CN103869575B - 一种可溶性碳纳米管-氮化铝复合悬浮液限幅器 - Google Patents

Abstract

一种可溶性碳纳米管‑氮化铝复合悬浮液限幅器，由悬浮液和透明的玻璃器皿组成，悬浮液由改性后的氮化铝和多壁碳纳米管加入乙醇中制成；透明的玻璃器皿为矩形封闭容器，将制得的混合悬浮液加入透明的玻璃器皿中，混合悬浮液的加入量为玻璃器皿体积的60‑70﹪，将玻璃器皿抽真空密封后即可制得限幅器。本发明的优点是：由改性后的氮化铝和多壁碳纳米管制成混合悬浮液，在溶液中形成热传导率很高的导热网链，有利于热能在溶液中的传导，使溶液快速产生气泡，缩短光限幅响应时间；在真空中将玻璃器皿密封，通过减小容器内气压，提高溶液中产生的气泡的半径，进而增大散射面，减小透过率，提高光限幅能力。

Description

一种可溶性碳纳米管-氮化铝复合悬浮液限幅器

技术领域

本发明属于非线性光学领域，特别是一种可溶性碳纳米管-氮化铝复合悬浮液限幅器。

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。但随之而来的是强激光很容易照成人眼及光电设备的损伤，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。

光限幅器在广义上可分为主动限幅器和被动限幅器。主动限幅器是利用主动反馈来完成限幅。例如，用光电探测器获得的信号控制光阑口径以阻止强光进入光学系统。被动限幅器是利用材料本身具有的非线性光学性质来完成限幅功能。

近些年来,实验发现碳纳米管具有良好的光限幅性质,是一种优良的宽带限幅材料。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。1998年X.Sun等观察到多壁碳纳米管在ns激光脉冲激发下有光限幅性能，其限幅波段能从可见区延伸到红外区。Jason E.Riggs等通过分子力或利用化学键将高溶解性的高聚物，连接在SWCNTs或MWCNTs，从而切断碳纳米管大大增加了碳纳米管的溶解性。新合成的材料的光限幅阈值均在1J/cm²左右。2011年，E.Fazio通过在碳纳米管中掺杂纳米银粒子，增强碳纳米管的光限幅性能，获得了一定研究成果。本发明是在上诉实验启发下，继续进行研发创新的。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种可溶性碳纳米管-氮化铝复合悬浮液限幅器，该限幅器中热能在悬浮液中的传导率高，光限幅响应时间；光透过率低，光限幅能力高。

本发明的技术方案：

一种可溶性碳纳米管-氮化铝复合悬浮液限幅器，由悬浮液和透明的玻璃器皿组成，悬浮液由改性后的氮化铝和多壁碳纳米管加入乙醇中制成，改性后的氮化铝的粒径为1-4um，改性后的多壁碳纳米管的直径为20-30nm、长度10-20um；所述悬浮液中氮化铝、环氧化多壁碳纳米管与乙醇的用量比为2.5g：50mg：100mL；透明的玻璃器皿为矩形封闭容器，将制得的混合悬浮液加入透明的玻璃器皿中，混合悬浮液的加入量为玻璃器皿体积的60-70﹪，将玻璃器皿抽真空至真空度为133.3×10^-3-133.3×10^-5Pa，密封后即可制得限幅器。

所述改性后的氮化铝的制备方法，步骤如下：

1)取干燥的氮化铝颗粒加入到15wt％氢氧化钠溶液中，120℃下加热搅拌20min，离心后用丙酮洗涤固体3次，真空80℃下干燥24h，得到羟基化氮化铝；

2)将上述羟基化氮化铝100g和γ-氨丙基三乙氧基硅烷3g加入100mL乙醇中超声混合5h，将得到的混合液在60℃下搅拌5h，用乙醇洗3次，在80℃下干燥10h，即可制得改性后的氮化铝。

所述改性后的多壁碳纳米管的制备方法，步骤如下：

1)将5g多壁碳纳米管加入到100mL浓度为60wt％的硝酸溶液中，超声震荡30min，在70℃的恒温水浴中冷凝回流48h，冷却后用500mL去离子水稀释处理、抽滤处理至中性，烘干后得到酸化后的多壁碳纳米管；

2)取酸化后的多壁碳纳米管5g，分散在50mL二甲基乙酰胺中，超声震荡60min，得到均匀的悬浮液a；

3)将100g环氧树脂分散在300mL二甲基乙酰胺中，得到均匀的悬浮液b；

4)将悬浮液a和悬浮液b混合，加入0.4g三苯基膦催化剂，超声混合60min后，于100℃恒温水浴下反应24h，反应结束后，用二氯甲烷洗涤、过滤，制得改性后的多壁碳纳米管。

本发明的工作机理：

改性后的多壁碳纳米管在低光强下具有高的透射率而且稳定，视场较亮，而不可溶的碳纳米管不具有这一性质；透明的玻璃器皿在真空环境下封装中，混合悬浮液受激光辐射后温度迅速上升，使溶剂蒸发而形成气泡，密闭容器内气压越小，所形成的气泡半径越大，散射面越大，透过率越小，光限幅能力越强；由氮化铝与可溶性多壁碳纳米管组成的复合材料在溶液中形成热传导率很高的导热网链，有利于热能在溶液中的传导，使溶液快速产生气泡，缩短光限幅响应时间。

本发明的优点和有益效果是：由改性后的氮化铝和多壁碳纳米管制成混合悬浮液，在溶液中形成热传导率很高的导热网链，有利于热能在溶液中的传导，使溶液快速产生气泡，缩短光限幅响应时间；在真空中将玻璃器皿密封，通过减小容器内气压，提高溶液中产生的气泡的半径，进而增大散射面，减小透过率，提高光限幅能力。

