TWI399121B - 線熱源 - Google Patents

Description

線熱源

發明涉及一種線熱源，尤其涉及一種基於奈米碳管的線熱源。

熱源在人們的生產、生活、科研中起著重要的作用。線熱源係熱源的一種，在工業領域、科研領域或生活領域等有著廣泛的應用，如電熱管、電熱毯、紅外治療儀及電暖器等。

先前的線熱源通常包括一線狀發熱體(如電阻絲等)及兩個電極，該兩個電極間隔設置，並與該線狀發熱體兩端電連接。當通過所述兩個電極向該線狀發熱體施加一電壓或通入電流時，該線狀發熱體產生焦耳熱，且熱量以普通波長向外輻射。通常，用作線熱源的線狀發熱體為採用金屬、合金或碳纖維製成的電熱絲。

然而，採用金屬、合金或碳纖維製成的電熱絲具有以下不足：第一，該電熱絲所產生的熱量均以普通波長向外輻射，其電熱轉換效率不高，不利於節省能源，需加入黏塗有遠紅外塗料的棉線以提高電熱轉換效率。第二，碳纖維尺寸不夠小，不利於應用於微型熱源，而金屬絲直徑很小的時候，強度很低，容易折斷，也不利於應用於微型熱源。第三，該電熱 絲的質量均較大，不利於熱源的輕型化。另，金屬電熱絲與合金電熱絲容易被氧化，且多次彎曲或繞折成一定角度時易產生疲勞，故，其應用受到限制。

自九十年代初以來，以奈米碳管(請參見Helical microtubules of graphitic carbon,Nature,Sumio Iijima,vol 354,p56(1991))為代表的奈米材料以其獨特的結構和性質引起人們極大的關注。近幾年來，隨著奈米碳管及奈米材料研究的不斷深入，其廣闊的應用前景不斷顯現出來。

2006年10月21日，范守善等公告的第I264754號台灣專利中揭示一種燈絲及其製備方法。該燈絲包括一奈米碳管絲。該奈米碳管絲包括複數個通過凡德瓦爾力首尾相連的奈米碳管束，且每個奈米碳管束包括複數個平行排列且長度基本相等的奈米碳管。該燈絲的製備方法包括如下步驟：製備奈米碳管陣列；從上述奈米碳管陣列中拉出奈米碳管絲；用均勻外力將上述步驟得到的奈米碳管絲纏繞在作為電極使用的導線上，得到燈絲。當所述奈米碳管絲通入電流時，奈米碳管絲發出焦耳熱，並向周圍輻射電磁波。然而，該專利文獻中的奈米碳管絲用於發光，由於這種直接獲得的純奈米碳管絲的機械強度與韌性不夠好，使用時較容易被破壞，從而限制奈米碳管絲的使用範圍，無法直接用於熱源。

有鑒於此，確有必要提供一種機械強度比較大，使用時不易 被破壞的線熱源。

一種線熱源，其包括一線狀支撐結構，一加熱元件設置於線狀支撐結構的表面，及兩個電極，該兩個電極間隔設置且與該加熱元件電連接，其中，所述的加熱元件包括至少一奈米碳管複合結構，該奈米碳管複合結構包括一基體及一奈米碳管膜結構複合於該基體中，且該奈米碳管膜結構包括沿一固定方向或不同方向擇優取向排列的複數個奈米碳管。

一種線熱源，其包括一線狀支撐結構，一加熱元件設置於線狀支撐結構的表面，及兩個電極，該兩個電極間隔設置且與該加熱元件電連接，其中，所述的加熱元件包括至少一奈米碳管複合結構，所述奈米碳管複合結構包括一奈米碳管膜結構以及基體材料，該奈米碳管膜結構包括沿一固定方向或不同方向擇優取向排列的複數個奈米碳管，所述基體材料複合於該奈米碳管膜結構中。

一種線熱源，其包括：一線狀支撐內芯；一加熱元件環繞包覆該線狀支撐內芯，所述加熱元件包括至少一奈米碳管複合結構，該奈米碳管複合結構包括一基體及一與之複合的奈米碳管膜結構，且該奈米碳管膜結構包括沿一固定方向或不同方向擇優取向排列的複數個奈米碳管；兩個電極，該兩個電極間隔設置且與該加熱元件電連接；以及一絕緣保護層包覆該加熱元件與其內。

相較於先前技術，所述線熱源中的加熱元件包括奈米碳管膜 結構及與該奈米碳管膜結構複合的基體材料，故，該加熱元件機械強度與韌性較大，使用時不易被破壞。

143‧‧‧奈米碳管片段

145‧‧‧奈米碳管

20,30‧‧‧線熱源

202‧‧‧線狀支撐結構

204,304‧‧‧加熱元件

206,302‧‧‧電極

208‧‧‧絕緣保護層

210‧‧‧熱反射層

2042‧‧‧基體材料

2044‧‧‧奈米碳管結構

2046‧‧‧基體

圖1為本發明第一實施例提供的線熱源的結構示意圖。

圖2為圖1的線熱源沿線II-II的剖面示意圖。

圖3為圖2的線熱源沿線Ⅲ-Ⅲ的剖面示意圖。

圖4為本發明第一實施例的線熱源包括層狀奈米碳管複合結構設置於線狀支撐結構表面的示意圖，其中基體材料滲透於奈米碳管結構中。

圖5為本發明第一實施例的線熱源包括層狀奈米碳管複合結構設置於線狀支撐結構表面的示意圖，其中奈米碳管結構複合於基體材料中。

圖6為本發明第一實施例的線熱源包括單個線狀奈米碳管複合結構設置於線狀支撐結構表面的示意圖。

圖7為本發明第一實施例的線熱源包括複數個線狀奈米碳管複合結構設置於線狀支撐結構表面的示意圖。

圖8為本發明第一實施例的線熱源中的奈米碳管拉膜結構的掃描電鏡照片。

圖9為圖8中的奈米碳管拉膜結構中的奈米碳管片段的結構示意圖。

圖10為本發明第一實施例的線熱源中的奈米碳管碾壓膜結構 中的奈米碳管沿同一方向擇優取向排列的掃描電鏡照片。

圖11為本發明第一實施例的線熱源中奈米碳管碾壓膜結構中的奈米碳管沿不同方向擇優取向排列的掃描電鏡照片。

圖12為本發明第一實施例的線熱源中的奈米碳管絮化膜結構的掃描電鏡照片。

圖13為本發明第一實施例的線熱源中的非扭轉的奈米碳管線的掃描電鏡照片。

圖14為本發明第一實施例的線熱源中的扭轉的奈米碳管線的掃描電鏡照片。

圖15為本發明第一實施例的線熱源中奈米碳管拉膜與環氧樹脂複合結構的斷面掃描電鏡照片。

圖16為本發明第一實施例線熱源的一種製備方法的流程圖。

圖17為本發明實施例的線熱源的奈米碳管絮狀結構的照片。

圖18為本發明第一實施例將設置於線狀支撐結構表面的奈米碳管結構與高分子材料複合的方法的流程圖。

圖19為本發明第一實施例線熱源的另一種製備方法的流程圖。

圖20為本發明第二實施例提供的線熱源的結構示意圖。

以下將結合附圖及具體實施例詳細說明本發明提供的線熱源 及其製備方法。

請參閱圖1至圖3，本發明第一實施例提供一種線熱源20，該線熱源20為一一維結構。該線熱源20包括一線狀支撐結構202；一熱反射層210設置於該線狀支撐結構202的表面；一加熱元件204設置於所述熱反射層210表面；兩個電極206間隔設置於該加熱元件204的表面，且與該加熱元件204電連接；及一絕緣保護層208設置於該加熱元件204的表面。所述線熱源20的長度與直徑不限。優選地，所述線熱源20的直徑為1.1毫米~1.1厘米。該電極206用於與外部加熱電源電連接。

所述線狀支撐結構202為一一維結構，用於支撐加熱元件204。所述線狀支撐結構202的材料可為硬性材料，如：陶瓷、玻璃、樹脂及石英等中的一種或多種，亦可選擇柔性材料，如：塑膠及柔性纖維等中的一種或多種，用以使該線熱源20在使用時根據需要彎折成任意形狀。優選地，所述線狀支撐結構202的材料為絕緣材料。所述線狀支撐結構202的長度、直徑及形狀不限，可依據實際需要進行選擇。優選地，所述線狀支撐結構202的直徑為1毫米~1厘米。本實施例中，該線狀支撐結構202為一陶瓷桿，其直徑為1毫米。

所述熱反射層210的材料為一對熱輻射具有較好反射效果的絕緣材料，如：金屬氧化物、金屬鹽及陶瓷等中的一種或多種。所述熱反射層210的厚度為100微米~0.5毫米。本實施例中，熱反射層210的材料優選為三氧化二鋁，其厚度為100微米。該熱反射層210通過濺射的方法沈積於該線狀支撐結構 202表面。所述熱反射層210可用來進一步反射加熱元件204所發出的熱量，使其有效的散發到外界空間中去。該熱反射層210為一可選擇結構。

