碳納米管在煙火藥中的應用

鄒彤　霸書紅

摘 要：介紹了碳納米管對煙火藥的催化作用以及感度、發光強度、輻射性能的影響，并展望了未來碳納米管在煙火藥中的應用。

關鍵詞：碳納米管；煙火藥；催化；性能影響

中圖分類號：TB383 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.101

煙火藥是一種由氧化劑、可燃物和黏合劑等組成，燃燒時能產生光、熱、煙、聲等效應的特殊含能材料。煙火藥納米化后不僅可以發揮煙火藥本身的性能，還可以表現出納米級材料的優良性能，因此，煙火藥納米化是煙火藥未來發展的方向。將煙火藥與納米級材料組成復合物也是當今提高煙火藥性能的主要方式。

碳納米管（CNTs）是一種納米級石墨管狀晶體，由石墨片層繞中心軸按一定的螺旋度卷曲而成，管子兩端一般由含五邊形的半球面網格封口。每層CNTs是一個碳原子通過sp2雜化與周圍3個碳原子相連，形成六角形網格結構組成圓柱面。CNTs根據層數的不同可以分成單壁碳納米管和多壁碳納米管2種，是準一維分子材料。碳納米管因具有較好的催化性能、良好的吸附能力、高比表面積和高強度等優良性質，從而使其在諸多領域中具有重要的應用前景。

碳納米管在煙火藥領域中的研究主要集中在對煙火藥的催化作用，對反應過程中藥劑感度的影響，碳納米管在提高藥劑的反應速率、降低藥劑的熱分解溫度、提高藥劑的發光強度、提高點傳火穩定性等方面起到良好作用。下面將碳納米管在煙火藥中的應用一一敘述。

1 碳納米管的催化性能

1.1 氧化物負載于碳納米管表面

該種復合物可以采用不同的制備方法，比如化學沉淀法、化學液相沉淀法、溶膠-凝膠法、復分解反應法等，制備出氧化物負載于碳納米管表面的復合材料。該復合材料既能發揮出金屬氧化物本身的性能，又能結合碳納米管的納米級優勢對煙火藥的反應起到良好的催化的作用。錢新明等人采用化學沉淀法制備沉積于碳納米管表面上的CuO、Fe2O3復合催化劑。CuO/CNTs和Fe2O3/CNTs復合催化劑能夠提高含高氯酸鉀煙火藥劑的反應速率，且其對高氯酸鉀催化性能明顯優于Fe2O3和CuO混合物的催化性能。劉建勛等人以碳納米管為載體，采用化學沉淀法制備了Co3O4/CNTs復合粒子。該復合粒子對高氯酸銨有明顯的催化作用。周龍梅等人采用化學液相沉淀法制備Y2O3納米粒子/碳納米管復合體（Y2O3/CNTC）。結果表明，Y2O3納米粒子能負載在碳納米管上，并對高氯酸銨的高溫分解有良好的催化性能。劉建勛等人采用射流進樣催化裂解法制備了直形碳納米管（CNTs）、分叉碳納米管，分別以二者為載體，用化學沉積法制備了負載納米NiO的復合粒子，并研究了納米NiO和CNTs的單一納米粒子、簡單混合物、復合物對高氯酸銨熱分解的催化性能。CNTs的載體支撐作用可防止NiO納米粒子的團聚，增大比表面積，增加反應活性中心，增加催化效果，載體分叉CNTs的枝杈形結構，有利于納米NiO/分叉CNTs復合粒子催化性能的提高。姜煒等人以碳納米管（CNTs）為載體，采用溶膠-凝膠法制備了Fe2O3/CNTs復合粒子。Fe2O3/CNTs復合粒子可顯著降低AP熱分解峰溫，使總表觀分解熱明顯增加，高溫分解的表觀活化能降低，熱分解反應速率常數增加，表現出顯著的催化效果。張步允、焦清介等人通過NH4ClO4溶液和KOH溶液的復分解反應制備了碳納米管/高氯酸鉀（CNTs/KClO4）復合材料，將KClO4有效涂敷在碳納米管上。CNTs/KClO4復合材料的比表面積降低、熱分解溫度和晶型轉變峰溫前移，以CNTs/KClO4復合材料為原料制備的Mo/KClO4點火藥的熱導率提高了33.9%，有效避免點火藥中納米級氧化劑顆粒的團聚，進一步提高點傳火穩定性。

