一種局域加熱物體的方法

2023-12-11 04:56:27

專利名稱：一種局域加熱物體的方法
技術領域：
本發明涉及一種局域加熱物體的方法，尤其涉及一種基於碳納米管的局 》或力。熱物體的方法。
背景技術：
在很多實際應用場合需要提供局域高溫以實現一些特定的目的。例如， 通過機械切割得到的碳納米管長線的端面 一般有 一些有機殘留物，如表面活 性劑。現有技術中清除這些有機殘留物需要提供一加熱源，將所述碳納米管 長線放置於一充滿惰性氣體的氣氛中，使所述加熱源將所述碳納米管長線加 熱至高溫。然而，在加熱所述碳納米管長線的過程中很容易引入氧化性氣體， 從而氧化所述碳納米管長線。進一步地，上述加熱碳納米管長線的方法一般
使其的溫度達到600K 1400K，加熱效率低而且能耗高、成本高。
在現有的加熱源中，以高能率熱源最為引人注目。高能率熱源主要有激 光束。應用高能率熱源加熱就是利用雷射束定向地對物體表面施加非常高的 能量密度，從而獲得很快的加熱速度，這樣在極短的時間內，將物體待加熱 部位加熱到預定的溫度。應用雷射束加熱近年來發展很快，但由於應用雷射 束加熱的設備費用昂貴等原因，目前尚未大量應用。
應用電子束加熱是近年來發展起來的一種新型加熱方式。電子發射源所 發射的電子束具有一定的加熱功率，可以實現在加熱方面的應用。^i內米管 (Carbon Nanotube, CNT)是一種新型碳材料，由日本研究人員Iijima在1991 年發現，請參見"Helical Microtubules of Graphitic Carbon", S. Iijima, Nature, vol.354，p56 (1991)。碳納米管具有極優異的導電性能、良好的化學穩定性和 大的長徑比，且其具有幾乎接近理論極限的尖端表面積(尖端表面積愈小， 其局部電場愈集中)，因而碳納米管在電子發射源領域具有潛在的應用前景。 目前的研究表明，碳納米管是已知的最好的電子發射材料之一，它的尖端尺 寸只有幾納米至幾十納米，具有低的開啟電壓，可傳輸極大的電流密度，並 且電流穩定，使用壽命長，因而非常適合作為一種極佳的點電子源，應用在掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope)、 透射電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscope)等設備的電子發射部件中。但是，目前電 子束加熱技術主要是基於熱發射電子源，還沒有應用碳納米管制作的電子發 射源加熱物體的技術。
因此，確有必要提供一種應用碳納米管制作的電子發射源局域加熱物體 的方法。

發明內容
一種局域加熱物體的方法，包括以下步驟提供一待加熱的物體和一電 子發射源，該電子發射源具有一電子發射端，該待加熱物體具有一待加熱端； 將該待加熱物體和該電子發射源》丈入一真空環境中，並使該電子發射源的電 子發射端正對待加熱物體的待加熱端設置；在所述待加熱物體和電子發射源 之間施加一電壓，所述電子發射源發射的電子轟擊所述待加熱物體的待加熱 端，對該糹寺加熱物體進行局域加熱。
與現有技術相比較，該局域加熱物體中使用的電子發射源所發射的電子 束較為集中，可以產生較大的電子發射電流，並提供較大的加熱功率。在電 子束的局域轟擊的作用下使待加熱物體的溫度迅速升高，可以提高局域加熱 物體的效率。而且，該電子發射源還具有製備方法簡單和成本低的優點。


圖1是本技術方案實施例的電子發射源的結構示意圖。 圖2是圖1中電子發射源的電子發射端的放大示意圖。 圖3為本技術方案實施例獲得的電子發射源中的電子發射端的掃描電鏡照片。
圖4是本技術方案實施例獲得的電子發射源中的場發射尖端的透射電鏡 照片。
圖5是本技術方案實施例的局域加熱物體的方法的流程示意圖。
圖6是本技術方案實施例的局域加熱物體的裝置示意圖。
圖7是本技術方案實施例的局域加熱物體的加熱效果試馬全曲線圖。
具體實施例方式
