CN103869574A

CN103869574A - 一种基于负压效应的低浓度可溶性碳纳米管悬浮液限幅器

Info

Publication number: CN103869574A
Application number: CN201410094932.7A
Authority: CN
Inventors: 魏臻; 张志梅; 刘学文; 翟韬; 宋长鹏; 尚光彬; 马祥; 吕青芸
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2014-06-18

Abstract

一种基于负压效应的低浓度可溶性碳纳米管悬浮液限幅器，由可溶性碳纳米管悬浮液和透明的玻璃器皿组成，可溶性碳纳米管悬浮液包括碳纳米管水溶液和表面活性剂去离子水，通过表面活性剂去离子水的加入量调节可溶性碳纳米管悬浮液的浓度，通过低能量密度脉冲激光对限幅器进行测试来确定透过率为85%时的可溶性碳纳米管悬浮液的浓度；将制得的可溶性碳纳米管悬浮液加入透明的玻璃器皿中，将玻璃器皿真空部分抽至真空度为-0.05MPa，密封后即可。本发明的优点和有益效果是：该限幅器结构简单、易于制备、成本低，具有较高的光限幅性能，在低强度下对激光具有高透射率，因此在激光防护方面具有较大的应用潜力。

Description

一种基于负压效应的低浓度可溶性碳纳米管悬浮液限幅器

技术领域

本发明属于非线性光学领域，特别是一种基于负压效应的低浓度可溶性碳纳米管悬浮液限幅器。

背景技术

激光自1960年问世以来，由于其单色性好、准直性高等优点，在医学、测量、化学、材料加工以及国防领域获得了广泛的应用。特别是在国防领域，激光武器是各国投资最多、发展最快的应用研究项目。在各类激光武器中，激光干扰和致盲武器在一些西方国家已于80年代开始装备。这类武器的攻击对象是人眼及光电装置，如干扰或致盲光电侦查、火炮、导航和制导等系统的视觉乃至人眼。随着高功率、短脉冲激光器的日益增多，激光伤害人眼和破坏光学仪器的现象也随之增多，激光威胁成为不容忽视的问题。因此，激光防护措施，特别是激光防护器件的研究显得尤为迫切。

近年来，各国主要集中研究限幅器的制备材料。开始主要是研究C₆₀和碳黑的光限幅效应。研究表明，C₆₀的光限幅效应来源于反饱和吸收和随之产生的非线性折射和散射，当受到激光辐照时，C₆₀中的基态吸收促使电子转移到激发态，形成超过基态吸收的激发态吸收。后来，对由纳米尺度的碳颗粒悬浮于液体中的碳黑悬浮液的光限幅效应也进行了研究。研究结果表明：与C₆₀不同的是，碳黑悬浮液的光限幅效应主要来源于非线性散射过程。碳纳米颗粒受到激光辐照后被加热，产生雪崩电离，形成微等离子体，等离子体快速扩散到周围的液体中，对入射的激光产生强散射，导致光限幅效应产生。碳纳米管自1991年被日本NEC公司的Iijima首次发现以来，通过实验发现碳纳米管在光限幅中表现出良好的性质，是继C₆₀后又一种理想的光限幅材料。碳纳米管是全碳结构、纳米尺寸的管型物质。它可以看作是二维石墨片层，如图1所示，卷成的中空圆柱体结构，两端各有一个类似半个富勒烯求的“帽子”，形成一种同轴密封的管型结构，如图2所示。其直径一般在几纳米到几十纳米，而长度可达微米量级。在早期的研究中，一般都是将不可溶的碳纳米管制成悬浮液，由于不可溶的碳纳米管悬浮液的稳定性较差，且对光的透射率较低，因而将其直接应用于光限幅存在一定的困难。而可溶性碳纳米管应用于实际装备的可能性则要大得多。在一般的光限幅实验中，将可溶性碳纳米管溶液封装于密闭的石英容器中。这种形式可以应用于实际装备，将石英容器置于装备的适当位置。另外，将碳纳米管均匀分布到各种薄膜中，研究其固态的光限幅性能也是目前采用较多的一种形式，这种形式对于实际应用有很多好处，首先，液态形式对于器件的密封性要求较高，同时有机溶剂一般都有腐蚀性或毒性，一旦泄露会造成不必要的损失，而薄膜的形式则不受这方面的限制。但是，从光限幅效果来看，目前薄膜的形式不如溶液的形式，因为溶液可以通过微气泡的产生增强光限幅效应，而薄膜则没有这种效应。目前有很多专利都是关于光限幅的。