所述加熱元件204包括一奈米碳管複合結構。所述奈米碳管複合結構包括一奈米碳管結構及基體材料。該奈米碳管結構為一自支撐結構。所謂“自支撐結構”即該奈米碳管結構無需通過一支撐體支撐，也能保持自身特定的形狀。該自支撐結構的奈米碳管結構包括複數個奈米碳管，該複數個奈米碳管通過凡德瓦爾力相互吸引，從而使奈米碳管結構具有特定的形狀。所述奈米碳管結構中的奈米碳管包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或多種。所述單壁奈米碳管的直徑為0.5奈米~50奈米，所述雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米~50奈米，所述多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米~50奈米。本發明中，該奈米碳管結構為層狀或線狀結構。由於該奈米碳管結構具有自支撐性，在不通過支撐體支撐時仍可保持層狀或線狀結構。該奈米碳管結構中奈米碳管之間具有大量間隙，從而使該奈米碳管結構具有大量微孔，所述基體材料滲入該微孔中，與所述奈米碳管結構緊密結合。所述奈米碳管結構的單位面積熱容小於2×10^-4焦耳每平方厘米開爾文。優選地，所述奈米碳管結構的單位面積熱容可小於等於1.7×10^-6焦耳每平方厘米開爾文。具體地，所述奈米碳管結構可包括至少一奈米碳管膜、至少一奈米碳管線狀結構或其組合。

所述奈米碳管複合結構可包括一層狀奈米碳管複合結構或至少一線狀奈米碳管複合結構設置於線狀支撐結構202的表面。

所述層狀奈米碳管複合結構為一二維結構。該層狀奈米碳管複合結構可包裹或纏繞於線狀支撐結構202的表面。依據奈米碳管結構與基體材料的複合方式的不同，該層狀奈米碳管複合結構的具體結構包括以下兩種情形：

第一種情形，請參閱圖4，所述層狀奈米碳管複合結構包括一層狀的奈米碳管結構2044及一基體材料2042滲透於該層狀的奈米碳管結構2044中。該層狀的奈米碳管結構2044中具有大量的微孔，該基體材料2042滲透於該層狀的奈米碳管結構2044的微孔中。也可理解為，此時，奈米碳管結構2044作為母體，基體材料2042作為填充材料填充至作為母體的奈米碳管結構2044內的孔隙中。當該層狀的奈米碳管結構2044包括複數個奈米碳管膜時，該複數個奈米碳管膜可層疊設置。當該層狀的奈米碳管結構2044包括單個奈米碳管線狀結構時，該單個奈米碳管線狀結構折疊或盤繞成一層狀自支撐結構。當該層狀的奈米碳管結構2044包括複數個奈米碳管線狀結構時，該複數個奈米碳管線狀結構可平行緊密設置、交叉設置或編織成一層狀自支撐結構。當該層狀的奈米碳管結構2044同時包括奈米碳管膜和奈米碳管線狀結構時，所述奈米碳管線狀結構設置於至少一奈米碳管膜的至少一表面。

第二種情形，請參閱圖5，所述層狀奈米碳管複合結構包括 一基體2046及一奈米碳管結構2044複合於該基體2046中。該基體2046為層狀結構，且該奈米碳管結構2044分佈於該基體2046中，優選地，該奈米碳管結構2044在基體2046中均勻分佈。該基體2046可將該奈米碳管結構2044完全包覆，且該基體2046的至少部分嵌入該奈米碳管結構2044中。當該奈米碳管結構2044為複數個平行且間隔設置的奈米碳管線狀結構時，該奈米碳管線狀結構由線狀支撐結構202的一端延伸至另一端。

所述線狀奈米碳管複合結構為一一維結構。所述線狀奈米碳管複合結構包括兩種情形。第一種，所述線狀奈米碳管複合結構包括一奈米碳管線狀結構及一基體材料滲透於該奈米碳管線狀結構中。該奈米碳管線狀結構中具有大量的微孔，且基體材料滲透於該奈米碳管線狀結構的微孔中。第二種，所述線狀奈米碳管複合結構包括一基體及至少一奈米碳管線狀結構複合於該基體中。請參閱圖6，當該加熱元件204為單個線狀奈米碳管複合結構時，該單個線狀奈米碳管複合結構可直接纏繞於所述線狀支撐結構202的表面。請參閱圖7，當該加熱元件204包括複數個線狀奈米碳管複合結構時，該複數個線狀奈米碳管複合結構可交叉設置或編織成一層狀結構，然後纏繞或包裹於所述線狀支撐結構202表面。

所述奈米碳管膜可包括奈米碳管拉膜、奈米碳管絮化膜或奈米碳管碾壓膜。所述奈米碳管線狀結構可包括至少一個奈米碳管線、複數個奈米碳管線平行排列組成的束狀結構或複數 個奈米碳管線相互扭轉組成的絞線結構。

所述奈米碳管膜包括均勻分佈的奈米碳管，奈米碳管之間通過凡德瓦爾力緊密結合。該奈米碳管膜中的奈米碳管為無序或有序排列。這裏的無序指奈米碳管的排列無規則，這裏的有序指至少多數奈米碳管的排列方向具有一定規律。具體地，當奈米碳管膜包括無序排列的奈米碳管時，奈米碳管相互纏繞或者各向同性排列；當奈米碳管結構包括有序排列的奈米碳管時，奈米碳管沿一個方向或者複數個方向擇優取向排列。本實施例中，優選地，所述奈米碳管結構包括複數個層疊設置的奈米碳管膜，且該奈米碳管結構的厚度優選為0.5奈米~1毫米。可理解，奈米碳管結構的熱回應速度與其厚度有關。在相同面積的情況下，奈米碳管結構的厚度越大，熱回應速度越慢；反之，奈米碳管結構的厚度越小，熱回應速度越快。當所述奈米碳管結構的厚度為1微米~1毫米，奈米碳管結構在小於1秒的時間內就可達到最高溫度。而奈米碳管單層膜在0.1毫秒時間內就可達到最高溫度。故，該線熱源20可適用於對物體快速加熱。

所述奈米碳管拉膜為從奈米碳管陣列中直接拉取獲得的一種具有自支撐性的奈米碳管膜。每一奈米碳管拉膜包括複數個沿同一方向擇優取向且平行於奈米碳管拉膜表面排列的奈米碳管。所述奈米碳管通過凡德瓦爾力首尾相連。請參閱圖8及圖9，具體地，每一奈米碳管拉膜包括複數個連續且定向排列的奈米碳管片段143。該複數個奈米碳管片段143通過凡 德瓦爾力首尾相連。每一奈米碳管片段143包括複數個相互平行的奈米碳管145，該複數個相互平行的奈米碳管145通過凡德瓦爾力緊密結合。該奈米碳管片段143具有任意的寬度、厚度、均勻性及形狀。所述奈米碳管拉膜的厚度為0.5奈米~100微米，寬度與拉取該奈米碳管拉膜的奈米碳管陣列的尺寸有關，長度不限。所述奈米碳管拉膜及其製備方法具體請參見范守善等人於2007年2月12日申請的，於2008年8月16日公開的第TW200833862號台灣公開專利申請“奈米碳管膜結構及其製備方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。當該奈米碳管結構由奈米碳管拉膜組成，且奈米碳管結構的厚度比較小時，例如小於10微米，該奈米碳管結構有很好的透明度，其透光率可達到96%，可用於製造一透明熱源。

當所述奈米碳管結構包括層疊設置的多層奈米碳管拉膜時，相鄰兩層奈米碳管拉膜中的擇優取向排列的奈米碳管之間形成一交叉角度α，且α大於等於0度小於等於90度(0°≦α≦90°)。所述複數個奈米碳管拉膜之間或一個奈米碳管拉膜之中的相鄰的奈米碳管之間具有一定間隙，從而在奈米碳管結構中形成複數個微孔，微孔的孔徑約小於10微米。