以下將結合附圖詳細說明本技術方案電子發射源以及應用該電子發射 源局域加熱物體的方法。
請參閱圖1,本技術方案實施例提供一種電子發射源10，其包括一導電
基體14和一碳納米管長線12。該碳納米管長線12具有一第一端122以及與 第一端122相對的第二端124，該碳納米管長線12的第一端122與該導電基 體14電連接，該碳納米管長線12的第二端124從導電基體14向外延伸作 為電子發射端。
進一步地，所述的碳納米管長線12是由多個平行的首尾相連的碳納米 管束組成的束狀結構或由多個首尾相連的碳納米管束組成的絞線結構，該相 鄰的碳納米管束之間通過範德華力緊密結合，該碳納米管束中包括多個首尾 相連且定向排列的碳納米管。該碳納米管長線12的直徑為1微米 100微米。 所述的碳納米管長線12的第二端124為類圓錐形，該碳納米管長線12第二 端的直徑沿遠離導電基體14的方向逐漸減小。所述的碳納米管長線12的第 二端124作為所述電子發射源IO的電子發射端，可以包括多個場發射尖端 16也可以是平整的端面。請參閱圖2,該碳納米管長線12的第二端124包 括多個突出的場發射尖端16。所述的場發射尖端16包括多個基本平行的碳 納米管，該多個碳納米管之間通過範德華力緊密結合。所述的場發射尖端16 為類圓錐形。該場發射尖端16的頂端突出有一根碳納米管162。該碳納米管 長線12中的碳納米管為單壁、雙壁或多壁碳納米管。該碳納米管長線12中 碳納米管的直徑小於5納米，長度範圍為10微米 100微米。
請參閱圖3,從所述碳納米管長線12的第二端124的掃描電鏡照片可 以看出該碳納米管長線12的第二端124包括多個突出的場發射尖端16。請 參閱圖4,從所述的場發射尖端16的透射電鏡照片上，可以看出該碳納米管 長線12的第二端124中的場發射尖端16的頂端突出有一根碳納米管162。 該碳納米管長線12的第二端124中的場發射尖端16頂端的碳納米管162與 其他遠離該場發射尖端16頂端的碳納米管緊密結合，使得該場發射尖端16 頂端的碳納米管162在發射電子過程中產生的熱量可以有效地被傳導出去， 並且可以承受較強的電場力。
該導電基體14由導電材料製成，如銅、鎳、鴒、金、鉬、鉑等。該導
6電基體14可依實際需要設計成其他形狀，如錐形、細小的柱形或者圓臺形。 該導電基體14也可為形成在一絕緣基底上的導電薄膜。
可以理解，該碳納米管長線12的第一端122可以通過一導電膠與該導
該碳納米管長線12與導電基體14之間的位置關係不限，只需確保該碳納米 管長線12的第一端122與該導電基體14電連接即可。如碳納米管長線12 與導電基體14的軸向的夾角為銳角，碳納米管長線12與導電基體14的軸 向的夾角為直角或者碳納米管長線12與導電基體14的軸向相互平行。
請參閱圖5及圖6,本技術方案實施例提供一種應用上述電子發射源30 局域加熱物體20的方法，具體包括以下步驟
步驟一提供一待加熱的物體20和一電子發射源30，該電子發射源30 具有一電子發射端301,該待加熱物體具有一待加熱端201。
所述待加熱物體20可以是一碳納米管長線或者一鵪針尖。同時，還可 以將單根碳納米管或者碳納米管束設置在所述鴒針尖之上。可以理解，所述 待加熱物體20可以是任何形式的導電物體。
該電子發射源30包括一碳納米管長線。該電子發射源30具有一電子發 射端301，該電子發射端301可以包括多個場發射尖端也可以是平整的端面。 所述碳納米管長線的製備方法包括以下步驟
(l)提供一碳納米管陣列形成於一基底，優選地，該陣列為超順排碳納米 管陣列。
