一種基于負壓效應(yīng)的低濃度可溶性碳納米管懸浮液限幅器的制造方法
【專利摘要】一種基于負壓效應(yīng)的低濃度可溶性碳納米管懸浮液限幅器，由可溶性碳納米管懸浮液和透明的玻璃器皿組成，可溶性碳納米管懸浮液包括碳納米管水溶液和表面活性劑去離子水，通過表面活性劑去離子水的加入量調(diào)節(jié)可溶性碳納米管懸浮液的濃度，通過低能量密度脈沖激光對限幅器進行測試來確定透過率為85%時的可溶性碳納米管懸浮液的濃度；將制得的可溶性碳納米管懸浮液加入透明的玻璃器皿中，將玻璃器皿真空部分抽至真空度為-0.05MPa，密封后即可。本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果是：該限幅器結(jié)構(gòu)簡單、易于制備、成本低，具有較高的光限幅性能，在低強度下對激光具有高透射率，因此在激光防護方面具有較大的應(yīng)用潛力。
【專利說明】—種基于負壓效應(yīng)的低濃度可溶性碳納米管懸浮液限幅器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于非線性光學(xué)領(lǐng)域，特別是一種基于負壓效應(yīng)的低濃度可溶性碳納米管懸浮液限幅器。
【背景技術(shù)】
[0002]激光自1960年問世以來，由于其單色性好、準直性高等優(yōu)點，在醫(yī)學(xué)、測量、化學(xué)、材料加工以及國防領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。特別是在國防領(lǐng)域，激光武器是各國投資最多、發(fā)展最快的應(yīng)用研究項目。在各類激光武器中，激光干擾和致盲武器在一些西方國家已于80年代開始裝備。這類武器的攻擊對象是人眼及光電裝置，如干擾或致盲光電偵查、火炮、導(dǎo)航和制導(dǎo)等系統(tǒng)的視覺乃至人眼。隨著高功率、短脈沖激光器的日益增多，激光傷害人眼和破壞光學(xué)儀器的現(xiàn)象也隨之增多，激光威脅成為不容忽視的問題。因此，激光防護措施，特別是激光防護器件的研究顯得尤為迫切。
[0003]近年來，各國主要集中研究限幅器的制備材料。開始主要是研究C6tl和碳黑的光限幅效應(yīng)。研究表明，C6tl的光限幅效應(yīng)來源于反飽和吸收和隨之產(chǎn)生的非線性折射和散射，當(dāng)受到激光輻照時，C60中的基態(tài)吸收促使電子轉(zhuǎn)移到激發(fā)態(tài)，形成超過基態(tài)吸收的激發(fā)態(tài)吸收。后來，對由納米尺度的碳顆粒懸浮于液體中的碳黑懸浮液的光限幅效應(yīng)也進行了研究。研究結(jié)果表明:與C6tl不同的是，碳黑懸浮液的光限幅效應(yīng)主要來源于非線性散射過程。碳納米顆粒受到激光輻照后被加熱，產(chǎn)生雪崩電離，形成微等離子體，等離子體快速擴散到周圍的液體中，對入射的激光產(chǎn)生強散射，導(dǎo)致光限幅效應(yīng)產(chǎn)生。碳納米管自1991年被日本NEC公司的Iijima首次發(fā)現(xiàn)以來，通過實驗發(fā)現(xiàn)碳納米管在光限幅中表現(xiàn)出良好的性質(zhì)，是繼C6tl后又一種理想的光限幅材料。碳納米管是全碳結(jié)構(gòu)、納米尺寸的管型物質(zhì)。它可以看作是二維石墨片層，如圖1所示，卷成的中空圓柱體結(jié)構(gòu)，兩端各有一個類似半個富勒烯求的“帽子”，形成一種同軸密封的管型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其直徑一般在幾納米到幾十納米，而長度可達微米量級。在早期的研究中，一般都是將不可溶的碳納米管制成懸浮液，由于不可溶的碳納米管懸浮液的穩(wěn)定性較差，且對光的透射率較低，因而將其直接應(yīng)用于光限幅存在一定的困難。而可溶性碳納米管應(yīng)用于實際裝備的可能性則要大得多。在一般的光限幅實驗中，將可溶性碳納米管溶液封裝于密閉的石英容器中。這種形式可以應(yīng)用于實際裝備，將石英容器置于裝備的適當(dāng)位置。另外，將碳納米管均勻分布到各種薄膜中，研究其固態(tài)的光限幅性能也是目前采用較多的一種形式，這種形式對于實際應(yīng)用有很多好處，首先，液態(tài)形式對于器件的密封性要求較高，同時有機溶劑一般都有腐蝕性或毒性，一旦泄露會造成不必要的損失，而薄膜的形式則不受這方面的限制。但是，從光限幅效果來看，目前薄膜的形式不如溶液的形式，因為溶液可以通過微氣泡的產(chǎn)生增強光限幅效應(yīng)，而薄膜則沒有這種效應(yīng)。目前有很多專利都是關(guān)于光限幅的。