本發明實施例的奈米碳管結構包括複數個沿相同方向層疊設置的奈米碳管拉膜，從而使奈米碳管結構中的奈米碳管均沿同一方向擇優取向排列。

所述奈米碳管碾壓膜包括均勻分佈的奈米碳管，奈米碳管沿 同一方向或不同方向擇優取向排列。所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管相互部分交疊，並通過凡德瓦爾力相互吸引，緊密結合，使得該奈米碳管結構具有很好的柔韌性，可彎曲折疊成任意形狀而不破裂。且由於奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管之間通過凡德瓦爾力相互吸引，緊密結合，使奈米碳管碾壓膜為一自支撐的結構。所述奈米碳管碾壓膜可通過碾壓一奈米碳管陣列獲得。所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管與形成奈米碳管陣列的生長基底的表面形成一夾角β，其中，β大於等於0度且小於等於15度(0≦β≦15°)，該夾角β與施加在奈米碳管陣列上的壓力有關，壓力越大，該夾角越小，優選地，該奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管平行於該生長基底排列。該奈米碳管碾壓膜為通過碾壓一奈米碳管陣列獲得，依據碾壓的方式不同，該奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管具有不同的排列形式。具體地，請參閱圖10，當沿同一方向碾壓時，奈米碳管沿一固定方向擇優取向排列；請參閱圖11，當沿不同方向碾壓時，奈米碳管沿不同方向擇優取向排列；當沿垂直於奈米碳管陣列的方向碾壓時，奈米碳管膜各向同性。該奈米碳管碾壓膜中奈米碳管的長度大於50微米。所述奈米碳管碾壓膜及其製備方法具體請參見范守善等人於2007年6月29日申請的，於2009年1月1日公開的第TW200900348號台灣專利申請“奈米碳管薄膜的製備方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。

該奈米碳管碾壓膜的面積和厚度不限，可根據實際需要選擇。該奈米碳管碾壓膜的面積與奈米碳管陣列的尺寸基本相同。該奈米碳管碾壓膜厚度與奈米碳管陣列的高度及碾壓的壓力有關，可為1微米~1毫米。可理解，奈米碳管陣列的高度越大而施加的壓力越小，則製備的奈米碳管碾壓膜的厚度越大；反之，奈米碳管陣列的高度越小而施加的壓力越大，則製備的奈米碳管碾壓膜的厚度越小。所述奈米碳管碾壓膜之中的相鄰的奈米碳管之間具有一定間隙，從而在奈米碳管碾壓膜中形成複數個微孔，微孔的孔徑約小於10微米。

所述奈米碳管結構可包括至少一奈米碳管絮化膜，該奈米碳管絮化膜包括相互纏繞且均勻分佈的奈米碳管。奈米碳管的長度大於10微米，優選地，奈米碳管的長度大於等於200微米且小於等於900微米。所述奈米碳管之間通過凡德瓦爾力相互吸引、纏繞，形成網絡狀結構。所述奈米碳管絮化膜中的奈米碳管為均勻分佈，無規則排列，使得該奈米碳管絮化膜各向同性。所述奈米碳管絮化膜中的奈米碳管形成大量的微孔結構，微孔孔徑約小於10微米。所述奈米碳管絮化膜的長度和寬度不限。請參閱圖12，由於在奈米碳管絮化膜中，奈米碳管相互纏繞，故，該奈米碳管絮化膜具有很好的柔韌性，且為一自支撐結構，可彎曲折疊成任意形狀而不破裂。所述奈米碳管絮化膜的面積及厚度均不限，厚度為1微米~1毫米，優選為100微米。所述奈米碳管絮化膜及其製備方法具體請參見范守善等人於2007年5月11日申請的，於2008年 11月16日公開的第TW200844041號台灣專利申請“奈米碳管薄膜的製備方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。

所述奈米碳管線包括複數個沿奈米碳管線軸向定向排列的奈米碳管。所述奈米碳管線可為非扭轉的奈米碳管線或扭轉的奈米碳管線。該非扭轉的奈米碳管線為將奈米碳管拉膜通過有機溶劑處理得到。請參閱圖13，該非扭轉的奈米碳管線包括複數個沿奈米碳管線長度方向排列的奈米碳管。該扭轉的奈米碳管線為採用一機械力將所述奈米碳管拉膜兩端沿相反方向扭轉獲得。請參閱圖14，該扭轉的奈米碳管線包括複數個繞奈米碳管線軸向螺旋排列的奈米碳管。該非扭轉的奈米碳管線與扭轉的奈米碳管線長度不限，直徑為0.5奈米~100微米，優選為10微米~100微米。所述奈米碳管線及其製備方法具體請參見范守善等人於2002年11月5日申請的，於2008年11月21日公告的第I303239號台灣公告專利“一種奈米碳管繩及其製造方法”，及於於2005年12月16日申請的，於2007年7月1日公開的第TW200724486號台灣公開專利申請“奈米碳管絲及其製作方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。

進一步地，可採用一揮發性有機溶劑處理該扭轉的奈米碳管線。在揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，處理後的扭轉的奈米碳管線中相鄰的奈米碳管通過凡德瓦爾力 緊密結合，使扭轉的奈米碳管線的直徑及比表面積減小，密度及強度增大。

由於該奈米碳管線為採用有機溶劑或機械力處理上述奈米碳管拉膜獲得，該奈米碳管拉膜為自支撐結構，故，該奈米碳管線為自支撐結構。另，該奈米碳管線中相鄰奈米碳管間存在間隙，故該奈米碳管線具有大量微孔，且微孔的孔徑約小於10微米。

所述基體材料可選擇為高分子材料及無機非金屬材料等中的一種或多種。該基體材料或形成該基體材料的前驅體在一定溫度下為液態或氣態，從而使該基體材料或該基體材料的前驅體在線熱源20的加熱元件204的製備過程中能夠滲透到該奈米碳管結構的間隙或微孔中，與所述奈米碳管結構緊密結合，固化後形成一複合結構。該基體材料應具有一定的耐熱性能，使其在該線熱源20的工作溫度內不致破壞、變形、熔化、氣化或分解。

具體地，該高分子材料可包括熱塑性聚合物及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、環氧樹脂及聚酯等中的一種或多種。該非金屬材料可包括玻璃、陶瓷及半導體材料中的一種或多種。本實施例中，該基體材料為環氧樹脂。該基體材料可為柔性高分子基底材料。該柔性高分子基底材料可選自矽橡膠彈性體、聚氨脂及聚甲基丙烯酸甲酯中之一或其組合物。

由於所述奈米碳管結構中具有複數個微孔，液態或氣態的基體材料或形成該基體材料的前驅體可滲入該奈米碳管結構的微孔內部，與該奈米碳管結構緊密結合，固化後形成奈米碳管複合結構。請參閱圖15，為沿垂直於奈米碳管拉膜中奈米碳管的排列方向拉斷該奈米碳管複合結構得到的斷面照片。可發現，與環氧樹脂複合後，該奈米碳管結構仍能基本保持複合前的形態，奈米碳管在環氧樹脂內基本沿同一方向擇優取向排列。

所述基體材料可只填充於所述奈米碳管結構的微孔中，也可進一步完全包覆整個奈米碳管結構。當該加熱元件204包括複數個奈米碳管結構時，該複數個奈米碳管結構可相互間隔或相互接觸的設置於該基體材料中。當該奈米碳管結構為層狀結構，如為奈米碳管膜時，奈米碳管結構可相互間隔或相互接觸的併排設置或層疊設置於基體材料中；當該奈米碳管結構為線狀結構，如為奈米碳管線時，該線狀結構可相互間隔或相互接觸的併排設置於基體材料中。當該奈米碳管線或奈米碳管膜間隔設置於基體材料中時，可節省製備該加熱元件204所需的奈米碳管結構的用量。另，可視實際需要將奈米碳管膜或奈米碳管線設置於基體材料的特定位置，從而使該加熱元件204在不同位置具有不同的加熱溫度。

可理解，所述基體材料滲透於奈米碳管結構的微孔中，可起到固定該奈米碳管結構中的奈米碳管的作用，使該線熱源在使用過程中奈米碳管結構中的奈米碳管不致因外力摩擦或刮 劃而脫落。當所述基體材料包覆整個奈米碳管結構時，該基體材料可進一步保護該奈米碳管結構，同時保證該加熱元件204與外部絕緣。另，該基體材料可進一步起到導熱及使熱量分佈均勻的目的。進一步地，當該奈米碳管結構急劇升溫時，該基體材料可起到緩衝熱量的作用，使該加熱元件204的溫度變化較為柔和。該基體材料還可增強整個奈米碳管複合結構的柔性與韌性。

可理解，通過將基體材料與自支撐的奈米碳管結構直接複合形成加熱元件204，可使奈米碳管在加熱元件204中均勻分佈，且奈米碳管的含量可為1%~99%，提高熱源10的發熱溫度。由於該奈米碳管結構為一自支撐結構，且奈米碳管在奈米碳管結構中均勻分佈，將該自支撐的奈米碳管結構與基體材料直接複合，可使複合後形成的加熱元件204中奈米碳管仍相互結合保持一奈米碳管結構的形態，從而使加熱元件204中奈米碳管既能均勻分佈形成導電網絡，又不受奈米碳管在溶液中分散濃度的限制，使奈米碳管在加熱元件中的質量百分含量可達到99%。