本技術方案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。該碳納米管陣列的製備方法採用化 學氣相沉積法，其具體步驟包括(a)提供一平整基底，該基底可選用P型 或N型矽基底，或選用形成有氧化層的矽基底，本實施例優選為採用4英寸 的矽基底；(b)在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 過的基底置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到50(TC 740。C，然後通入 碳源氣體反應約5分鐘 30分鐘，生長得到碳納米管陣列，其高度為IOO微 米左右。該碳納米管陣列為多個彼此平行且垂直於基底生長的碳納米管形成的純碳納米管陣列。該碳納米管陣列與上述基底面積基本相同。通過上述控 制生長條件，該超順排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。
本實施例中碳源氣可選用乙炔、乙烯、曱烷等化學性質較活潑的碳氫化 合物，本實施例優選的碳源氣為乙炔；保護氣體為氮氣或惰性氣體，本實施 例優選的保護氣體為氬氣。
可以理解，本技術方案實施例提供的碳納米管陣列不限於上述製備方
法，也可為石墨電極恆流電弧;改電沉積法、雷射蒸發沉積法等等。
(2) 釆用 一拉伸工具從碳納米管陣列中拉取碳納米管獲得一碳納米管薄 膜或一碳納米管絲。
該碳納米管薄膜或者碳納米管絲的製備具體包括以下步驟(a)從上述 碳納米管陣列中選定一定寬度的多個碳納米管片斷，本實施例優選為採用具 有一定寬度的膠帶接觸碳納米管陣列以選定一定寬度的多個碳納米管束； (b)以一定速度沿基本垂直於碳納米管陣列生長方向拉伸多個該碳納米管 束，以形成一連續的碳納米管薄膜或者碳納米管絲。
在上述拉伸過程中，該多個碳納米管束在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫 離基底的同時，由於範德華力作用，該選定的多個碳納米管束分別與其他碳 納米管束首尾相連地連續地被拉出，從而形成一碳納米管薄膜或者一碳納米 管絲。該碳納米管薄膜或者碳納米管絲包括多個首尾相連且定向排列的碳納 米管束。該碳納米管薄膜或者碳納米管絲中碳納米管的排列方向基本平行於 碳納米管薄膜或者碳納米管絲的拉伸方向。
(3) 通過使用有機溶劑或者施加機械外力處理該碳納米管薄膜或者碳納 米管絲得到一碳納米管長線。
上述步驟(2)製備的碳納米管薄膜或者碳納米管絲可使用有機溶劑處理 得到一碳納米管長線。其具體處理過程包括通過試管將有機溶劑滴落在碳 納米管薄膜或者碳納米管絲表面浸潤整個碳納米管薄膜或者碳納米管絲。該 有機溶劑為揮發性有機溶劑，如乙醇、曱醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實 施例中優選採用乙醇。該碳納米管薄膜或者碳納米管絲經有機溶劑浸潤處理 後，在揮發性有機溶劑的表面張力的作用下，碳納米管薄膜或者碳納米管絲 中的平行的碳納米管片斷會部分聚集成碳納米管束，因此，該碳納米管薄膜收縮成絲。該碳納米管絲表面體積比小，無粘性，且具有良好的機械強度及 韌性，應用有機溶劑處理後的碳納米管薄膜或者碳納米管絲能方便地應用於 宏觀領域。
上述步驟(2)製備的碳納米管薄膜或者碳納米管絲也可通過施加機械外 力處理得到一碳納米管長線。該碳納米管長線是由多個首尾相連的碳納米管
束組成的絞線結構。其具體處理過程包括提供一個尾部可以粘住碳納米管 薄膜或者碳納米管絲的紡紗軸。將該紡紗軸的尾部與碳納米管薄膜或者碳納 米管絲結合後，將該紡紗軸以旋轉的方式旋轉該碳納米管薄膜或者碳納米管 絲，形成一碳納米管長線。可以理解，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。
上述步驟(l)製備的碳納米管陣列也可通過施加機械外力處理得到一碳 納米管長線。該碳納米管長線是由多個首尾相連的碳納米管束組成的絞線結 構。其具體處理過程包括提供一個尾部可以粘住碳納米管陣列的紡紗軸。 將該紡紗軸的尾部與碳納米管陣列結合後，碳納米管開始纏繞在軸的周圍。 將該紡紗軸以旋轉的方式旋出並向遠離碳納米管陣列的方向運動。這時碳納 米管陣列相對於該紡紗軸移動時，纖維開始紡成，其它的碳納米管可以纏繞 在纖維的周圍，增加纖維的長度。可以理解，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。