[0004]如專利(專利號為200810033831)，一種具有光限幅特性的固態(tài)材料及制備方法，此發(fā)明提供了一種具有光限幅特性的碳納米管/玻璃復(fù)合材料和制備方法。發(fā)明目的是針對目前激光防護材料的局限，開發(fā)一種攜帶方便的新型固態(tài)非線性光限幅材料。主要特征是將碳納米管添加到透明的玻璃基質(zhì)中，利用碳納米管可作為復(fù)合材料優(yōu)良增強體的特性以及其優(yōu)異的光限幅性能，可達到既提高玻璃機體的力學(xué)性能，又獲得良好的光限幅性能的效果，制備出耐高溫和經(jīng)受不同環(huán)境變化的非線性光限幅材料。此方法提供的固態(tài)材料具有光限幅性能，同時對可見光有很高的透過率，因此在激光防護方面具有較大的應(yīng)用潛力，同時具有工藝簡單、生產(chǎn)成本低等特點。又如專利(專利號為200510112192)，一種光限幅性和成模性優(yōu)良的[60]富勒烯衍生物[C6tl(C18H14)]及其制備方法，此發(fā)明涉及一種光限幅性和成膜性優(yōu)良的[60]富勒烯衍生物及其制備方法。這種方法將1，I’ -聯(lián)茚與[60]富勒烯在N2氣氣氛下、適當(dāng)?shù)娜軇┲校?70-200°C下回流5-15小時即獲得[60]富勒烯衍生物一 [C6tl(C18H14)L該衍生物不僅在苯、甲苯、二硫化碳等非極性有機溶劑中具有很好的溶解性，而且在極性有機溶劑中也具有很好的溶解性，該衍生物在光限幅性能和成膜性能方面都表現(xiàn)出比[60]富勒烯優(yōu)越的材料性能，這為[60]富勒烯在實際應(yīng)用方面展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景。本發(fā)明就是在這些研究的基礎(chǔ)上進行研發(fā)創(chuàng)新的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對上述技術(shù)分析，提供一種基于負壓效應(yīng)的低濃度可溶性碳納米管懸浮液限幅器，該限幅器結(jié)構(gòu)簡單、易于制備、成本低，具有較高的光限幅性能，在低強度下對激光具有高透射率，因此在激光防護方面具有較大的應(yīng)用潛力。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:
一種基于負壓效應(yīng)的低濃度可溶性碳納米管懸浮液限幅器，由可溶性碳納米管懸浮液和透明的玻璃器皿組成，可溶性碳納米管懸浮液包括碳納米管水溶液和表面活性劑去離子水，碳納米管水溶液中碳納米管與水的質(zhì)量比為10-20mg:90-100mL，用超聲波降解法將水表面活性劑去離子水加入到碳納米管水溶液中，通過表面活性劑去離子水的加入量調(diào)節(jié)可溶性碳納米管懸浮液的濃度為0.1-0.2mol/L，通過低能量密度脈沖激光對限幅器進行測試來確定透過率為85%時的可溶性碳納米管懸浮液的濃度；透明的玻璃器皿為矩形封閉容器，將制得的可溶性碳納米管懸浮液加入透明的玻璃器皿中，可溶性碳納米管懸浮液的加入量為玻璃器皿體積的60-70 %，將玻璃器皿真空部分抽真空至真空度為-0.05MPa，密封后即可。
[0007]所述通過低能量密度脈沖激光對限幅器進行透過率測試的裝置包括激光器、光強調(diào)節(jié)器AT、分束器BS、透鏡L1、限幅器S、透鏡L2、能量探測器D2和能量探測器D1，激光器發(fā)出的1064nm、脈寬35ps、重復(fù)率IOHz的低能量密度脈沖激光依次通過光強調(diào)節(jié)器AT、分束器BS、透鏡L1、限幅器S和透鏡L2并由能量探測器D2接受測量其輸出能量，其中由分束器BS反射的另一參考光束由能量探測器Dl接受并測量其輸入能量，輸出能量與輸入能量之比即為透過率。
[0008]本發(fā)明的工作機理:
該限幅器根據(jù)在負壓條件下低濃度可溶性碳納米管懸浮液的沸點降低的特性，將其制成高性能的限幅器，低濃度可溶性的碳納米管具有高的透射率且穩(wěn)定，視場也較亮，能實現(xiàn)低強度有高的透射率的防護要求；碳納米管的懸浮液受到激光輻照后被加熱，產(chǎn)生雪崩電離，形成微等離子體，微等離子體快速擴散到周圍的液體中，對入射的激光產(chǎn)生強散射；另夕卜，在負壓環(huán)境下懸浮液的沸點低，受熱后溫度上升，沸騰產(chǎn)生微氣泡，微氣泡也有光散射特性，這些散射能產(chǎn)生很好的光限幅效應(yīng)。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果是:該限幅器結(jié)構(gòu)簡單、易于制備、成本低，具有較高的光限幅性能，在低強度下對激光具有高透射率，因此在激光防護方面具有較大的應(yīng)用潛力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為石墨片層結(jié)構(gòu)不意圖。