所述電極206的設置位置不限，只要與所述加熱元件204電連接即可。所述電極206可設置於加熱元件204的同一表面上也可設置於加熱元件204的不同表面上。所述電極206可通過奈米碳管結構的黏性或導電黏結劑(圖未示)設置於該加熱元件204的表面上。導電黏結劑在實現電極206與奈米碳管結構電接觸的同時，還可將電極206更好地固定於奈米碳管結構的 表面上。具體地，該導電黏結劑可為銀膠。通過該兩個電極206可對加熱元件204施加電壓。其中，兩個電極206之間相隔設置，以使採用奈米碳管結構的加熱元件204通電發熱時接入一定的阻值避免短路現象產生。優選地，由於線狀支撐結構202直徑較小，兩個電極206間隔設置於線狀支撐結構202的兩端，並環繞設置於加熱元件204的表面。

具體地，當該加熱元件204的基體材料只填充於該奈米碳管結構的微孔中時，由於該奈米碳管結構中部分奈米碳管的部分暴露於該奈米碳管複合結構表面，該電極206可設置於加熱元件204的表面上，從而使電極206與奈米碳管結構電連接。該電極206可設置於加熱元件204的同一表面上也可設置於加熱元件204的不同表面上。另，當該奈米碳管複合結構的基體材料包覆整個奈米碳管結構時，為使該電極206與該奈米碳管結構電連接，該電極206可設置於奈米碳管複合結構中，並直接與奈米碳管結構接觸。此時，為使該電極206與外部電源導通，該電極206可部分暴露於奈米碳管複合結構之外；或者，該線熱源20可進一步包括兩條引線，分別與該兩個電極206電連接，並從該奈米碳管複合結構內部引出。

當該奈米碳管結構中的奈米碳管有序排列時，優選地，該奈米碳管的排列方向沿從一個電極206至另一電極206方向延伸。具體地，當該奈米碳管結構包括至少一奈米碳管拉膜時，所述兩個電極206分別設置於該奈米碳管拉膜的兩端，使奈米碳管拉膜中的奈米碳管從一個電極206至另一電極206的方 向首尾相連定向排列。

所述電極206為導電薄膜、金屬片或者金屬引線。該導電薄膜的材料可為金屬、合金、銦錫氧化物(ITO)、銻錫氧化物(ATO)、導電銀膠、導電聚合物等。該導電薄膜可通過物理氣相沈積法、化學氣相沈積法或其他方法形成於加熱元件204表面。該金屬片或者金屬引線的材料可為銅片或鋁片等。該金屬片可通過導電黏結劑固定於加熱元件204表面。

所述電極206還可為一奈米碳管結構。該奈米碳管結構可通過其自身的黏性或導電黏結劑固定於熱反射層210或線狀支撐結構202的表面。該奈米碳管結構包括定向排列且均勻分佈的金屬性奈米碳管。具體地，該奈米碳管結構包括至少一奈米碳管拉膜或至少一奈米碳管線。

本實施例中，優選地，將兩個奈米碳管拉膜分別設置於沿線狀支撐結構202長度方向的兩端作為電極206。該兩個奈米碳管拉膜環繞於加熱元件204的內表面，並通過導電黏結劑與加熱元件204之間形成電接觸。所述導電黏結劑優選為銀膠。由於本實施例中的加熱元件204也採用奈米碳管結構，故，電極206與加熱元件204之間具有較小的歐姆接觸電阻，可提高線熱源20對電能的利用率。

可理解，電極206的結構和材料均不限，只要能向所述奈米碳管複合結構中輸入電流的方式都在本發明的保護範圍內。

所述絕緣保護層208的材料為一絕緣材料，如：橡膠及樹脂 等中的一種或多種。所述絕緣保護層208厚度不限，可根據實際情況選擇。所述絕緣保護層208的厚度為0.5毫米~2毫米。本實施例中，該絕緣保護層208的材料採用橡膠，其厚度為0.5毫米。所述絕緣保護層208用來防止該線熱源20使用時與外界形成電接觸，同時還可防止加熱層204中的奈米碳管結構吸附外界雜質。可理解，該絕緣保護層208為一可選擇結構。

奈米碳管具有良好的導電性能及熱穩定性，且作為一理想的黑體結構，具有比較高的熱輻射效率。將本實施例的線熱源20的兩個電極206連接導線後接入電源，施加一定電壓於所述奈米碳管複合結構，線熱源20中的奈米碳管複合結構即可輻射出一定波長範圍的電磁波。當奈米碳管結構的面積大小一定時，通過調節電源電壓大小和奈米碳管結構的厚度，該線熱源20可輻射出不同波長範圍的電磁波。電源電壓的大小一定時，奈米碳管結構的厚度和線熱源20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，奈米碳管結構的厚度越厚，線熱源20輻射出電磁波的波長越短；奈米碳管結構的厚度越薄，線熱源20輻射出電磁波的波長越長。具體地，該奈米碳管結構可產生一紅外線熱輻射。奈米碳管結構的厚度一定時，電源電壓的大小和線熱源20輻射出的電磁波的波長成反比。即當奈米碳管結構的厚度一定時，電源電壓越大，線熱源20輻射出的電磁波的波長越短；電源電壓越小，線熱源20輻射出的電磁波的波長越長。

可理解，該線熱源20於應用時應根據基體材料的耐熱性限制施加於兩個電極206兩端的電壓大小，使奈米碳管複合結構的發熱溫度控制於該基體材料能耐受的溫度範圍內。例如，當該基體材料為有機高分子聚合物時，該電壓小於等於10伏，該熱源的發熱溫度為120℃以下。當該基體材料為陶瓷時，該電壓範圍為10伏~30伏，該熱源的發熱溫度可為120℃~500℃。

當該線熱源20的奈米碳管複合結構中的基體材料為柔性的聚合物材料，且線狀支撐結構202也由柔性材料製作時，該線熱源20為一柔性線熱源20。該線熱源20使用時，可將其設置於所要加熱的物體表面或將其與被加熱的物體間隔設置，利用其熱輻射即可進行加熱。另，還可將複數個該線熱源20排列或編織成各種預定的圖形使用。該柔性的線熱源20可用於製造自發熱的取暖服、取暖手套或取暖鞋、電加熱器、紅外治療儀、電暖器等，具有廣泛的應用範圍。

請參閱圖16，本發明第一實施例進一步提供上述線熱源20的製備方法，其具體包括以下步驟：

步驟S101，提供一奈米碳管結構。

根據奈米碳管結構的不同，所述奈米碳管結構的製備方法包括：直接拉膜法、碾壓法、絮化法等。下面將對上述幾種奈米碳管結構的製備方法進行分別敍述。

(一)當該奈米碳管結構包括至少一奈米碳管拉膜，該奈米 碳管結構的製備方法包括以下步驟：

首先，提供一奈米碳管陣列形成於一生長基底，該陣列優選為超順排的奈米碳管陣列。

該奈米碳管陣列的製備方法採用化學氣相沈積法，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型矽生長基底，或選用形成有氧化層的矽生長基底，本發明實施例優選為採用4英寸的矽生長基底；(b)於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於700℃~900℃的空氣中退火約30分鐘~90分鐘；(d)將處理過的生長基底置於反應爐中，並於保護氣體環境下加熱到500℃~740℃，然後通入碳源氣體反應約5分鐘~30分鐘，生長得到奈米碳管陣列。該奈米碳管陣列為複數個彼此平行且垂直於生長基底生長的奈米碳管形成的純奈米碳管陣列。通過上述控制生長條件，該定向排列的奈米碳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。

本發明實施例提供的奈米碳管陣列為單壁奈米碳管陣列、雙壁奈米碳管陣列及多壁奈米碳管陣列中的一種。所述奈米碳管的直徑為1奈米~50奈米，長度為50奈米~5毫米。本實施例中，奈米碳管的長度優選為100微米~900微米。

本發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，本發明實施例優選的碳源氣為乙炔；保護氣體為氮氣或惰性氣體，本發明實施例優選的保護氣體為氬氣。

可理解，本發明實施例提供的奈米碳管陣列不限於上述製備方法，也可為石墨電極恒流電弧放電沈積法、雷射蒸發沈積法等。

其次，採用一拉伸工具從奈米碳管陣列中拉取奈米碳管獲得至少一奈米碳管拉膜，其具體包括以下步驟：(a)從所述超順排奈米碳管陣列中選定一個或具有一定寬度的複數個奈米碳管，本實施例優選為採用具有一定寬度的膠帶、鑷子或夾子接觸奈米碳管陣列以選定一個或具有一定寬度的複數個奈米碳管；(b)以一定速度拉伸該選定的奈米碳管，從而形成首尾相連的複數個奈米碳管片段，進而形成一連續的奈米碳管膜。該拉取方向沿基本垂直於奈米碳管陣列的生長方向。