可以理解，也可以採用 一拉伸工具從步驟(l)的碳納米管陣列中直接拉取 碳納米管獲得一碳納米管長線。
(4)使上述碳納米管長線斷裂，即可得到一電子發射源30。
上述使碳納米管長線斷裂的方法為機械切割法或真空熔斷法。碳納米管 長線斷裂後，在斷點處形成兩個電子發射端301。其中，採用機械切割法得 到的電子發射端301包括多個平行排列且長度一致的碳納米管束。採用真空 熔斷法得到的電子發射端301包括多個突出的場發射尖端，且每個電子發射 端301尖端的頂端突出有一根碳納米管。
可以理解，所述電子發射源30還可以是金剛石等常用的電子發射源， 也可以是一些其它的形式，比如在一鴒針尖上粘一碳納米管束獲得一電子發 射源，或者在一個金屬細杆的端部先塗一層銀漿料後再塗一層碳納米管漿 料，經過退火和表面處理後獲得一電子發射源。步驟二將該待加熱物體20和該電子發射源30放入一真空環境中，並 使該電子發射源30的電子發射端301正對待加熱物體20的待加熱端201設置。
該真空環境的真空度維持在lxl(T3帕 lxlO〃帕。
進一步地，還可以將所述待加熱物體20固定於一操作臺50之上。該操 作臺50為一三維操作臺，可以在三維空間進行移動。通過調節所述操作臺 50，可以使該待加熱物體20的待加熱端201與電子發射源30的電子發射端 301正對設置。同時，還可以調節該待加熱物體20的待加熱端201與電子發 射源30的電子發射端301之間的距離。
進一步地，還可以將所述電子發射源30固定於一操作臺60之上。該操 作臺60為一三維操作臺，可以在三維空間進行移動。通過調節所述操作臺 60，實現上述電子發射源30的電子發射端301與所述待加熱物體20的待加 熱端201的正對"i殳置。其中，所述電子發射源30的電子發射端301與所述 待加熱物體20的待加熱端201之間的距離為20微米~2毫米。
步驟三在所述待加熱物體20和電子發射源30之間施加一電壓40，所 述電子發射源30發射的電子302轟擊所述待加熱物體20的待加熱端201， 乂於i亥4寺力口^;4勿^K 20 ii^f亍局i或力口^i。
所述電子發射源30發射的電子302轟擊所述待加熱物體20的待加熱端 201,使所述待加熱物體20待加熱端201加熱到白熾狀態。所述待加熱物體 20的待加熱端201具有最高的溫度。這是由於所述電子發射源50發射的電 子302轟擊所述待加熱物體20的待加熱端201，電子302的動能轉化為熱能 對所述待加熱物體20的待加熱端201進4於加熱。所述電子發射源50的加熱 溫度取決於待加熱物體20的直徑、熱導率、形狀或者長度等因素。
請參閱圖7，為應用上述電子發射源30局域加熱物體20的加熱效果實 驗曲線圖。所述電子發射源30包括一碳納米管長線，該碳納米管長線包括 多個突出的場發射尖端。所述待加熱的物體20是一碳納米管長線，該碳納 米管長線包括多個平行且長度一致的碳納米管束。該碳納米管長線的直徑為 50微米。所述電子發射源30的電子發射端301與所述待加熱物體20的待加 熱端201之間的距離為30微米。其中，圖7中的橫坐標為所述電子發射源 30發射電子所產生的電流與施加在所述電子發射源30和待加熱物體20之間電壓的乘積，即應用所述電子發射源30加熱所述待加熱物體20的加熱功率。
圖7中的縱坐標為所述待加熱物體20的平均溫度，實際上所述待加熱物體 20的待加熱端201的溫度要比相應的所述待加熱物體20的平均溫度高。從 圖7中，我們可以看出應用所述電子發射源30可以將所述待加熱物體20的 ;降加熱端201加熱至2000K以上。
另外，本領域技術人員還可在本發明精神內做其他變化，當然，這些依 據本發明精神所做的變化，都應包含在本發明所要求保護的範圍之內。
權利要求