附图说明

图1为石墨片层结构示意图。

图2为碳纳米管的立体结构示意图。

图3为该限幅器的内部结构示意图。

图4为该限幅器的测试原理图。

图5为该限幅器的测试图。

具体实施方案

实施例：

一种可溶性碳纳米管-氮化铝复合悬浮液限幅器，如图2、图3所示，由悬浮液和透明的玻璃器皿组成，悬浮液由改性后的氮化铝和多壁碳纳米管加入乙醇中制成，改性后的氮化铝的粒径为1-4um，改性后的多壁碳纳米管的直径为20-30nm、长度10-20um；所述悬浮液中氮化铝、环氧化多壁碳纳米管与乙醇的用量比为2.5g：50mg：100mL；透明的玻璃器皿为矩形封闭容器，将制得的混合悬浮液加入透明的玻璃器皿中，混合悬浮液的加入量为玻璃器皿体积的60﹪，将玻璃器皿抽真空至真空度为133.3×10^-3Pa，密封后即可制得限幅器。

所述改性后的氮化铝的制备方法，步骤如下：

1)取干燥的氮化铝颗粒加入到15wt％氢氧化钠溶液中，120℃下加热搅拌20min，离心后用丙酮洗洗涤固体3次，真空80℃下干燥24h，得到羟基化氮化铝；

2)将上述羟基化氮化铝100g和γ-氨丙基三乙氧基硅烷3g加入100mL乙醇中超声混合5h，将得到的混合液在60℃下搅拌5h，用乙醇洗3次，在80℃下干燥10h，即可制得改性后的氮化铝。

所述改性后的多壁碳纳米管的制备方法，步骤如下：

1)将5g多壁碳纳米管加入到100mL浓度为60wt％的硝酸溶液中，超声震荡30min，在70℃的恒温水浴中冷凝回流48h，冷却后用500mL去离子水稀释处理、抽滤处理至中性，烘干后得到酸化后的多壁碳纳米管；

2)取酸化后的多壁碳纳米管5g，分散在50mL二甲基乙酰胺中，超声震荡60min，得到均匀的悬浮液a；

3)将100g环氧树脂分散在300mL二甲基乙酰胺中，得到均匀的悬浮液b；

4)将悬浮液a和悬浮液b混合，加入0.4g三苯基膦催化剂，超声混合60min后，于100℃恒温水浴下反应24h，反应结束后，用二氯甲烷洗涤、过滤，制得改性后的多壁碳纳米管。

用1064nm、脉宽35ps、重复率10Hz的脉冲激光对其进行限幅效应的测试：改变入射激光的能量密度，测量出射激光的能量密度，求出在不同能量密度的入射激光下，出射光的能量密度，并算出透过率。测试原理如图4所示，其中AT是光强调节器，调节入射光的能量密度；BS是分束器，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，输出光经透镜分为平行光后，由能量探测器D2接受测量其能量，将输出能量与输入能量作比值就得到了透射率。测试结果如图5所示。测试结果表明：此限幅器在较低能量密度入射光辐照下，透过率几乎是线性关系，随着入射光能量密度的增大，透过率几乎不变，此透过率即为此限幅器的限幅阈值。

Claims (3)

1.一种可溶性碳纳米管-氮化铝复合悬浮液限幅器，其特征在于：由悬浮液和透明的玻璃器皿组成，悬浮液由改性后的氮化铝和多壁碳纳米管加入乙醇中制成，改性后的氮化铝的粒径为1-4um，改性后的多壁碳纳米管的直径为20-30nm、长度10-20um；所述悬浮液中氮化铝、环氧化多壁碳纳米管与乙醇的用量比为2.5g：50mg：100mL；透明的玻璃器皿为矩形封闭容器，将制得的混合悬浮液加入透明的玻璃器皿中，混合悬浮液的加入量为玻璃器皿体积的60-70﹪，将玻璃器皿抽真空至真空度为133.3×10^-3-133.3×10^-5Pa，密封后即可制得限幅器。

2.根据权利要求1所述可溶性碳纳米管-氮化铝复合悬浮液限幅器，其特征在于：所述改性后的氮化铝的制备方法，步骤如下：

1)取干燥的氮化铝颗粒加入到15wt％氢氧化钠溶液中，120℃下加热搅拌20min，离心后用丙酮洗洗涤固体3次，真空80℃下干燥24h，得到羟基化氮化铝；

2)将上述羟基化氮化铝100g和γ-氨丙基三乙氧基硅烷3g加入100mL乙醇中超声混合5h，将得到的混合液在60℃下搅拌5h，用乙醇洗3次，在80℃下干燥10h，即可制得改性后的氮化铝。

3.根据权利要求1所述可溶性碳纳米管-氮化铝复合悬浮液限幅器，其特征在于：所述改性后的多壁碳纳米管的制备方法，步骤如下：

1)将5g多壁碳纳米管加入到100mL浓度为60wt％的硝酸溶液中，超声震荡30min，在70℃的恒温水浴中冷凝回流48h，冷却后用500mL去离子水稀释处理、抽滤处理至中性，烘干后得到酸化后的多壁碳纳米管；

2)取酸化后的多壁碳纳米管5g，分散在50mL二甲基乙酰胺中，超声震荡60min，得到均匀的悬浮液a；

3)将100g环氧树脂分散在300mL二甲基乙酰胺中，得到均匀的悬浮液b；

4)将悬浮液a和悬浮液b混合，加入0.4g三苯基膦催化剂，超声混合60min后，于100℃恒温水浴下反应24h，反应结束后，用二氯甲烷洗涤、过滤，制得改性后的多壁碳纳米管。