[发明专利]具有光限幅特性的有序介孔碳/玻璃复合材料及制备方法

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

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、材料加工以及国防等领域获得了广泛应用。但随着高功率、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，特别是激光防护材料 的研究显得尤为迫切。近年来，该领域的研究热点从基于线形理论的传统激 光防护材料转移到基于非线性理论的新型激光防护材料上来。激光限幅材料 就是一种基于非线性理论的新型防护材料，它能让入射强度较低的光线透过 材料，而衰减入射强度较高的光线，从而对人眼和仪器起到保护作用。其中， 碳家族成员如碳黑、富勒烯、碳纳米管(Q.Wang，Y.Qin，Y.Zhu，et al.，Chem. Phys.Lett..457(2008)，159-162.)等，均显示出良好的激光限幅性能。除此之外， 碳家族中的有序介孔碳(OMCs)是一类具有有序孔道结构、大孔容积、高比表 面的碳材料，在催化(S.H.Joo，S.J.Choi，I.Oh，et al.，Nature 412(2001)169)、 储能(J.Lee，J.Kim，T.Hyeon，Adv.Mater.18(2006)2073)、吸附等领域有很好 的应用。J.Wang等还发现有序介孔碳/二氧化硅复合材料表现出了非常优异的 微波屏蔽性能，其性能甚至优于同含量的碳纳米管/二氧化硅复合材料(J.C. Wang，C.S.Xiang，Q.Liu，et al.Adv.Func.Mater.，18(2008)2995-3002)。但是， 目前关于有序介孔碳非线性光学性能方面的研究还未见报道。从有序介孔碳 和碳纳米管的比较来看，其化学组成均为碳，介孔碳的直径一般为1-50nm，而 碳纳米管的直径一般为几十个纳米，两者的长度均远远大于直径(为微米级)， 因此两者具有类似的结构。两者的电化学对比研究也表明有序介孔碳和碳纳 米管一样具有很好的化学活性，可作为电极材料(M.Zhou，L.Shang，B.Li，et al.，Electrochem.Commun.10(2008)859-863)。目前，对碳纳米管的光限幅 性能研究表明其具有很好的光限幅性能。但是碳纳米管的直径分布不均，排 列杂乱无章，且容易团聚，很难进一步提高其光学均匀性。本发明人的前期 工作表明，有序介孔碳在玻璃基体中，具有和碳纳米管复合材料相当的光限 幅性能，而且有序介孔碳直径可控、高度有序，在介质中易于分散，有望用 于制备光学均匀性更好的块体材料。

与此相关的是，要制备具有光限幅性能的有序介孔碳复合材料，还必须 选择一种合适的基体材料。一方面，光限幅材料要求对可见光具有较高的透 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， 光限幅材料本身还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 和碳有良好的相容性，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。陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、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。另外，碳 和玻璃基体的相容性很好，该复合材料的制备是可行的。

将有序介孔碳掺入玻璃基体中，制备透明且具有光限幅性能的固体材料， 目前还未见有这方面的研究报道。这种复合材料不仅具有光限幅性能，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，从而导出本发明的构思。

发明内容

针对目前光限幅材料方面的研究现状，本发明的目的在于提供一种具有 光限幅特性的有序介孔碳/玻璃复合材料及制备方法。其优点是制备了结构功 能一体化的有序介孔碳/玻璃复合材料，使有序介孔碳在激光防护方面的器件 化成为可能。

所述的有序介孔碳在复合材料中质量百分含量为0.1～5wt％(以玻璃基体 为基准，外加的质量百分数)，尤其是其质量百分含量为0.3～1％。