自修复碳纳米管（CNTs）/PDMS-BA复合材料作为非线性光学限幅器

《Optical Materials》：Self-healing CNTs/PDMS-BA composites as nonlinear optical limiter

本研究制备了碳纳米管掺杂聚二甲基硅氧烷-硼酸交联（CPB）新型自修复非线性光学限幅复合材料，实验表明CPB在1064 nm波长下具有优异非线性光学限幅性能，激光损伤后可通过热处理（25-75°C）或机械清除实现自修复，循环三次后性能仅下降5%，兼具高损伤阈值和低成本制备优势。

　　在当前的光学材料研究中，非线性光学限制（NOL）材料因其在高能激光防护中的独特优势而备受关注。这类材料能够在低强度光照射下保持较高的透射率，而在高强度激光脉冲作用下显著降低透射率，从而实现对光能的有效限制。这种特性使其在保护光学仪器、传感器以及人类视觉系统免受高功率激光伤害方面具有广阔的应用前景。然而，传统NOL材料在受到损伤后往往无法恢复，限制了其在实际应用中的可重复性和可持续性。因此，开发具备自修复能力的NOL材料成为当前研究的重要方向。

在这一背景下，研究人员提出了一种创新性的自修复NOL复合材料——碳纳米管掺杂的聚二甲基硅氧烷-硼酸交联复合材料（CNTs-doped PDMS-BA, CPB）。该材料通过将碳纳米管（CNTs）均匀分散于聚二甲基硅氧烷（PDMS）和硼酸（BA）形成的动态网络中，实现了优异的光学限制性能和自修复能力。这种复合材料不仅具备良好的机械性能，还能在不同温度条件下展现出显著的自修复特性。实验结果显示，CPB在25°C、50°C和75°C三种温度下均能实现有效的自修复，其中高温能够加速修复过程。此外，即使在激光损伤后，CPB也可以通过去除受损区域实现自我修复，从而具备可回收性。这一特性不仅提高了材料的使用寿命，还降低了其在光学限制应用中的使用成本。

在光学限制性能方面，CPB表现出优于大多数现有固体NOL材料的性能。实验中采用经典光学限制配置对CPB材料进行了研究，使用的光源为波长为1064纳米、重复频率为1赫兹的Nd:YAG激光器。实验结果表明，CPB在1毫米和2毫米厚度下分别表现出62.6%和27.2%的线性与最小透射率，显示出其在高能激光防护中的强大能力。此外，CPB的循环性能也十分优异，其NOL性能在三次循环后仅下降5%，这表明其在实际应用中具有良好的稳定性和适应性。

CPB的自修复能力源于其独特的分子结构。PDMS-BA基体中，PDMS链与BA分子通过酯交换反应形成动态网络，这种网络能够通过动态氢键和动态硼氧键实现自我修复。具体而言，PDMS链末端含有羟基，而BA分子中含有硼酸基团，这些基团能够形成动态氢键，从而在受到机械损伤或激光照射后，材料内部的分子结构能够通过氢键的重新形成实现自我修复。同时，硼原子通过其外层空轨道与相邻分子链上的氧原子形成动态硼氧键，进一步增强了材料的自修复能力。此外，材料中还含有动态硼酸酯键和共价交联网络，这些结构共同作用，使得CPB能够在一定条件下实现自发或外部触发的修复。

在材料的制备过程中，研究人员采用了一种简便的方法，将CNTs均匀分散于PDMS-BA基体中，从而形成具有自修复能力的NOL复合材料。这种制备方法不仅简化了材料的合成过程，还提高了材料的均匀性和稳定性。实验结果显示，CPB在不同厚度和CNTs浓度下均表现出优异的光学限制性能。例如，在1毫米厚度和0.54毫克/毫升CNTs浓度下，CPB的线性透射率为62.6%，而最小透射率则为27.2%。在2毫米厚度和0.62毫克/毫升CNTs浓度下，其线性透射率进一步提升，而最小透射率则保持稳定，显示出其在不同条件下的适应性。

CPB的自修复能力不仅限于温度条件，还可以通过机械处理实现。当材料受到激光损伤后，可以通过移除受损区域来恢复其光学性能，从而实现材料的可回收利用。这种特性使得CPB在实际应用中具有更高的经济性和环保性。此外，CPB的厚度和CNTs浓度可以根据实际需求进行调整，进一步提升了其在不同应用场景下的灵活性和适应性。

与现有自修复材料相比，CPB的优势在于其更简单的制备工艺。传统自修复材料往往需要复杂的合成步骤和特殊的化学处理，而CPB的制备方法则更为简便，这不仅降低了材料的生产成本，还提高了其在实际应用中的可行性。同时，CPB的光学性能和自修复能力均表现出良好的稳定性，使其成为一种极具潜力的NOL材料。

CPB的光学限制性能不仅体现在其对高能激光的响应上，还体现在其对光能的动态调控能力上。通过调整材料的厚度和CNTs浓度，研究人员能够优化CPB的光学限制性能，使其在不同光强条件下均能实现有效的限制。这种动态调控能力使得CPB能够适应更广泛的应用场景，包括工业加工、医疗治疗和光学通信等领域。此外，CPB的高损伤阈值也表明其在高能激光防护中的可靠性，使其成为一种值得推广的NOL材料。

在实际应用中，CPB的自修复能力为其提供了显著的优势。传统的NOL材料在受到损伤后往往无法恢复，导致其在实际应用中需要频繁更换，增加了使用成本和维护难度。而CPB的自修复能力不仅能够延长其使用寿命，还能够降低其在实际应用中的维护成本，提高其经济性和可持续性。此外，CPB的自修复能力还能够使其在受到机械损伤或激光照射后，仍能保持良好的光学性能，从而确保其在不同环境下的适应性。

综上所述，CPB作为一种新型自修复NOL复合材料，具有优异的光学限制性能和自修复能力。其高损伤阈值和良好的循环性能表明其在高能激光防护中的可靠性，而其可调整的厚度和浓度则进一步提升了其在不同应用场景下的适应性。这些特性使得CPB成为一种极具潜力的NOL材料，有望在未来的研究和应用中发挥重要作用。