1.2 碳納米管直接混入到煙火藥劑中

該種納米級煙火藥的制備是采用水混法和丙酮混法等方法將碳納米管直接混入到煙火藥劑中，使原來的煙火藥納米化，進而考察碳納米管的加入對煙火藥反應的催化作用。錢新明等人采用水混法和丙酮混法將CNTs加入到含高氯酸鉀和硝酸鉀的煙火藥劑中，并利用絕熱加速量熱儀研究混合了CNTs的高氯酸鉀和硝酸鉀煙火藥劑的催化作用。CNTs對2種煙火藥劑都具有催化作用。相比之下，水混法的CNTs的催化效果更好。水混法加入CNTs的高氯酸鉀煙火藥劑使反應速率提高到不含CNTs煙火藥的4.15倍，并且達到最大反應速率的時間降低了56.4%.水混法添加CNTs的硝酸鉀的煙火藥劑的反應速率為不含CNTs的1.51倍，并且達到最大反應速率的時間降低了11%.劉黎明等人將CNTs加入到Zr/KClO4中，結果表明，CNTs的加入對Zr/KClO4的熱分解特性和光輻射能均有顯著的影響。

1.3 在碳納米管腔內填充氧化劑

吳篩青在碳納米管中空管腔內填充硝酸鉀，將碳納米管作為可燃劑，從而可以形成一類新型的納米復合含能材料。這種新型的復合材料將來可以作為含能材料用于制備反應性的點火橋。

1.4 碳納米管的內嵌與包覆

碳納米管的內嵌是指將碳納米管鑲嵌入其他物質中，包覆是指在碳納米管外包覆一層其他物質。陳小華等人研究了氧化亞銅內嵌碳納米管復合球的合成及光催化性能。碳納米管均勻嵌鑲在Cu2O球內部，Cu2O復合球對對硝基苯酚溶液的光催化降解率高出氧化亞銅10%左右。石剛通過化學鍍法對碳納米管表面進行鍍鎳處理后，使碳納米管表面包覆一層大約20 nm厚的鎳層，從而改善了碳納米管表面結構和性能，增強了碳納米管與鎂基體的相容性，使增強相和基體間結合緊密，即碳納米管包覆層與鎂基體之發生反應，生成了界面相Mg2Ni。

2 碳納米管對煙火藥感度的影響

2.1 對煙火藥火焰感度的影響

張方、黨智敏等人將碳納米管分散在不同黏合劑體系中形成薄膜，制成碳納米管/黏合劑復合材料，研究了其對不同點火藥火焰感度的影響。結果發現，當碳納米管團聚在黏合劑中形成碳納米管/黏合劑復合材料時，該復合材料可以提高以該黏合劑為主要成分的點火藥劑的火焰感度，并且當碳納米管加入量增加至高于3%時，火焰感度明顯提高。團聚在一起的碳納米管在點火的時候迅速捕集大量的熱量，使熱量在碳納米管中團聚，碳納米管內的溫度迅速上升，形成熱點，促進整個體系的燃燒。當碳納米管的含量增加時，熱點增加，火焰感度也隨之提高。

2.2 對煙火藥其他感度的影響

陳利魁研究了碳納米管對BNCP感度性能的影響，碳納米管的加入，使撞擊感度和火焰感度都降低，摩擦感度和靜電火花感度都增加。

3 對煙火藥輻射性能和發光強度的影響

3.1 對煙火藥輻射性能的影響

劉黎明等人研究了碳納米管對Zr/KClO4煙火劑的熱行為和光輻射性能的影響，在煙火劑Zr/KClO4中引入具有催化性能、高比表面積、強吸附能力、高強度的碳納米管（CNTs），提高了藥劑的爆燃反應速率，增加了藥劑的燃燒溫度，使輻射度也隨之增大。

3.2 對煙火藥發光強度的影響

霸書紅等人研究了納米CuO/CNTs的制備及對高氯酸鉀基煙火藥發光強度的影響。氧化銅能夠在碳納米管表面有效負載，提高了高氯酸鉀基煙火藥發光強度。

4 總結與展望

碳納米管以其獨特的結構與性質，將其復合在煙火藥中，可以作為催化劑提高煙火藥的反應速率，降低氧化劑的熱分解溫度，并且不同復合材料和方法，其催化性能不一樣。感度在煙火藥中是一個非常重要的參數，根據所需，碳納米管既可以降低煙火藥的感度也可以提高煙火藥的感度，因此碳納米管對于煙火藥的感度的影響十分重要。煙火藥燃燒過程產生光和熱，碳納米管復合材料可以增加煙火藥的光和熱，有效的提高煙火藥的性能。碳納米管的儲氫性能現在已經應用廣泛，但是在煙火藥領域應用較少，碳納米管的儲存性能應用與煙火藥，增加煙火藥的反應能量。碳納米管還可以增加鋁基鎂基材料的強度，將其這一性能應用于煙火藥中。因為鋁、鎂也是煙火藥中常用的材料，做成強度煙火藥。相信未來，碳納米管一定會給煙火藥領域帶來更大福音。

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〔編輯：劉曉芳〕