渗透至该碳纳米管结构164的孔隙中，形成一加热元件16；当该基体前驱体为气态时，该步骤三具体包括沉积该基体前驱体于碳纳米管结构164的碳纳米管表面的步骤，从而使该基体162充满该碳纳米管结构164的孔隙中，形成一加热元件16。

本实施例采用注胶法将环氧树脂基体材料与碳纳米管结构164复合，形成一加热元件16，具体包括以下步骤：

步骤(一)：提供一液态热固性高分子材料。

所述液态热固性高分子材料的粘度低于5帕·秒，并能在室温下保持该粘度在30分钟以上。本发明实施例优选以环氧树脂制备液态热固性高分子材料，其具体包括以下步骤：

首先，将缩水甘油醚型环氧和缩水甘油酯型环氧的混合物置于一容器中，加热至30℃～60℃，并对容器中所述缩水甘油醚型环氧和缩水甘油酯型环氧的混合物搅拌10分钟，直至所述缩水甘油醚型环氧和缩水甘油酯型环氧的混合物混合均匀为止。

其次，将脂肪胺和二缩水甘油醚加入到所述搅拌均匀的缩水甘油醚型环氧和缩水甘油酯型环氧的混合物中进行化学反应。

最后，将所述缩水甘油醚型环氧和缩水甘油酯型环氧的混合物加热至30℃～60℃，从而得到一含环氧树脂的液态热固性高分子材料。

步骤(二)：采用所述液态热固性高分子材料浸润所述碳纳米管结构162。

本实施例中采用所述液态热固性高分子材料浸润所述碳纳米管结构162的方法包括以下步骤：

首先，将碳纳米管结构162放置于一模具中。

其次，将所述液态热固性高分子材料注射进所述模具中，浸润所述碳纳米管结构162。为了让液态热固性高分子材料充分浸润所述碳纳米管结构162，浸润所述碳纳米管结构162的时间不能少于10分钟。

可以理解，将所述液态热固性高分子材料浸润所述碳纳米管结构162的方法不限注射的方法，所述液态热固性高分子材料还可以通过毛细作用被吸入到所述碳纳米管结构162中，浸润所述碳纳米管结构162，或者将所述碳纳米管结构162浸泡在所述液态热固性高分子材料中。

步骤(三)：固化上述被液态热固性高分子材料浸润的碳纳米管结构162，得到一碳纳米管复合结构。

本实施例含环氧树脂的热固性高分子材料的固化方法具体包括以下步骤：

首先，通过一加热装置将该模具加热至50℃～70℃，在该温度下含环氧树脂的热固性高分子材料为液态，维持该温度1小时～3小时，使得该热固性高分子材料继续吸热以增加其固化度。

其次，继续加热该模具至80℃～100℃，在该温度下维持1小时～3小时，使得所述热固性高分子材料继续吸热以增加其固化度。

再次，继续加热该模具至110℃～150℃，在该温度下维持2小时～20小时，使得所述热固性高分子材料继续吸热以增加其固化度。

最后，停止加热，待该模具降温至室温后，脱模可得一碳纳米管复合结构。

上述制备碳纳米管复合结构的具体步骤可参见范守善等人于2007年12月14日申请的申请号为200710125109.8的中国大陆专利申请“碳纳米管复合材料的制备方法”。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。

可以理解，上述含环氧树脂的热固性高分子材料的固化方法也可以采用一次升温的方法，直接将温度升至150℃，使热固性高分子材料吸热固化。

可以理解，上述步骤二中形成第一电极12及一第二电极14的步骤可在形成该加热元件16之后进行。当该基体162仅填充于该碳纳米管结构164的孔隙中，从而使碳纳米管部分暴露于加热元件16表面时，可采用与步骤二相同的方法将该第一电极12及一第二电极14直接形成于该加热元件16表面。当该基体162全部包覆该碳纳米管结构164时，进一步包括一暴露所述碳纳米管结构164于加热元件16表面的步骤，该第一电极12及第二电极14分别与暴露出的碳纳米管结构164电连接。具体地，可采用一切割的步骤切割该加热元件16，以形成一切割面，从而使该碳纳米管结构164暴露于加热元件16的切割面，进而采用与步骤二相同的方法将该第一电极12及一第二电极14形成于该加热元件16的切割面，从而与该暴露出来的碳纳米管结构164电连接。