1. 一種局域加熱物體的方法，包括以下步驟提供一待加熱的物體和一電子發射源，該電子發射源具有一電子發射端，該待加熱物體具有一待加熱端；將該待加熱物體和該電子發射源放入一真空環境中，並使該電子發射源的電子發射端正對待加熱物體的待加熱端設置；以及在所述待加熱物體和電子發射源之間施加一電壓，所述電子發射源發射的電子轟擊所述待加熱物體的待加熱端，對該待加熱物體進行局域加熱。
2. 如權利要求1所述的局域加熱物體的方法，其特徵在於，所述電子發射源 包括一碳納米管長線。
3. 如權利要求1所述的局域加熱物體的方法，其特徵在於，所述電子發射端包 括多個場發射尖端或者平整的端面。
4. 如權利要求3所述的局域加熱物體的方法，其特徵在於，所述場發射尖端包 括多個基本平行的碳納米管，該多個碳納米管之間通過範德華力緊密結合。
5. 如權利要求3所述的局域加熱物體的方法，其特徵在於，所述場發射尖端的 頂端突出有一才艮碳納米管。
6. 如權利要求2所述的局域加熱物體的方法，其特徵在於，所述碳納米管長線 的製備方法包括以下步驟提供一超順排碳納米管陣列形成於一基底；採用 一拉伸工具從該碳納米管陣列中拉取碳納米管獲得一碳納米管薄膜或 者碳納米管絲；以及採用有機溶劑或者施加機械外力處理該碳納米管薄膜或者碳納米管絲得到 一碳納米管長線。
7. 如權利要求6所述的局域加熱物體的方法，其特徵在於，進一步包括將碳納 米管長線通過機械切割法或真空熔斷法斷裂，在該碳納米管長線的斷點處形 成兩個電子發射端。
8. 如權利要求6所述的局域加熱物體的方法，其特徵在於，所述從碳納米管陣 列拉取碳納米管獲得該碳納米管薄膜或者碳納米管絲的方法包括以下步驟 從上述碳納米管陣列中選定一定寬度的多個碳納米管片斷；以及以 一定速度沿基本垂直於碳納米管陣列生長方向拉伸該多個碳納米管片斷， 以形成一連續的碳納米管薄膜或者碳納米管絲。
9. 如權利要求6所述的局域加熱物體的方法，其特徵在於，所述的採用有機溶劑處理該碳納米管薄膜或者^f友納米管絲的方法包括以下步驟 提供一有機溶劑；將該有機溶劑滴落在碳納米管薄膜或者碳納米管絲表面浸潤整個碳納米管 薄膜或者碳納米管絲。
10. 如權利要求6所述的局域加熱物體的方法，其特徵在於，所述的有機溶劑為 乙醇、曱醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿。
11. 如權利要求6所述的局域力口熱物體的方法，其特徵在於，所述的施加機械外 力處理該碳納米管薄膜或者碳納米管絲的方法包括以下步驟 提供一紡紗軸；採用該紡紗軸旋轉該碳納米管薄膜或者碳納米管絲得到 一碳納米管長線。
12. 如權利要求2所述的局域加熱物體的方法，其特徵在於，所述的碳納米管長 線的製備方法包括以下步驟提供一超順排碳納米管陣列形成於 一基底； 提供一紡紗軸；採用該紡紗軸旋轉並拉伸該碳納米管陣列中的碳納米管得到一碳納米管長 線。
13. 如權利要求2所述的局域加熱物體的方法，其特徵在於，所述的碳納米管長 線的製備方法包括以下步驟提供一超順排碳納米管陣列形成於一基底；釆用 一拉伸工具從該碳納米管陣列中拉取碳納米管獲得一碳納米管長線。
14. 如權利要求1所述的局域加熱物體的方法，其特徵在於，所述真空環境的真 空度為lxlO-3帕 lxl0-7帕。
全文摘要
本發明涉及一種局域加熱物體的方法，包括以下步驟提供一待加熱的物體和一電子發射源，該電子發射源具有一電子發射端，該待加熱物體具有一待加熱端；將該待加熱物體和該電子發射源放入一真空環境中，並使該電子發射源的電子發射端正對待加熱物體的待加熱端設置；在所述待加熱物體和電子發射源之間施加一電壓，所述電子發射源發射的電子轟擊所述待加熱物體的待加熱端，對該待加熱物體進行局域加熱。
文檔編號H01J1/30GK101442848SQ20071012467
公開日2009年5月27日 申請日期2007年11月23日 優先權日2007年11月23日
發明者亮 劉, 範守善, 洋 魏 申請人:清華大學;鴻富錦精密工業(深圳)有限公司