上述拉伸過程中，該複數個奈米碳管片段於拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離生長基底的同時，由於凡德瓦爾力作用，該選定的複數個奈米碳管片段分別與其他奈米碳管片段首尾相連地連續地被拉出，從而形成一連續、均勻且具有一定寬度的奈米碳管膜。該奈米碳管膜包括複數個首尾相連的奈米碳管，該奈米碳管基本沿拉伸方向排列。請參閱圖8及圖9，該奈米碳管膜包括複數個擇優取向排列的奈米碳管145。進一步地，所述奈米碳管膜包括複數個首尾相連且定向排列的奈 米碳管片段143，奈米碳管片段143兩端通過凡德瓦爾力相互連接。該奈米碳管片段143包括複數個相互平行排列的奈米碳管145。該直接拉伸獲得奈米碳管膜的方法簡單快速，適宜進行工業化應用。

該奈米碳管膜的寬度與奈米碳管陣列的尺寸有關，該奈米碳管膜的長度不限，可根據實際需求制得。當該奈米碳管陣列的面積為4英寸時，該奈米碳管膜的寬度為0.5奈米~10厘米，該奈米碳管膜的厚度為0.5奈米~100微米。

最後，利用上述奈米碳管拉膜製備奈米碳管結構。

該奈米碳管拉膜可直接作為一奈米碳管結構使用。進一步，還可將至少兩個奈米碳管拉膜平行無間隙或/和重疊鋪設得到一奈米碳管結構。由於該奈米碳管拉膜具有較大的比表面積，故，該奈米碳管拉膜具有較大黏性，故多層奈米碳管膜可相互緊密結合形成一奈米碳管結構。該奈米碳管結構中，奈米碳管拉膜的層數不限，且相鄰兩層奈米碳管拉膜之間具有一交叉角度α，0°≦α≦90°，具體可依據實際需求製備。

本實施例中，進一步包括用有機溶劑處理奈米碳管結構的步驟，該有機溶劑為揮發性有機溶劑，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採用乙醇。該使用有機溶劑處理的步驟具體為：將該奈米碳管結構設置於一基底表面或一框架結構上，通過試 管將有機溶劑滴落於奈米碳管結構表面浸潤整個奈米碳管結構，或者，也可將上述奈米碳管結構浸入盛有有機溶劑的容器中浸潤。所述的奈米碳管結構經有機溶劑浸潤處理後，當奈米碳管膜的層數較少時，於表面張力的作用下，奈米碳管膜中相鄰的奈米碳管會收縮成間隔分佈的奈米碳管線。而當奈米碳管膜的層數較多時，有機溶劑處理後的多層奈米碳管膜為一均勻的膜狀結構。有機溶劑處理後，奈米碳管結構的黏性降低，更利於使用。

所述奈米碳管拉膜及其製備方法具體請參見范守善等人於2007年2月12日申請的，於2008年8月16日公開的第TW200833862號台灣公開專利申請“奈米碳管膜結構及其製備方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。

(二)當該奈米碳管結構包括至少一奈米碳管碾壓膜，該奈米碳管結構的製備方法包括以下步驟：

首先，提供一奈米碳管陣列形成於一生長基底，該陣列為定向排列的奈米碳管陣列。

所述奈米碳管陣列優選為一超順排的奈米碳管陣列。所述奈米碳管陣列與上述奈米碳管陣列的製備方法相同。

其次，採用一施壓裝置，擠壓上述奈米碳管陣列獲得一奈米碳管碾壓膜，其具體過程為：

該施壓裝置施加一定的壓力於上述奈米碳管陣列上。施壓的 過程中，奈米碳管陣列於壓力的作用下會與生長基底分離，從而形成由複數個奈米碳管組成的具有自支撐結構的奈米碳管碾壓膜，且所述的複數個奈米碳管基本上與奈米碳管碾壓膜的表面平行。

本發明實施例中，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製備的奈米碳管碾壓膜中奈米碳管的排列方式。具體地，當採用平面壓頭沿垂直於上述奈米碳管陣列生長基底的方向擠壓時，可獲得各向同性的奈米碳管碾壓膜；當採用滾軸狀壓頭沿某一固定方向碾壓時，可獲得奈米碳管沿該固定方向取向排列的奈米碳管碾壓膜；當採用滾軸狀壓頭沿不同方向碾壓時，可獲得奈米碳管沿不同方向取向排列的奈米碳管碾壓膜。

可理解，當採用上述不同方式擠壓上述的奈米碳管陣列時，奈米碳管會於壓力的作用下傾倒，並與相鄰的奈米碳管通過凡德瓦爾力相互吸引、連接形成由複數個奈米碳管組成的具有自支撐結構的奈米碳管碾壓膜。所述的複數個奈米碳管與該生長基底的表面成一夾角β，其中，β大於等於零度且小於等於15度(0°≦β≦15°)。依據碾壓的方式不同，該奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管可沿一固定方向擇優取向排列，請參閱圖10；或沿不同方向擇優取向排列，請參閱圖11。另，在壓力的作用下，奈米碳管陣列會與生長的基底分離，從而使得該奈米碳管碾壓膜容易與基底脫離，從而形成一自支撐的奈米碳管碾壓膜。

本技術領域技術人員應明白，上述奈米碳管陣列的傾倒程度與壓力的大小有關，壓力越大，傾角(即奈米碳管與奈米碳管陣列生長方向的夾角)越大。製備的奈米碳管碾壓膜的厚度取決於奈米碳管陣列的高度及壓力大小。奈米碳管陣列的高度越大而施加的壓力越小，則製備的奈米碳管碾壓膜的厚度越大；反之，奈米碳管陣列的高度越小而施加的壓力越大，則製備的奈米碳管碾壓膜的厚度越小。該奈米碳管碾壓膜的寬度與奈米碳管陣列所生長的基底的尺寸有關，該奈米碳管碾壓膜的長度不限，可根據實際需求制得。本發明實施例中獲得的奈米碳管碾壓膜的厚度為1微米~2毫米。

上述奈米碳管碾壓膜中包括複數個沿同一方向或擇優取向排列的奈米碳管，所述奈米碳管之間通過凡德瓦爾力相互吸引，故，該奈米碳管碾壓膜具有很好的韌性。該奈米碳管碾壓膜中，奈米碳管均勻分佈，規則排列。

可理解，該奈米碳管碾壓膜具有一定的厚度，且通過奈米碳管陣列的高度及壓力大小可控制其厚度。故，該奈米碳管碾壓膜可直接作為一奈米碳管結構使用。另，可將至少兩層奈米碳管碾壓膜層疊設置或併排設置形成一奈米碳管結構。

該奈米碳管碾壓膜中奈米碳管的長度大於50微米。所述奈米碳管碾壓膜及其製備方法具體請參見范守善等人於2007年6月29日申請的，於2009年1月1日公開的第TW200900348號台灣專利申請“奈米碳管薄膜的製備方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請 技術揭露的一部分。

(三)當該奈米碳管結構包括至少一奈米碳管絮化膜時，該奈米碳管結構的製備方法包括以下步驟：

首先，提供一奈米碳管原料。

所述奈米碳管原料可為通過化學氣相沈積法、石墨電極恒流電弧放電沈積法或雷射蒸發沈積法等各種方法製備的奈米碳管。

本實施例中，採用刀片或其他工具將上述定向排列的奈米碳管陣列從基底刮落，獲得一奈米碳管原料。優選地，所述的奈米碳管原料中，奈米碳管的長度大於100微米。

其次，將上述奈米碳管原料添加到一溶劑中並進行絮化處理獲得一奈米碳管絮狀結構，將上述奈米碳管絮狀結構從溶劑中分離，並對該奈米碳管絮狀結構定型處理以獲得一奈米碳管膜。

本發明實施例中，溶劑可選用水、易揮發的有機溶劑等。絮化處理可通過採用超聲波分散處理或高強度攪拌等方法。優選地，本發明實施例採用超聲波分散10分鐘~30分鐘。由於奈米碳管具有極大的比表面積，相互纏繞的奈米碳管之間具有較大的凡德瓦爾力。上述絮化處理並不會將該奈米碳管原料中的奈米碳管完全分散於溶劑中，奈米碳管之間通過凡德瓦爾力相互吸引、纏繞，形成網絡狀結構。

本發明實施例中，所述的分離奈米碳管絮狀結構的方法具體包括以下步驟：將上述含有奈米碳管絮狀結構的溶劑倒入一放有濾紙的漏斗中；靜置乾燥一段時間從而獲得一分離的奈米碳管絮狀結構，圖17為該奈米碳管絮狀結構的照片。

本發明實施例中，所述的奈米碳管絮狀結構的定型處理過程具體包括以下步驟：將上述奈米碳管絮狀結構置於一容器中；將該奈米碳管絮狀結構按照預定形狀攤開；施加一定壓力於攤開的奈米碳管絮狀結構；及，將該奈米碳管絮狀結構中殘留的溶劑烘乾或等溶劑自然揮發後獲得一奈米碳管絮化膜。

可理解，本發明實施例可通過控制該奈米碳管絮狀結構攤開的面積來控制該奈米碳管絮化膜的厚度和面密度。奈米碳管絮狀結構攤開的面積越大，則該奈米碳管絮化膜的厚度和面密度就越小。本發明實施例中獲得的奈米碳管絮化膜的厚度為1微米~2毫米。

