无机基纳米碳管复合固态光限幅材料制备及性能研究

论文摘要

纳米碳管具有良好的光限幅性能,是一种潜在的激光防护材料。然而,纳米碳管必须分散在某种介质中才能工作,而目前所采用的介质多为水或有机溶剂,给器件化带来很大困难。无机玻璃基质具有优良的理化性能及高透明性,较高的激光损伤阈值,若能通过纳米碳管在其中的掺杂实现二者功能的互补和优化,则可以提供优质的复合光限幅材料和器件,满足实用化的需要。本文综述了纳米碳管的结构、性能、光限幅效应的产生机理,其在激光防护领域的应用前景及实用化过程中可能遇到的困难。采用溶胶-凝胶湿化学技术,首次成功地将纳米碳管引入具有良好理化性能和光学透明性的无机基质中,制备了均匀掺杂的无机基纳米碳管复合固态光限幅材料。在此基础上,探索无机基纳米碳管复合固态光限幅材料的制备技术,对复合体系的谱学性能、显微结构及孔结构进行了系统表征并寻求最佳配方和工艺条件。对无机基纳米碳管复合固态光限幅材料在不同加热条件、不同激光轰击条件下的化学组成、显微结构及孔结构的演变过程进行了跟踪研究。采用透射率测定法和 z 扫描技术对复合体系光限幅性能进行了测试,考察和分析了纳米碳管在固态基质中的光限幅行为及其与液态基质的差异。取得了一系列有益的结论和创新性成果,为制备性能优异的新型复合光限幅材料提供了理论依据和物质基础。实验结果表明, 在适当的工艺条件下,纳米碳管在溶胶-凝胶过程中可以得到良好分散,且溶剂-凝胶的复合化过程对纳米碳管本身结构不会产生影响,表明溶胶-凝胶法是低温制备新型纳米碳管复合材料的有效途经。掺杂纳米碳管在复合体系中具有良好的热稳定性,但在高能量激光轰击之下的稳定性欠佳。纳米碳管在 DMF 分散液和复合干凝胶中均具有良好的光限幅性能,且防护波段可覆盖可见光区（532nm）和红外区（1064nm）。当纳米碳管被引入固态基质后,其光限幅性能相对液态基质表现出一定程度的增强。该研究成果将为纳米碳管的材料化和开发新型激光防护材料提供新方向与思路。

论文目录

• 摘 要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 第二章 文献综述
• 2.1 纳米碳管概述
• 2.1.1 纳米碳管的发现
• 2.1.2 纳米碳管的结构
• 2.1.3 纳米碳管的性能
• 2.2 纳米碳管光限幅效应研究进展
• 2.2.1 光限幅原理
• 2.2.2 光限幅机制
• 2.2.3 纳米碳管光限幅性质研究现状
• 2.3 溶胶-凝胶法制备光功能材料研究进展
• 2.3.1 溶胶-凝胶法基本原理
• 2.3.2 溶胶-凝胶法在光功能材料制备中的应用
• 2.4 本课题组的研究工作基础
• 第三章 试验方法
• 3.1 样品的制备
• 3.1.1 化学试剂
• 3.1.2 配方计算
• 3.1.3 无机基纳米碳管复合材料的制备
• 3.2 分析测试
• 3.2.1 样品组成、结构表征
• 3.2.2 样品组成和结构在加热过程中的演变研究
• 3.2.3 样品组成和结构在激光轰击过程中的演变研究
• 3.2.4 样品非线性光学性能的测试
• 第四章 无机基纳米碳管复合材料制备技术及表征
• 4.1 无机基纳米碳管复合材料制备工艺及过程研究
• 4.1.1 先驱液配方的确定
• 4.1.2 催化剂选择
• 4.1.3 搅拌方式的选择
• 4.1.4 水解缩聚过程组成及结构改变
• 4.2 无机基纳米碳管复合材料的表征
• 4.2.1 谱学性能的表征
• 4.2.2 显微结构的表征
• 4.2.3 孔结构的表征
• 4.3 无机基纳米碳管复合材料掺杂 CNTs 浓度效应
• 4.3.1 CNTs 掺杂浓度对复合材料谱学性能的影响
• 4.3.2 CNTs 掺杂浓度对复合材料孔结构的影响
• 4.4 本章结论
• 第五章 无机基纳米碳管复合材料组成和结构在加热过程中的演变研究
• 5.1 复合材料组成在加热过程中的演变
• 5.1.1 红外光谱
• 5.1.2 拉曼光谱
• 5.2 复合材料显微结构在加热过程中的演变
• 5.3 复合材料孔结构在加热过程中的演变
• 5.3.1 孔形的演变
• 5.3.2 孔径分布的演变
• 5.3.3 比表面积及孔隙率的演变
• 5.4 本章结论
• 第六章 无机基纳米碳管复合材料组成和结构在激光轰击过程中的演变研究
• 6.1 复合材料组成在激光轰击过程中的演变
• 6.1.1 红外光谱
• 6.1.2 拉曼光谱
• 6.2 复合材料显微结构在激光轰击过程中的演变
• 6.3 复合材料孔结构在激光轰击过程中的演变
• 6.4 复合材料表面形貌在激光轰击过程中的演变
• 6.4.1 光学材料激光损伤概述
• 6.4.2 复合材料表面形貌的改变
• 6.5 本章结论
• 第七章 无机基纳米碳管复合材料光限幅特性
• 7.1 透过率法测试材料的光限幅效应
• 7.1.1 透过率法的测试原理
• 7.1.2 测试结果
• 7.2 Z-扫描法测试材料的非线性效应
• 7.2.1 Z-扫描法的测试原理
• 7.2.2 测试结果
• 7.3 纳米碳管在复合体系中的光限幅机理研究
• 7.4 本章结论
• 结 论
• 参 考 文 献
• 致 谢
• 个 人 简 介