可以理解，当该碳纳米管结构为线状时，该第三实施例的加热元件36的形成方法可包括以下步骤：

首先，将该碳纳米管线状结构与所述基体前驱体复合，形成一碳纳米管线状复合结构366；

其次，将一个或多个该碳纳米管线状复合结构366排列，形成一二维的加热元件36。

该碳纳米管线状复合结构366可相互编织、交叉、并排或盘绕形成一二维的加热元件36。当该碳纳米管线状复合结构366相互编织时，与织物类似地，该加热元件36可保持一面状。该相互编织形成的加热元件36可制成一加热垫、加热衣及加热手套等。当该碳纳米管线状复合结构366相互交叉、并排或盘绕时，该多个碳纳米管线状结构366之间可通过粘结剂粘结，从而使该加热元件36保持面状。

所述将碳纳米管线状结构与基体前驱体复合的方式与上述步骤三相同。

该第一电极及第二电极可通过上述步骤二的方式形成于该加热元件36表面。进一步地，可通过一切割步骤暴露该碳纳米管线状结构于所述加热元件36表面，进而将该第一电极及第二电极形成于该暴露有碳纳米管结构的表面上，从而使该第一电极及第二电极与该碳纳米管复合结构中的碳纳米管形成电连接。

可以理解，该制备方法可进一步包括以下可选择步骤，从而制备一具有第二实施例中的面热源20：

步骤四，提供一支撑体28，形成一热反射层27于支撑体28的表面。

在支撑体28的表面形成一热反射层27可以通过涂覆或镀膜的方法实现。具体地，当该热反射层27的材料为金属盐或金属氧化物时，可将该金属盐或金属氧化物的颗粒分散于溶剂中，形成一浆料，并将该浆料涂敷或丝网印刷于支撑体28表面，形成该热反射层27。根据金属盐或金属氧化物的不同，该溶剂不应与金属盐或金属氧化物发生化学反应。另外，该热反射层27也可通过电镀、化学镀、溅镀、真空蒸镀、化学气相沉积或物理气相沉积等方法形成。本发明实施例采用物理气相沉积法在陶瓷基板表面沉积一层三氧化二铝层，作为热反射层27。

步骤五，将加热元件26设置于热反射层27表面。

该加热元件26可通过一粘结剂固定于热反射层27表面。另外，还可采用机械固定的方法，如采用螺钉、夹板等固定装置，将加热元件26四角或四边固定于热反射层27表面。

步骤六，形成一保护层25于所述加热元件26的外表面，形成一面热源20。

该保护层25可直接通过粘结剂或机械固定的方法固定于加热元件26表面。另外，当该保护层25的材料为一热塑性聚合物时，可将该热塑性聚合物在高温下于融化状态涂敷或包裹于加热元件26表面，待低温时固化形成该保护层25。另外，当该保护层25为一柔性聚合物，如一聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜时，可通过一热压步骤，将该保护层25与该加热元件26叠加并热压，使保护层25与加热元件26牢固结合。

所述的面热源及其制备方法具有以下优点：第一，由于该碳纳米管结构为一自支撑结构，且碳纳米管在碳纳米管结构中均匀分布，将该自支撑的碳纳米管结构与基体直接复合，可使复合后形成的加热元件中碳纳米管仍相互结合保持一碳纳米管结构的形态，从而使加热元件中碳纳米管既能均匀分布形成导电网络，又不受碳纳米管在溶液中分散浓度的限制，使碳纳米管在加热元件中的质量百分含量可以达到99％，使该热源具有更高的加热性能。另外，该基体材料的种类不限于聚合物，使该热源的应用范围更加广泛。第二，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，当该碳纳米管结构与柔性基体复合形成加热元件时，可制备一柔性热源，使该热源具有更广的应用范围。第三，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。第四，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。第五，当碳纳米管结构包括碳纳米管拉膜时，该碳纳米管拉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，且该碳纳米管拉膜中，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，该碳纳米管拉膜具有一定透明度，可用于制备一透明热源。第六，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。第七，该碳纳米管絮化膜及碳纳米管碾压膜具有较好的韧性，制备方法简单。第八，该形成自支撑的碳纳米管结构，并将该碳纳米管结构与基体直接复合形成加热元件的方法简单，且碳纳米管在加热元件中的含量可方便的控制。与基体复合后，该碳纳米管结构仍能保持原有的形态，具有与纯碳纳米管结构相当的发热性能。第九，该碳纳米管结构可有选择的设置于一具有特定形状的基体中的某一位置，从而实现局部选择性加热，适应不同领域的需求。