另，上述分離與定型處理奈米碳管絮狀結構的步驟也可直接通過抽濾的方式實現，具體包括以下步驟：提供一微孔濾膜及一抽氣漏斗；將上述含有奈米碳管絮狀結構的溶劑經過該微孔濾膜倒入該抽氣漏斗中；抽濾並乾燥後獲得一奈米碳管絮化膜。該微孔濾膜為一表面光滑、孔徑為0.22微米的濾膜。由於抽濾方式本身將提供一較大的氣壓作用於該奈米碳管絮狀結構，該奈米碳管絮狀結構經過抽濾會直接形成一均勻的奈米碳管絮化膜。且，由於微孔濾膜表面光滑，該奈米碳 管絮化膜容易剝離，得到一自支撐的奈米碳管絮化膜。

請參見圖12，上述奈米碳管絮化膜中包括相互纏繞的奈米碳管，所述奈米碳管之間通過凡德瓦爾力相互吸引、纏繞，形成網絡狀結構，故，該奈米碳管絮化膜具有很好的韌性。該奈米碳管絮化膜中，奈米碳管均勻分佈，無規則排列，使得該奈米碳管絮化膜各向同性。

可理解，該奈米碳管絮化膜具有一定的厚度，且通過控制該奈米碳管絮狀結構攤開的面積及壓力大小可控制其厚度。故，該奈米碳管絮化膜可直接作為一奈米碳管結構使用。另，可將至少兩層奈米碳管絮化膜層疊設置或併排設置形成一奈米碳管結構。

所述奈米碳管絮化膜的面積及厚度均不限，厚度為1微米~1毫米，優選為100微米。所述奈米碳管絮化膜及其製備方法具體請參見范守善等人於2007年5月11日申請的，於2008年11月16日公開的第TW200844041號台灣專利申請“奈米碳管薄膜的製備方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。

(四)當該奈米碳管結構包括至少一奈米碳管線狀結構時，該奈米碳管結構的製備方法包括以下步驟：

首先，提供至少一奈米碳管拉膜。

該奈米碳管拉膜的形成方法與步驟(一)中奈米碳管拉膜的形成方法相同。

其次，處理該奈米碳管拉膜，形成至少一奈米碳管線。

該處理奈米碳管拉膜的步驟可為採用有機溶劑處理該奈米碳管拉膜，從而得到一非扭轉的奈米碳管線，或為採用機械外力扭轉該奈米碳管拉膜，從而得到一扭轉的奈米碳管線。

採用有機溶劑處理該奈米碳管拉膜的步驟具體為：將有機溶劑浸潤所述奈米碳管拉膜的整個表面，在揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，奈米碳管拉膜中的相互平行的複數個奈米碳管通過凡德瓦爾力緊密結合，從而使奈米碳管拉膜收縮為一非扭轉的奈米碳管線。該有機溶劑為揮發性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中採用乙醇。通過有機溶劑處理的非扭轉奈米碳管線與未經有機溶劑處理的奈米碳管拉膜相比，比表面積減小，黏性降低。可理解，該採用有機溶劑處理奈米碳管拉膜形成非扭轉的奈米碳管線的方法與步驟(一)中採用有機溶劑降低奈米碳管拉膜的黏性的方法相似，其區別在於，當需要形成非扭轉的奈米碳管線時，奈米碳管拉膜的兩端不固定，即不將奈米碳管拉膜設置於基底表面或框架結構上。

採用機械外力扭轉該奈米碳管拉膜的步驟為採用一機械力將所述奈米碳管膜兩端沿相反方向扭轉。本發明實施例中，具體可提供一個尾部可黏住奈米碳管拉膜的紡紗軸。將該紡紗軸的尾部與奈米碳管拉膜結合後，將該紡紗軸以旋轉的方式旋轉該奈米碳管拉膜，形成一扭轉的奈米碳管線。可理解，上述紡紗軸的旋轉方式不限，可正轉，也可反轉，或者正轉 和反轉相結合。

當該奈米碳管陣列的面積為4英寸時，製備的扭轉的奈米碳管線或非扭轉的奈米碳管線的直徑為10微米~100微米。進一步地，可採用一揮發性有機溶劑處理該扭轉的奈米碳管線。在揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，處理後的扭轉的奈米碳管線中相鄰的奈米碳管通過凡德瓦爾力緊密結合，使扭轉的奈米碳管線的比表面積減小，黏性降低，與未經有機溶劑處理的扭轉的奈米碳管線相比密度及強度均增大。

所述奈米碳管線及其製備方法具體請參見范守善等人於2002年11月5日申請的，於2008年11月21日公告的第I303239號台灣公告專利“一種奈米碳管繩及其製造方法”，及於於2005年12月16日申請的，於2007年7月1日公開的第TW200724486號台灣公開專利申請“奈米碳管絲及其製作方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。

再次，利用上述奈米碳管線製備至少一奈米碳管線狀結構，並得到一奈米碳管結構。

上述扭轉的奈米碳管線或非扭轉的奈米碳管線為一自支撐結構，可直接作為一奈米碳管線狀結構使用。另，可將複數個奈米碳管線平行排列成一束狀結構的奈米碳管線狀結構，或者將該平行排列的複數個奈米碳管線經一扭轉步驟得到一絞 線結構的奈米碳管線狀結構。進一步地，可將該複數個奈米碳管線或奈米碳管線狀結構相互平行設置、交叉設置或編織成一層狀的奈米碳管結構。

步驟S102，提供一線狀支撐結構202，並將該奈米碳管結構設置於該線狀支撐結構202的表面。

所述線狀支撐結構202用於支撐奈米碳管結構，其材料可為硬性材料，如：陶瓷、玻璃、樹脂、石英等，亦可選擇柔性材料，如：塑膠或柔性纖維等。本實施例優選的線狀支撐結構202為一陶瓷桿。

將上述奈米碳管結構設置於所述線狀支撐結構202表面的方法為：由於奈米碳管結構具有黏性，故，可將一奈米碳管結構直接纏繞或包裹於所述線狀支撐結構202表面，並通過其黏性固定於線狀支撐結構202表面。或者，也可通過黏結劑將一奈米碳管結構固定於所述線狀支撐結構202表面。所述黏結劑為矽膠。

可理解，所述奈米碳管結構的設置方式與該奈米碳管結構的具體結構有關。當奈米碳管結構包括奈米碳管拉膜或奈米碳管碾壓膜，且奈米碳管碾壓膜中奈米碳管沿同一方向或不同方向擇優取向排列時，需保證該奈米碳管結構中的部分奈米碳管由線狀支撐結構202的一端向另一端排列。當奈米碳管結構包括絮化膜或包括奈米碳管碾壓膜，且奈米碳管碾壓膜中奈米碳管各向同性時，所述奈米碳管結構的設置方式不限 。當奈米碳管結構包括奈米碳管線狀結構時，可將單個奈米碳管線狀結構纏繞於線狀支撐結構202的表面或將複數個奈米碳管線狀結構平行、交叉或編織設置成一層狀奈米碳管結構後，再包裹於線狀支撐結構202的表面。可理解，當將複數個奈米碳管線狀結構平行設置於線狀支撐結構202的表面時，奈米碳管線狀結構需沿線狀支撐結構202的長度方向設置。

本實施例中，奈米碳管結構採用重疊且交叉設置的100層奈米碳管拉膜，相鄰兩層奈米碳管拉膜之間交叉的角度為90度。該100層奈米碳管拉膜的厚度為300微米。利用奈米碳管結構本身的黏性，將該奈米碳管結構包裹於所述線狀支撐結構202的表面。

進一步，在將奈米碳管結構設置於線狀支撐結構202的表面之前，還可形成一熱反射層210於線狀支撐結構202的表面。於線狀支撐結構202的表面形成一熱反射層210的方法包括塗覆及鍍膜中的一種或多種。所述熱反射層210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210材料優選為三氧化二鋁，其厚度為100微米。

步驟S103，間隔形成兩個電極206，並將該兩個電極206分別與該奈米碳管結構形成電連接。

所述的兩個電極206的設置方式與奈米碳管結構有關，需保 證奈米碳管結構中的部分奈米碳管沿著其中一個電極206向另一個電極206的方向延伸。

所述的兩個電極206可設置於奈米碳管結構的同一表面上或不同表面上，且兩個電極206環繞設置於奈米碳管結構的表面。其中，兩個電極206間隔設置，以使奈米碳管結構應用於線熱源20時接入一定的阻值避免短路現象產生。奈米碳管結構本身有很好的黏附性與導電性，故電極206可與奈米碳管結構之間形成很好的電接觸。

