高稳定快响应石墨烯-液晶复合激光防护材料的制备与应用研究

Recently, the protection for the image detectors is the main issue in the laser protection field, which is also one of the most important requirements for a nation. The foundation and premise of the laser protection material is their good stability, rapid response time and high linear transmittance. Organic optical nonlinear materials, which possess rapid response time, high linear transmittance and broad protective bands, are regarded as the promising materials. However, the organic optical nonlinear materials suffered from their intrinsic poor stabilities and in turn limited their developments. Meanwhile, liquid crystal materials show good stability and high transparency yet with slow response. So the design of the combination of organic optical nonlinear materials with liquid crystals could be a good solution to meet the requirements for high performance laser protection materials. .In this proposal, we will design and synthesize organic optical nonlinear-liquid crystal (graphene-liquid crystal) complex and characterize their properties. This is very important for achieving high performance in laser protective materials and will accelerate the development of these materials in industry. We intend to believe that this study covers the multidisciplinary fields of material sciences, physics and chemistry, and it is very important and has potential applications.

近年来，成像探测设备的防护成为了激光防护领域研究的重点，也是国家发展的迫切需求。激光防护技术发展的基础和前提是具有高的稳定性、快速的响应时间、高的线性透过率、性能优异的材料。有机非线性光学材料具有响应速度快、线性透过率高、防护波段宽等特点，然而低的稳定性制约了其发展；液晶材料具有稳定性高、透明性好的特点，但是慢的响应时间阻碍了其发展。将有机非线性光学材料与液晶材料复合将能够满足实际的需求。本项目主要是针对激光防护技术的发展需求，围绕成像探测设备防护这一主要目标，从原理分析出发，设计合成出稳定快速响应的有机非线性光学-液晶（本项目拟定石墨烯-液晶）复合型激光防护材料，为激光防护技术的发展奠定重要的材料基础。该研究是材料、物理、化学等多学科交叉领域，具有重要的研究意义和应用前景。

本项目主要是针对激光防护技术的发展需求，设计合成出稳定快速响应的有机非线性光学-液晶复合型激光防护材料。项目首先对典型的有机非线性光学材料――碳基光限幅材料进行了归纳总结，对它们的光限幅性能进行了比较，从中选择性能优异的石墨烯材料作为有机非线性光学材料，采用超声剥离法制备石墨烯并将其分散到多种有机溶剂中，在不同的透射率、不同的溶剂中，以及不同片层尺寸在对石墨烯材料分散液的光限幅性能进行详细研究。并将石墨烯的表面进行功能化，使其能够分散到多种透明的聚合物薄膜中形成膜材料，比较和分析了在不同聚合物基质中的石墨烯光限幅性能。接下来，我们选择4-丙基- 4’-丁基二苯乙炔作为液晶材料，在材料被成功合成之后，对其光限幅特性进行了详细的研究。尽管该液晶材料的光限幅性能优异，然而其与石墨烯之间很难形成有效的相互作用，使材料复合变得困难，我们对该液晶材料的结构进行了修饰，使其具有能够与石墨烯进行复合的官能团。用修饰后的液晶材料与氧化石墨烯复合，并对其光限幅性能进行测试。结果表明，液晶修饰后的氧化石墨烯，在 532 nm 及 1064 nm 激光的辐照下，性能都得到了提高，尤其是在 1064 nm 波长处，由于液晶材料与石墨烯相互作用增强，能量传递增加，限幅性能得到显著提高。另外，本项目采用羟基柱[5]修饰氧化石墨烯，使氧化石墨烯能够很好的分散到有机溶剂，例如丙酮中，并对其光限幅性能进行测试。结果表明，羟基柱[5]修饰后的氧化石墨烯在 532 nm 激光的辐照下，限幅性能得到了提高。本项目还合成了多种柱芳烃及配体材料，为进一步研究柱芳烃修饰的石墨烯限幅性能研究提供材料基础。