超顺排碳纳米管膜微型加热器的特性与应用

应用研究是当前纳米科技的一个重要方向。超顺排碳纳米管膜由于其轻薄、柔软、透明、自支撑以及易于加工等优异特性，作为加热器表现出低功耗、快速响应、适用于柔性器件以及低成本等特点。考虑到微型加热器在科研、生产以及生活等多种领域都有着广泛的应用，本项目拟研究碳纳米管膜在作为微型加热器时的特性以及应用中的一些关键问题，研究制作几种具有实用价值的采用碳纳米管膜作为加热器的微型器件。研究分为三个环节，首先是研究碳纳米管膜及其复合膜的加热特性，然后基于丝网印刷和微加工工艺发展适合碳纳米管膜微型加热器件的制备工艺，并制备采用碳纳米管膜作为微型加热器的微型反应器、微型快速响应红外光源和快速响应热电子源、柔性透明加热器件以及热致双稳态器件。实现全面了解碳纳米管膜微型加热器加热特性，基本掌握碳纳米管膜微型加热器制备工艺，拓展碳纳米管膜微型加热器应用的目标。

超顺排碳纳米管膜具有超薄自支撑导电等优异特性，使得碳纳米管膜对于加热信号具有快速的响应，同时碳纳米管膜还可以采用一些适宜于大批量制备的工艺进行加工，为当前的各种技术尤其是微机电系统提供了一种新的可能的微型加热器。. 本项目探索了超顺排碳纳米管膜在作为加热器的加热特性、制作成微型加热器的的加工工艺、以及可能适用的领域及相关应用原型制备。. 主要内容为：首先研究了碳纳米管膜做成微型器件时的力学强度增强的方法，包括采用具有一定厚度的碳纳米管膜和将碳纳米管膜收缩成细线，以及将碳纳米管膜与同样超薄的石墨烯复合等方法；然后研究了碳纳米管膜在不同的负载下其加热特性的改变，通过比较不同的负载量和不同类型的负载材料，以及不同的传热环境的差异，系统的研究了碳纳米管膜加热器承有负载时的加热特性，同时还研究了当碳纳米管膜加热与一些新型的纳米材料如碳纳米管阵列和碳纳米管膜复合后的加热特性的变化，碳纳米管膜加热器基本遵循随着负载量的增加而热响应变慢的规律，对于发生相变的负载，相变潜热会明显影响其热响应，对于悬空的碳纳米管膜，对流和辐射传热下的加热特性有明显不同；研究揭示了纳米材料的力学和热学特性跟宏观尺度的类似和差异，具有普遍的科学意义。其次研究了适宜于碳纳米管膜的制作微型加热器及阵列的加工工艺，考虑工艺成本及批量化生产的实际要求，重点发展了丝网印刷和激光切割的方法，实现了具有一定复杂性的印刷电极结构及印刷电极结构与具有功能的微型器件的结合；同时还探索了采用光刻工艺制备微型加热器电极和支撑结构，实现了在光刻结构上具有复杂结构的碳纳米管膜微型加热器的集成；对于相关碳纳米管微型器件的制备具有重要的参考价值。项目还重点研究了碳纳米管膜微型加热器的应用，碳纳米管阵列与碳纳米管膜的复合可以用作电子发射源，可以实现低功耗下的无吸附稳定电子发射；通过改进的基板结构实现了悬空的碳纳米管膜热致变色显示，16×16像素的显示原型可以显示汉字字符，响应速度可以提高到1秒左右，接近广告显示等领域的技术需求；采用碳纳米管细线的白炽光显示也可以动态显示汉字，碳纳米管细线的微型结构还制作成了热声耳机，受到国际关注；应用研究揭示了碳纳米管膜作为微型加热器可能应用在多个领域，在取代传统的微型加热器和开发新性能方面都还具有进一步深入研究的必要。