所述電極206為導電薄膜、金屬片或者金屬引線。該導電薄膜的材料可為金屬、合金、銦錫氧化物(ITO)、銻錫氧化物(ATO)、導電銀膠、導電聚合物等。該導電薄膜可通過物理氣相沈積法，化學氣相沈積法或其他方法形成於奈米碳管結構表面。該金屬片可為銅片或鋁片等。該金屬片或者金屬引線可通過導電黏結劑固定於奈米碳管結構表面。本實施例中，通過濺射法分別於該奈米碳管結構表面沈積兩個鈀膜作為電極206，然後將該兩個鈀膜分別與一導電引線電連接。

所述電極206還可為一金屬性奈米碳管結構。該奈米碳管結構包括定向排列且均勻分佈的金屬性奈米碳管。具體地，該奈米碳管結構包括至少一奈米碳管拉膜或至少一奈米碳管線。優選地，將兩個奈米碳管拉膜分別設置於沿線狀支撐結構202長度方向的兩端作為電極206。

可理解，本實施例中，還可先於奈米碳管結構的表面形成兩個平行且間隔設置的電極206，且該電極206與奈米碳管結構電連接。然後，將該形成有電極206的奈米碳管結構設置於上述線狀支撐結構202的表面。在形成兩個電極206後，可進一步形成兩條導電引線，分別從兩個電極206引出至外部電源。

步驟S104，提供一基體材料預製體，並將基體材料預製體與奈米碳管結構複合，形成一奈米碳管複合結構。

所述基體材料預製體可為基體材料所形成的溶液或製備該基體材料的前驅反應物。該基體材料預製體於一定溫度下應為液態或氣態。所述將基體材料預製體與奈米碳管結構複合的方法包括塗覆，沈積，印刷，浸漬及噴塗中的一種或多種。

所述基體材料包括高分子材料或非金屬材料等。具體地，該高分子材料可包括熱塑性聚合物或熱固性聚合物中的一種或多種，故該基體材料預製體可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性有機溶劑中溶解後形成的混合液。該非金屬材料可包括玻璃、陶瓷及半導體材料中的一種或多種，故該基體材料預製體可為非金屬材料顆粒製成的漿料、製備該非金屬材料的反應氣體或呈氣態的該非金屬材料。具體地，可採用真空蒸鍍、濺鍍、化學氣相沈積(CVD)及物理氣相沈積(PVD)的方法形成氣態的基體材料預製體，並使該基體材料預製體沈積於奈米碳管結構的奈米碳管表面。另，可將大 量非金屬材料顆粒分散於溶劑中，形成一漿料作為該基體材料預製體。

當該基體材料預製體為液態時，可通過將該液態基體材料預製體浸潤該奈米碳管結構及固化該基體材料預製體，從而使該基體材料滲透至該奈米碳管結構的微孔中，形成一奈米碳管複合結構；當該基體材料預製體為氣態時，可將該基體材料預製體沈積於奈米碳管結構中的奈米碳管表面，從而使該基體材料充滿該奈米碳管結構的微孔中，形成一奈米碳管複合結構。當該基體材料預製體為漿料時，可通過塗覆、噴塗等方法與該奈米碳管結構形成複合結構。

本實施例採用注膠法將高分子材料與奈米碳管結構複合，形成一奈米碳管複合結構，請參閱圖18，該方法具體包括以下步驟：

步驟S1041：提供一液態熱固性高分子材料。

所述液態熱固性高分子材料的黏度低於5帕‧秒，並能於室溫下保持該黏度30分鐘以上。所述熱固性高分子材料包括高分子材料和固化劑、改性劑、填料或者稀釋劑等添加物。其中，高分子材料的含量占所述熱固性高分子材料質量的70%~95%，所述添加物的含量占所述熱固性高分子材料質量的5%~30%。所述高分子材料為酚醛樹脂、環氧樹脂、雙馬來醯亞胺樹脂、聚苯並惡嗪樹脂、氰酸酯樹脂、聚醯亞胺樹脂、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯和不飽和聚醯樹脂等中一種或 者幾種混合。所述固化劑用於促進所述熱固性高分子材料的固化，其包括脂肪胺、脂環胺、芳香胺、聚醯胺、酸酐、樹脂類和叔胺中一種或者幾種混合。所述改性劑用於改善所述熱固性高分子材料的柔性、抗剪、抗彎、抗沖或者提高絕緣性等。常用改性劑包括聚硫橡膠、聚醯胺樹脂、聚乙烯醇叔丁醛或者丁腈橡膠類中一種或者幾種混合。所述填料用於改善所述熱固性高分子材料固化時的散熱條件，用填料也可減少所述熱固性高分子材料的用量，降低成本。常用填料包括石棉纖維、玻璃纖維、石英粉、瓷粉、氧化鋁和矽膠粉中一種或者幾種混合。所述稀釋劑用於降低樹脂黏度，改善樹脂的滲透性。所述稀釋劑包括二縮水甘油醚、多縮水甘油醚、環氧丙烷丁基醚、環氧丙烷苯基醚、二環氧丙烷乙基醚、三環氧丙烷丙基醚和烯丙基苯酚中的一種或者幾種混合。

本發明實施例優選以環氧樹脂製備液態熱固性高分子材料，其具體包括以下步驟：

首先，將縮水甘油醚型環氧和縮水甘油酯型環氧的混合物置於一容器中，加熱至30℃~60℃，並對容器中所述縮水甘油醚型環氧和縮水甘油酯型環氧的混合物攪拌10分鐘，直至所述縮水甘油醚型環氧和縮水甘油酯型環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氧和縮水甘油酯型環氧的混合物中進行化學反應。

最後，將所述縮水甘油醚型環氧和縮水甘油酯型環氧的混合物加熱至30℃~60℃，從而得到一含環氧樹脂的液態熱固性高分子材料。

步驟S1042：採用所述液態熱固性高分子材料浸潤所述奈米碳管結構。

所述採用液態熱固性高分子材料浸潤所述奈米碳管結構的方法包括以下步驟：

首先，將設置有奈米碳管結構的線狀支撐結構202置於一模具中；其次，將所述液態熱固性高分子材料注射進所述模具中，浸潤所述奈米碳管結構。為讓液態熱固性高分子材料充分浸潤所述奈米碳管結構，浸潤所述奈米碳管結構的時間不能少於10分鐘。

本實施例中將100層奈米碳管拉膜層疊包裹於陶瓷桿的表面後置於模具中。然後將環氧樹脂的液態熱固性高分子材料注射進所述模具中，浸潤所述奈米碳管結構20分鐘。

可理解，將所述液態熱固性高分子材料浸潤所述奈米碳管結構的方法不限注射的方法，所述液態熱固性高分子材料還可通過毛細作用被吸入到所述奈米碳管結構中，浸潤所述奈米碳管結構，或者將所述奈米碳管結構浸泡於所述液態熱固性高分子材料中。

步驟S1043：固化液態熱固性高分子材料，得到一奈米碳管高分子材料複合結構。

本實施例中，含環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℃~70℃，在該溫度下含環氧樹脂的熱固性高分子材料為液態，維持該溫度1小時~3小時，使得該熱固性高分子材料繼續吸熱以增加其固化度。

其次，繼續加熱該模具至80℃~100℃，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吸熱以增加其固化度。

再次，繼續加熱該模具至110℃~150℃，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吸熱以增加其固化度。

最後，停止加熱，待該模具降溫至室溫後，脫模可得一奈米碳管高分子材料複合結構。

可理解，上述方法還可將該模具一次加熱至110℃~150℃進行固化。上述製備奈米碳管複合結構的具體步驟可參見范守善等人於2007年12月16日申請的申請號為96150104的台灣專利申請“奈米碳管複合材料的製備方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。

可理解，上述步驟S103中形成電極206的步驟可在步驟S104形成該奈米碳管複合結構之後進行。當該基體材料僅填充於該奈米碳管結構的微孔中，從而使奈米碳管部分暴露於奈米碳管複合結構表面時，可採用與步驟S103相同的方法將兩個電極206直接形成於該奈米碳管複合結構表面，並與奈米碳管結構形成電連接。當該基體材料全部包覆該奈米碳管結構時，可採用一切割的步驟切割該奈米碳管複合結構，從而使該奈米碳管結構暴露於奈米碳管複合結構表面，進而採用與步驟S103相同的方法將該兩個電極206與暴露出來的奈米碳管結構電連接。

進一步，本實施例還可形成一絕緣保護層208於該加熱元件204的外表面，並將加熱元件204覆蓋。所述絕緣保護層208的材料為一絕緣材料，如：橡膠、樹脂等。所述絕緣保護層208厚度不限，可根據實際情況選擇。本實施例中，該絕緣保護層208的材料採用橡膠，其厚度為0.5毫米。該絕緣保護層208可通過黏結劑或機械固定的方法固定於加熱元件204表面。另，當該絕緣保護層208的材料為一熱塑性聚合物時，可將該熱塑性聚合物於高溫下於融化狀態塗敷或包裹於加熱元件204表面，待低溫時固化形成該絕緣保護層208。另，當該絕緣保護層208為一柔性聚合物，如一聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜時，可通過一熱壓步驟，將該絕緣保護層205與該加熱元件204疊加並熱壓，使絕緣保護層208與加熱元件204牢固結合。