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 (19)

1.一种面热源，包括：

一加热元件，该加热元件包括一基体及多个碳纳米管分布于该基体中；以及

至少两电极间隔设置并与该加热元件电连接，

其特征在于，该多个碳纳米管组成至少一自支撑的碳纳米管线状结构，所述碳纳米管线状结构包括至少一个碳纳米管线，所述碳纳米管线为自支撑结构且包括多个碳纳米管通过范德华力首尾相连，该自支撑的碳纳米管线状结构中的碳纳米管之间定义多个孔隙，该基体材料渗透入该碳纳米管线状结构的所述多个孔隙中，从而与该碳纳米管线状结构复合。

2.如权利要求1所述的面热源，其特征在于，所述至少一碳纳米管线状结构弯折盘绕成一二维结构。

3.如权利要求1所述的面热源，其特征在于，所述至少一碳纳米管线状结构包括多个碳纳米管线状结构，该多个碳纳米管线状结构相互平行设置、并排设置、相互交叉设置或编织成网状结构。

4.如权利要求1所述的面热源，其特征在于，所述碳纳米管线状结构包括多个碳纳米管线平行排列组成的束状结构或多个碳纳米管线扭转组成的绞线结构。

5.如权利要求4所述的面热源，其特征在于，所述碳纳米管线包括多个碳纳米管沿同一方向择优取向排列。

6.如权利要求4所述的面热源，其特征在于，所述碳纳米管线为非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线。

7.如权利要求6所述的面热源，其特征在于，所述非扭转的碳纳米管线包括多个沿碳纳米管线长度方向平行排列的碳纳米管。

8.如权利要求6所述的面热源，其特征在于，所述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。

9.如权利要求1所述的面热源，其特征在于，所述至少两电极分别与所述碳纳米管线状结构的两端电连接。

10.如权利要求1所述的面热源，其特征在于，所述碳纳米管线状结构的单位面积热容小于2×10^-4焦耳每平方厘米开尔文。

11.如权利要求1所述的面热源，其特征在于，所述碳纳米管线状结构的单位面积热容小于1.7×10^-6耳每平方厘米开尔文。

12.如权利要求1所述的面热源，其特征在于，所述碳纳米管线状结构中的碳纳米管之间由于范德华力作用相互吸引。

13.如权利要求1所述的面热源，其特征在于，所述基体的材料为高分子材料或无机非金属材料。

14.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支撑体，所述加热元件至少部分通过该支撑体支撑，该支撑体的材料为柔性材料或硬性材料。

15.如权利要求14所述的面热源，其特征在于，所述面热源进一步包括一热反射层，所述热反射层设置在所述加热元件与支撑体之间或者设置在所述支撑体远离加热元件的表面。

16.一种面热源，包括：

一加热元件以及至少两电极间隔设置并与该加热元件电连接，其特征在于：该加热元件包括多个碳纳米管以及一基体材料，该多个碳纳米管通过范德华力的作用形成一体的自支撑的碳纳米管线状结构，所述碳纳米管线状结构包括至少一个碳纳米管线，所述碳纳米管线为自支撑结构且包括多个碳纳米管通过范德华力首尾相连，该一体的自支撑的碳纳米管线状结构中的碳纳米管之间定义多个孔隙，该基体材料渗透入该碳纳米管线状结构的所述多个孔隙中，从而与该碳纳米管线状结构复合。

17.如权利要求16所述的面热源，其特征在于，所述孔隙尺寸小于10微米。

18.一种面热源，其特征在于，其包括：

一加热元件，该加热元件包括至少一碳纳米管线状复合结构；以及

至少两电极间隔设置并与该加热元件电连接，

该碳纳米管线状复合结构包括一基体以及多个碳纳米管，该多个碳纳米管形成一自支撑的碳纳米管线状结构，所述碳纳米管线状结构包括至少一个碳纳米管线，所述碳纳米管线为自支撑结构且包括多个碳纳米管通过范德华力首尾相连，该自支撑的碳纳米管线状结构中的碳纳米管之间定义多个孔隙，该基体材料渗透入该碳纳米管线状结构的所述多个孔隙中，从而与该碳纳米管线状结构复合。

19.如权利要求18所述的面热源，其特征在于，所述至少一碳纳米管线状复合结构为多个碳纳米管线状复合结构，该多个碳纳米管线状复合结构相互编织形成二维的加热元件。

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