[发明专利]一种具有光限幅特性的固态材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于一种具有光限幅特性的固态材料及制备方法，属于功能复合材料技术领域。

背景技术

碳纳米管自1991年被日本NEC公司的S.Iijima发现以来(S.Iijima，Nature，354(1991)56)，因其独特的力学性能、电学性能和光学性能(L.Liao，S.Li，ApplPhys Lett，79(2001)4225)，一直是世界科学研究的热点。近年来，科学家又发现碳纳米管对激光具有宽带光限幅特性，这预示它在激光防护方面具有良好应用前景。L.Vivien等人研究了单壁碳纳米管(SWNTs)在水/表面活性剂中形成悬浮液的光限幅行为，发现SWNTs在可见和近红外区域都表现出光限幅性质，且有较小的限幅阈值和较大的光学密度，其性能与C₆₀或碳黑相当，甚至更好(L.Vivien，Anglaret E，Riehl D，et al.Chemical Physics Letters，307(1999)，317)。X.Sun等人用纳秒激光脉冲观察到多壁碳纳米管(MWNTs)在可见和红外区域的光限幅行为(Sun X，Yu R Q，Xu G Q，et al.AppliedPhysics Letters，73(1998)3632)。对碳纳米管悬浮液的研究表明了碳纳米管本身具有光限幅特性，但悬浮液不稳定且不易制成器件，不方便携带，而固体则是稳定和自支撑的，易于器件化。因此制备碳纳米管复合材料是器件化的迫切需要。

制备碳纳米管复合材料，首先必须选择一种合适的基质材料。一方面，光限幅材料要求对可见光有较高的透过性，保证人眼对环境的能见度以及光学仪器对正常信号的接受；另一方面，光限幅材料本身要有足够的稳定性和抗热冲击性，在激光入射的时候不被破坏。金属材料因其不透明而不适于作为基体材料。有机聚合物容易透明且和CNTs有良好的相容性，研究人员制备了多壁碳纳米管/聚甲基丙烯酸甲酯块体复合材料(J.E.Riggs，D.B.Walker，D.L.Carroll et al，J.Phys.Chem.，B104，7071(2000))，研究发现该复合材料对532nm与1064nm的激光具有限幅效果。但是有机聚合物的力学性能差，使用温度低，高温下易老化，难以承受激光入射时产生的热量。陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、抗冲击、高强度、高硬度等一系列的优点；其中，玻璃是一种广泛应用的光学材料，典型的体系如石英(SiO₂)，它具有透过率高，密度低，热膨胀系数小，抗热冲击，环境稳定性好等优点，而且高温熔化后熔融态的粘度特别大，不易被气流冲刷流失。这种优异的综合性能使其广泛应用于光学、光电子学器件、微波介电材料、复合材料以及耐火材料等领域，因此适合作为基体材料。

将碳纳米管掺入玻璃基质中，制备具有光限幅性能的固体材料，目前鲜有这方面的研究报导。这种复合材料不仅具有碳纳米管的宽带光限幅性能，且对可见光有较高的透过率，在激光防护方面有良好的应用前景，有望制备出携带方便的新型固态光限幅材料。

发明内容

针对目前碳纳米管在光限幅方面研究的现状，本发明的目的在于提供一种具有光限幅特性的固态复合材料及制备方法。本发明的一个突出特点在于制备了结构功能一体化的碳纳米管/玻璃复合材料，使碳纳米管在激光防护方面器件化成为可能。

所述的固态复合材料由碳纳米管和玻璃基质组成的复合材料，碳纳米管的质量百分含量为0.01-1％，其余为玻璃基质，所述的玻璃基质为硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、氧化物玻璃、硫系玻璃或卤化物玻璃。

所述的碳纳米管的直径为0.3-80nm，长径比至少为20∶1。

所述的碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。

制备的光限幅特性的固态材料在400-800nm可见光范围，材料的透过率60-70％以上。

本发明所述的具有光限幅特性的固态复合材料可由下述两种制备方法中的任一种制备，具体步骤是：

方法A：

(1)碳纳米管悬浮液的制备

将碳纳米管与表面活性剂加入到分散介质中，超声分散后再磁力搅拌均匀，生成碳纳米管悬浮液；

(2)碳纳米管/玻璃复合粉体的制备

采用下述两种方法中的任一种：