如专利（专利号为200810033831），一种具有光限幅特性的固态材料及制备方法，此发明提供了一种具有光限幅特性的碳纳米管/玻璃复合材料和制备方法。发明目的是针对目前激光防护材料的局限，开发一种携带方便的新型固态非线性光限幅材料。主要特征是将碳纳米管添加到透明的玻璃基质中，利用碳纳米管可作为复合材料优良增强体的特性以及其优异的光限幅性能，可达到既提高玻璃机体的力学性能，又获得良好的光限幅性能的效果，制备出耐高温和经受不同环境变化的非线性光限幅材料。此方法提供的固态材料具有光限幅性能，同时对可见光有很高的透过率，因此在激光防护方面具有较大的应用潜力，同时具有工艺简单、生产成本低等特点。又如专利（专利号为200510112192），一种光限幅性和成模性优良的[60]富勒烯衍生物[C₆₀(C₁₈H₁₄)]及其制备方法，此发明涉及一种光限幅性和成膜性优良的[60]富勒烯衍生物及其制备方法。这种方法将1,1’-联茚与[60]富勒烯在N₂气气氛下、适当的溶剂中，170-200℃下回流5-15小时即获得[60]富勒烯衍生物—[C₆₀(C₁₈H₁₄)]。该衍生物不仅在苯、甲苯、二硫化碳等非极性有机溶剂中具有很好的溶解性，而且在极性有机溶剂中也具有很好的溶解性，该衍生物在光限幅性能和成膜性能方面都表现出比[60]富勒烯优越的材料性能，这为[60]富勒烯在实际应用方面展现出潜在的应用前景。本发明就是在这些研究的基础上进行研发创新的。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种基于负压效应的低浓度可溶性碳纳米管悬浮液限幅器，该限幅器结构简单、易于制备、成本低，具有较高的光限幅性能，在低强度下对激光具有高透射率，因此在激光防护方面具有较大的应用潜力。

本发明的技术方案：

一种基于负压效应的低浓度可溶性碳纳米管悬浮液限幅器，由可溶性碳纳米管悬浮液和透明的玻璃器皿组成，可溶性碳纳米管悬浮液包括碳纳米管水溶液和表面活性剂去离子水，碳纳米管水溶液中碳纳米管与水的质量比为10-20mg：90-100mL，用超声波降解法将水表面活性剂去离子水加入到碳纳米管水溶液中，通过表面活性剂去离子水的加入量调节可溶性碳纳米管悬浮液的浓度为0.1-0.2mol/L，通过低能量密度脉冲激光对限幅器进行测试来确定透过率为85%时的可溶性碳纳米管悬浮液的浓度；透明的玻璃器皿为矩形封闭容器，将制得的可溶性碳纳米管悬浮液加入透明的玻璃器皿中，可溶性碳纳米管悬浮液的加入量为玻璃器皿体积的60-70﹪，将玻璃器皿真空部分抽真空至真空度为-0.05MPa，密封后即可。

所述通过低能量密度脉冲激光对限幅器进行透过率测试的装置包括激光器、光强调节器AT、分束器BS、透镜L1、限幅器S、透镜L2、能量探测器D2和能量探测器D1，激光器发出的1064nm、脉宽35ps、重复率10Hz的低能量密度脉冲激光依次通过光强调节器AT、分束器BS、透镜L1、限幅器S和透镜L2并由能量探测器D2接受测量其输出能量，其中由分束器BS反射的另一参考光束由能量探测器D1接受并测量其输入能量，输出能量与输入能量之比即为透过率。

本发明的工作机理：

该限幅器根据在负压条件下低浓度可溶性碳纳米管悬浮液的沸点降低的特性，将其制成高性能的限幅器，低浓度可溶性的碳纳米管具有高的透射率且稳定，视场也较亮，能实现低强度有高的透射率的防护要求；碳纳米管的悬浮液受到激光辐照后被加热，产生雪崩电离，形成微等离子体，微等离子体快速扩散到周围的液体中，对入射的激光产生强散射；另外，在负压环境下悬浮液的沸点低，受热后温度上升，沸腾产生微气泡，微气泡也有光散射特性，这些散射能产生很好的光限幅效应。