請參見圖19，可選擇地，當本發明第一實施例中的加熱元件204為一柔性奈米碳管複合結構時，該線熱源20可通過以下方法製備，具體包括以下步驟：

步驟S401，提供一奈米碳管結構。

步驟S402，提供一柔性基體材料預製體，並將柔性基體材料預製體與奈米碳管結構複合，形成一柔性奈米碳管複合結構。

步驟S403，提供一線狀支撐結構202，並將該柔性奈米碳管複合結構設置於線狀支撐結構202的表面。

步驟S404，間隔形成兩個電極206，並將該兩個電極206分別與該柔性奈米碳管複合結構中的奈米碳管結構形成電連接。

當奈米碳管結構完全被基體材料包覆時，可進一步通過切割等方式使該奈米碳管結構部分暴露於柔性奈米碳管複合結構表面，從而確保電極206與奈米碳管結構電連接。

可理解，也可預先形成兩個電極206與奈米碳管結構電連接，再將奈米碳管結構與柔性基體材料預製體複合形成奈米碳管複合結構。

請參閱圖20，本發明第二實施例提供一種線熱源30，該線熱源30包括一加熱元件304及兩個電極302間隔設置且與該加熱元件304電連接。該加熱元件304包括一線狀奈米碳管複合結構。所述線狀奈米碳管複合結構與本發明第一實施例中的所 述線狀奈米碳管複合結構相同。所述線狀奈米碳管複合結構包括至少一奈米碳管線狀結構及基體材料，所述基體材料滲透於所述至少一奈米碳管線狀結構中。所述奈米碳管線狀結構包括複數個微孔，所述基體材料滲透於該奈米碳管線狀結構的微孔中。所述線狀奈米碳管複合結構還可包括一基體及至少一奈米碳管線狀結構複合於該基體中。可理解，將該奈米碳管線狀結構直接放置於模具中，然後將液態熱固性高分子材料注入到模具中浸潤該奈米碳管線狀結構，最後加熱固化即可製備該線狀奈米碳管複合結構。所述奈米碳管線狀結構及基體材料與本發明第一實施例中的奈米碳管線狀結構及基體材料相同。由於奈米碳管線狀結構具有自支撐特性，該線狀奈米碳管複合結構也具有自支撐特性。所述電極302可環繞於該線狀奈米碳管複合材料的表面並與所述奈米碳管線狀結構電連接。所述電極302的材料與本發明第一實施例中的電極206相同。

所述的線熱源及其製備方法具有以下優點：第一，由於該奈米碳管結構為一自支撐結構，且奈米碳管於奈米碳管結構中均勻分佈，將該自支撐的奈米碳管結構與基體材料直接複合，可使複合後形成的加熱元件中奈米碳管仍相互結合保持一奈米碳管結構的形態，從而使加熱元件中奈米碳管既能均勻分佈形成導電網絡，又不受奈米碳管於溶液中分散濃度的限制，使奈米碳管於加熱元件中的質量百分含量可達到99%，使該熱源具有更高的加熱性能。另，該基體材料的種類不限 於聚合物，使該熱源的應用範圍更加廣泛。第二，由於奈米碳管具有較好的強度及韌性，奈米碳管結構的強度較大，柔性較好，不易破裂，使其具有較長的使用壽命，特別的，當該奈米碳管結構與柔性基體材料複合形成加熱元件時，可製備一柔性熱源，使該熱源具有更廣的應用範圍。第三，奈米碳管結構中的奈米碳管均勻分佈，故，加熱元件具有均勻的厚度及電阻，發熱均勻。由於奈米碳管的電熱轉換效率高，故，該線熱源具有升溫迅速、熱滯後小、熱交換速度快、輻射效率高的特點。第四，奈米碳管的直徑較小，使得奈米碳管結構可具有較小的厚度，可製備微型線熱源，應用於微型器件的加熱。第五，當奈米碳管結構包括奈米碳管拉膜時，該奈米碳管拉膜中奈米碳管沿同一方向擇優取向排列，具有較好的導電性能，使該熱源具有較好的加熱性能。第六，該形成自支撐的奈米碳管結構，並將該奈米碳管結構與基體材料直接複合形成加熱元件的方法簡單，且奈米碳管在加熱元件中的含量可方便的控制。與基體材料複合後，該奈米碳管結構仍能保持原有的形態，具有與純奈米碳管結構相當的發熱性能。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

20‧‧‧線熱源

202‧‧‧線狀支撐結構

204‧‧‧加熱元件

206‧‧‧電極

208‧‧‧絕緣保護層

210‧‧‧熱反射層

Claims (21)

1. 一種線熱源裝置，其改良在於，其包括：一一維線狀支撐結構；一加熱元件設置於該一維線狀支撐結構的表面；以及兩個電極，該兩個電極間隔設置且與該加熱元件電連接；所述加熱元件包括至少一奈米碳管複合結構，該奈米碳管複合結構包括一基體及一奈米碳管膜結構複合於該基體中，且該奈米碳管膜結構包括沿一固定方向或不同方向擇優取向排列的複數個奈米碳管。
2. 如請求項第1項所述的線熱源裝置，其中，所述奈米碳管膜結構中的奈米碳管與奈米碳管膜結構的表面成一夾角β，其中，β大於等於0度且小於等於15度。
3. 如請求項第1項所述的線熱源裝置，其中，所述奈米碳管膜結構中的奈米碳管部分交疊，並通過凡德瓦爾力相互吸引，緊密結合。
4. 如請求項第1項所述的線熱源裝置，其中，所述奈米碳管膜結構的厚度為1微米~1毫米。
5. 如請求項第4項所述的線熱源裝置，其中，所述奈米碳管膜結構的單位面積熱容小於2×10^-4焦耳每平方釐米開爾文。
6. 如請求項第4項所述的線熱源裝置，其中，所述奈米碳管膜結構的單位面積熱容小於或等於1.7×10^-6焦耳每平方釐米開爾文。
7. 如請求項第1項所述的線熱源裝置，其中，所述至少一奈米碳管複合結構纏繞或包覆於所述線狀支撐結構的表面。
8. 如請求項第1項所述的線熱源裝置，其中，所述基體完全包覆該奈米碳管膜結構。
9. 如請求項第1項所述的線熱源裝置，其中，所述基體至少部分嵌入該奈米碳管膜結構中。
10. 如請求項第1項所述的線熱源裝置，其中，所述基體材料包括高分子材料以及無機非金屬材料中的一種或多種。
11. 如請求項第1項所述的線熱源裝置，其中，所述兩個電極分別設置於該線狀支撐結構的兩端且與所述奈米碳管膜結構電連接。
12. 如請求項第1項所述的線熱源裝置，其中，所述線熱源進一步包括一熱反射層。
13. 如請求項第12項所述的線熱源裝置，其中，所述熱反射層的材料為金屬氧化物、金屬鹽及陶瓷中的一種或多種。
14. 如請求項第12項所述的線熱源裝置，其中，所述熱反射層的厚度為100微米~0.5毫米。
15. 如請求項第1項所述的線熱源裝置，其中，所述線熱源進一步包括一絕緣保護層設置於加熱元件表面。
16. 如請求項第15項所述的線熱源裝置，其中，所述絕緣保護層的材料為橡膠及樹脂中的一種或多種。
17. 如請求項第15項所述的線熱源裝置，其中，所述絕緣保護層的厚度為0.5毫米~2毫米。
18. 一種線熱源裝置，其改良在於，其包括： 一一維線狀支撐結構；一加熱元件設置於該一維線狀支撐結構的表面；以及兩個電極，該兩個電極間隔設置且與該加熱元件電連接，所述加熱元件包括至少一奈米碳管複合結構，所述奈米碳管複合結構包括一奈米碳管膜結構以及基體材料，該奈米碳管膜結構包括沿一固定方向或不同方向擇優取向排列的複數個奈米碳管，所述基體材料複合於該奈米碳管膜結構中。
19. 如請求項第18項所述的線熱源裝置，其中，所述奈米碳管膜結構具有複數個微孔，所述基體材料滲透於該奈米碳管膜結構的微孔中。
20. 如請求項第19項所述的線熱源裝置，其中，所述微孔孔徑小於10微米。
21. 一種線熱源裝置，其改良在於，其包括：一一維線狀支撐內芯；一加熱元件環繞包覆該一維線狀支撐內芯，所述加熱元件包括至少一奈米碳管複合結構，該奈米碳管複合結構包括一基體及一與之複合的奈米碳管膜結構，該奈米碳管膜結構包括沿一固定方向或不同方向擇優取向排列的複數個奈米碳管；兩個電極，該兩個電極間隔設置且與該加熱元件電連接；以及一絕緣保護層包覆該加熱元件於其內。