[0011]圖2為碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖3為該限幅器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖中:1.入射激光 2.懸浮液 3.微氣泡 4.碳納米管 5.玻璃器皿 6.出射激光 7.真空部分
圖4為該限幅器的測試裝置圖。
[0014]圖5為該限幅器的測試圖。
【具體實施方式】
[0015]實施例:
一種基于負壓效應(yīng)的低濃度可溶性碳納米管懸浮液限幅器，如圖3所示，由可溶性碳納米管懸浮液2和透明的玻璃器皿5組成，可溶性碳納米管懸浮液2包括碳納米管水溶液和表面活性劑去離子水，碳納米管水溶液中碳納米管4與水的質(zhì)量比為20mg:100mL，用超聲波降解法將水表面活性劑去離子水加入到碳納米管水溶液中，通過表面活性劑去離子水的加入量調(diào)節(jié)可溶性碳納米管懸浮液2的濃度為0.16mol/L，通過低能量密度脈沖入射激光I和出射激光6對限幅器進行測試來確定透過率為85%時的可溶性碳納米管懸浮液2的濃度；透明的玻璃器皿5為矩形封閉容器，將制得的可溶性碳納米管懸浮液2加入透明的玻璃器皿5中，可溶性碳納米管懸浮液2的加入量為玻璃器皿5體積的65 %，將玻璃器皿真空部分7抽真空至真空度為-0.05MPa，在負壓環(huán)境下懸浮液產(chǎn)生微氣泡3，最后將玻璃器皿5密封后即可制得該限幅器。
[0016]所述通過低能量密度脈沖激光對限幅器進行透過率測試的裝置，入圖4所示，包括激光器、光強調(diào)節(jié)器AT、分束器BS、透鏡L1、限幅器S、透鏡L2、能量探測器D2和能量探測器D1，激光器發(fā)出的1064nm、脈寬35ps、重復(fù)率IOHz的低能量密度脈沖激光，光強調(diào)節(jié)器AT調(diào)節(jié)入射光的能量密度的，分束器BS將入射光分為兩束，一束作為參考光，由能量探測器Dl接受測量其輸入能量，另一束經(jīng)透鏡LI聚焦于限幅器S的中心處，輸出光經(jīng)透鏡L2分為平行光后，由能量探測器D2接受測量其輸出能量，輸出能量與輸入能量之比即為透過率。
[0017]測試過程中，為了得到最佳結(jié)果，需要改變可溶性碳納米管懸浮液濃度，重復(fù)平行做幾次實驗，從而分析得到光限幅效果最好時的濃度。
[0018]圖5為該限幅器的測試圖。
[0019]本測試結(jié)果說明在負壓效應(yīng)環(huán)境下，低濃度可溶性碳納米管懸浮液限幅器具有很好的限幅效果。
【權(quán)利要求】
1.一種基于負壓效應(yīng)的低濃度可溶性碳納米管懸浮液限幅器，其特征在于:由可溶性碳納米管懸浮液和透明的玻璃器皿組成，可溶性碳納米管懸浮液包括碳納米管水溶液和表面活性劑去離子水，碳納米管水溶液中碳納米管與水的質(zhì)量比為10-20mg:90-100mL，用超聲波降解法將水表面活性劑去離子水加入到碳納米管水溶液中，通過表面活性劑去離子水的加入量調(diào)節(jié)可溶性碳納米管懸浮液的濃度為0.1-0.2mol/L，通過低能量密度脈沖激光對限幅器進行測試來確定透過率為85%時的可溶性碳納米管懸浮液的濃度；透明的玻璃器皿為矩形封閉容器，將制得的可溶性碳納米管懸浮液加入透明的玻璃器皿中，可溶性碳納米管懸浮液的加入量為玻璃器皿體積的60-70 %，將玻璃器皿真空部分抽真空至真空度為-0.05MPa,密封后即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于負壓效應(yīng)的低濃度可溶性碳納米管懸浮液限幅器，其特征在于:所述通過低能量密度脈沖激光對限幅器進行透過率測試的裝置包括激光器、光強調(diào)節(jié)器AT、分束器BS、透鏡L1、限幅器S、透鏡L2、能量探測器D2和能量探測器D1，激光器發(fā)出的1064nm、脈寬35ps、重復(fù)率IOHz的低能量密度脈沖激光依次通過光強調(diào)節(jié)器AT、分束器BS、透鏡L1、限幅器S和透鏡L2并由能量探測器D2接受測量其輸出能量，其中由分束器BS反射的另一參考光束由能量探測器Dl接受并測量其輸入能量，輸出能量與輸入能量之比即為透過率。
【文檔編號】G02F1/355GK103869574SQ201410094932
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月14日
【發(fā)明者】魏臻, 張志梅, 劉學(xué)文, 翟韜, 宋長鵬, 尚光彬, 馬祥, 呂青蕓 申請人:天津理工大學(xué)