[发明专利]具有线性碳结构的准一维纤维半导体及其制备方法和装置,以及使用该纤维半导体的加热元件

说明书

本发明涉及一种具有线性碳结构的准一维纤维半导体，更具体涉及一种具有线性碳结构的准一维纤维半导体，其中将产生强辐射热的半导体碳纤维贴附在金属板上以用作平面加热元件，还涉及该纤维半导体的制造方法和装置以及使用该纤维半导体的加热元件。

通常，准一维导体是一种导电性朝该晶体的垂直面的选定方向增加的晶体物质。这种各向异性导体涉及其晶体结构的特性，即电子是一维移动的。

这一现象可主要在含有过渡金属原子的复合物形成的晶格中观察到。

例如，有一种晶体R₃Pt(CN₄)B_0.3·3H₂O，其中Pt原子被分子CN围绕形成平行连接。由于Pt原子间的距离(2.88)短，Pt原子的电子云彼此交叉以便能在原子间运动。此外，作为另一个准一维导体的实例，有一种由包括四氰基-kino-二甲烷化合物的分子组成的物质。在该物质的结晶化过程中，复合物就以链引(linkage inviting)传导形式开始列成一排。

然而，由于包括金属原子的准一维半导体的晶格周期要改变瞬间的晶格变换，准一维导体就不稳定。结果，当其温度降低时，准一维导体转变成电解质。这就产生了如下问题，准一维导体的转变伴随着晶粒声谱(acoustic grain spectrum)、光学特性、导电性、电子的热容、顺磁性材料的磁化率等的改变。

此外，具有二维结晶层结构的导体可转变成类二维导体。作为实例，可举出石墨。石墨的各晶面间距为6.69，并且也具有六方结构，其中在六方晶面内其原子间的距离为2.4。层面和原子间的差异能产生一万倍电导。

因此，最近已经提出一种用新的线性聚合链(=C=C)n化合新的碳结晶体，称为“卡宾碳”。这种碳晶体具有n型半导体的特生并且在超过2500℃的高温下转变成石墨。具有这样的线性晶体结构的碳素纤维可通过在2200℃惰性气体状态下热解人造丝而获得。用人造丝可制造各种复合物，主要是坚固且有韧性的电加热元件。

在“卡宾碳”的结构中，原子间的距离为2.75，线生聚合链的面间距为8.34。此外，由于在石墨晶体的分子层间形成了大空间，卡宾碳的结构能吸收大量某些物质。如果向石墨中加入一种化合物，大多数化合物受到位于分子层间边界处的吸附物质的特异性限制。通常，位于边界处的吸附物质能阻止碳与其他元素结合，以便填隙化合物能远离碳网间的边界处。然而，在适当的条件下，吸附物质可以再生并以几乎完整的石墨结构形式提取出来。

同时，石墨化合物可分成两组。一组是通过提取氟化物和氧而获得的石墨化合物。这组化合物的特征在于碳原子与填隙化合物是共价键合的。这是为何其结构是扭曲的原因。在这组化合物中，含有位于边界处的吸附物质的材料基本类似于化合物。

另一组石墨化合物包括含有石墨的各种材料。这些材料类似于一般的副产物。由于材料颗粒与石墨层的极化不一致，在副产物中有一些差别。这种石墨化合物不受结构扭曲的影响。

因此，本发明的一个目的是提供一种新的具有线性碳结构的准一维碳纤维半导体，其中向碳纤维中加入受体填隙杂质(无机阴离子)。

本发明的另一目的是提供制造该准一维碳纤维半导体的方法，以便获得使用这种准一维碳纤维半导体的高效电热元件的方法。

本发明的另一目的是制造一种其侧面附连金属板，以便得到大面积电阻并且散发出大量热，同时整体电阻无任何改变的碳纤维。

本发明的另一目的是提供一种能用于加热元件的碳纤维，该碳纤维能发射出弱电磁波，从而在施加交流电时能保护人体不受电磁波的伤害。

为获得上述目的和其他的优点，本申请提供一种具有线性碳结构的准一维碳纤维半导体，其特征在于向碳纤维中加入类似于磷酸根离子(PO^-3₄)的受体填隙杂质。

在本发明的一个方面，还提供一种制造具有线性碳纤维结构的准一维纤维半导体的方法，包括下列步骤：电化学处理碳条、清洁电化学处理过的碳条、干燥清洁后的碳条、用硅酮溶液饱和经干燥过的碳条、形成细线(fine thread)形式的饱和碳条。

本发明另一方面还提供了用于制造具有线性碳结构的准一维纤维半导体的装置，包括用于储放碳条的贮槽、多个用于从槽中连续传送碳条的辊、在辊之间设置并电化学处理从贮槽中传送出来的碳条的电解槽、用于清洗通过电解槽后的碳条的水容器、用于干燥在水容器中清洗过的碳条的干燥器和用于储放包括二氯甲烷的硅酮电解溶液，碳条被用硅酮电解液饱和。