本发明的优点和有益效果是：该限幅器结构简单、易于制备、成本低，具有较高的光限幅性能，在低强度下对激光具有高透射率，因此在激光防护方面具有较大的应用潜力。

附图说明

图1为石墨片层结构示意图。

图2为碳纳米管结构示意图。

图3为该限幅器结构示意图。

图中：1.入射激光 2.悬浮液 3.微气泡 4.碳纳米管 5.玻璃器皿

6.出射激光 7.真空部分

图4为该限幅器的测试装置图。

图5为该限幅器的测试图。

具体实施方式

实施例：

一种基于负压效应的低浓度可溶性碳纳米管悬浮液限幅器，如图3所示，由可溶性碳纳米管悬浮液2和透明的玻璃器皿5组成，可溶性碳纳米管悬浮液2包括碳纳米管水溶液和表面活性剂去离子水，碳纳米管水溶液中碳纳米管4与水的质量比为20mg：100mL，用超声波降解法将水表面活性剂去离子水加入到碳纳米管水溶液中，通过表面活性剂去离子水的加入量调节可溶性碳纳米管悬浮液2的浓度为0.16mol/L，通过低能量密度脉冲入射激光1和出射激光6对限幅器进行测试来确定透过率为85%时的可溶性碳纳米管悬浮液2的浓度；透明的玻璃器皿5为矩形封闭容器，将制得的可溶性碳纳米管悬浮液2加入透明的玻璃器皿5中，可溶性碳纳米管悬浮液2的加入量为玻璃器皿5体积的65﹪，将玻璃器皿真空部分7抽真空至真空度为-0.05MPa，在负压环境下悬浮液产生微气泡3，最后将玻璃器皿5密封后即可制得该限幅器。

所述通过低能量密度脉冲激光对限幅器进行透过率测试的装置，入图4所示，包括激光器、光强调节器AT、分束器BS、透镜L1、限幅器S、透镜L2、能量探测器D2和能量探测器D1，激光器发出的1064nm、脉宽35ps、重复率10Hz的低能量密度脉冲激光，光强调节器AT调节入射光的能量密度的，分束器BS将入射光分为两束，一束作为参考光，由能量探测器D1接受测量其输入能量，另一束经透镜L1聚焦于限幅器S的中心处，输出光经透镜L2分为平行光后，由能量探测器D2接受测量其输出能量，输出能量与输入能量之比即为透过率。

测试过程中，为了得到最佳结果，需要改变可溶性碳纳米管悬浮液浓度，重复平行做几次实验，从而分析得到光限幅效果最好时的浓度。

图5为该限幅器的测试图。

本测试结果说明在负压效应环境下，低浓度可溶性碳纳米管悬浮液限幅器具有很好的限幅效果。

Claims

1.一种基于负压效应的低浓度可溶性碳纳米管悬浮液限幅器，其特征在于：由可溶性碳纳米管悬浮液和透明的玻璃器皿组成，可溶性碳纳米管悬浮液包括碳纳米管水溶液和表面活性剂去离子水，碳纳米管水溶液中碳纳米管与水的质量比为10-20mg：90-100mL，用超声波降解法将水表面活性剂去离子水加入到碳纳米管水溶液中，通过表面活性剂去离子水的加入量调节可溶性碳纳米管悬浮液的浓度为0.1-0.2mol/L，通过低能量密度脉冲激光对限幅器进行测试来确定透过率为85%时的可溶性碳纳米管悬浮液的浓度；透明的玻璃器皿为矩形封闭容器，将制得的可溶性碳纳米管悬浮液加入透明的玻璃器皿中，可溶性碳纳米管悬浮液的加入量为玻璃器皿体积的60-70﹪，将玻璃器皿真空部分抽真空至真空度为-0.05MPa，密封后即可。

2.根据权利要求1所述基于负压效应的低浓度可溶性碳纳米管悬浮液限幅器，其特征在于：所述通过低能量密度脉冲激光对限幅器进行透过率测试的装置包括激光器、光强调节器AT、分束器BS、透镜L1、限幅器S、透镜L2、能量探测器D2和能量探测器D1，激光器发出的1064nm、脉宽35ps、重复率10Hz的低能量密度脉冲激光依次通过光强调节器AT、分束器BS、透镜L1、限幅器S和透镜L2并由能量探测器D2接受测量其输出能量，其中由分束器BS反射的另一参考光束由能量探测器D1接受并测量其输入能量，输出能量与输入能量之比即为透过率。