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(fā)光強(qiáng)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(yīng)用。

關(guān)鍵詞：碳納米管；煙火藥；催化；性能影響

中圖分類號(hào)：TB383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shí)能產(chǎn)生光、熱、煙、聲等效應(yīng)的特殊含能材料。煙火藥納米化后不僅可以發(fā)揮煙火藥本身的性能，還可以表現(xiàn)出納米級(jí)材料的優(yōu)良性能，因此，煙火藥納米化是煙火藥未來發(fā)展的方向。將煙火藥與納米級(jí)材料組成復(fù)合物也是當(dāng)今提高煙火藥性能的主要方式。

碳納米管（CNTs）是一種納米級(jí)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(wǎng)格封口。每層CNTs是一個(gè)碳原子通過sp2雜化與周圍3個(gè)碳原子相連，形成六角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)組成圓柱面。CNTs根據(jù)層數(shù)的不同可以分成單壁碳納米管和多壁碳納米管2種，是準(zhǔn)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(qiáng)度等優(yōu)良性質(zhì)，從而使其在諸多領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用前景。

碳納米管在煙火藥領(lǐng)域中的研究主要集中在對煙火藥的催化作用，對反應(yīng)過程中藥劑感度的影響，碳納米管在提高藥劑的反應(yīng)速率、降低藥劑的熱分解溫度、提高藥劑的發(fā)光強(qiáng)度、提高點(diǎn)傳火穩(wěn)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(yīng)用一一敘述。

1 碳納米管的催化性能

1.1 氧化物負(fù)載于碳納米管表面

該種復(fù)合物可以采用不同的制備方法，比如化學(xué)沉淀法、化學(xué)液相沉淀法、溶膠-凝膠法、復(fù)分解反應(yīng)法等，制備出氧化物負(fù)載于碳納米管表面的復(fù)合材料。該復(fù)合材料既能發(fā)揮出金屬氧化物本身的性能，又能結(jié)合碳納米管的納米級(jí)優(yōu)勢對煙火藥的反應(yīng)起到良好的催化的作用。錢新明等人采用化學(xué)沉淀法制備沉積于碳納米管表面上的CuO、Fe2O3復(fù)合催化劑。CuO/CNTs和Fe2O3/CNTs復(fù)合催化劑能夠提高含高氯酸鉀煙火藥劑的反應(yīng)速率，且其對高氯酸鉀催化性能明顯優(yōu)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(xué)沉淀法制備了Co3O4/CNTs復(fù)合粒子。該復(fù)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(xué)液相沉淀法制備Y2O3納米粒子/碳納米管復(fù)合體（Y2O3/CNTC）。結(jié)果表明，Y2O3納米粒子能負(fù)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(jìn)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(xué)沉積法制備了負(fù)載納米NiO的復(fù)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(fù)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(tuán)聚，增大比表面積，增加反應(yīng)活性中心，增加催化效果，載體分叉CNTs的枝杈形結(jié)構(gòu)，有利于納米NiO/分叉CNTs復(fù)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(fù)合粒子。Fe2O3/CNTs復(fù)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(yīng)速率常數(shù)增加，表現(xiàn)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(fù)分解反應(yīng)制備了碳納米管/高氯酸鉀（CNTs/KClO4）復(fù)合材料，將KClO4有效涂敷在碳納米管上。CNTs/KClO4復(fù)合材料的比表面積降低、熱分解溫度和晶型轉(zhuǎn)變峰溫前移，以CNTs/KClO4復(fù)合材料為原料制備的Mo/KClO4點(diǎn)火藥的熱導(dǎo)率提高了33.9%，有效避免點(diǎn)火藥中納米級(jí)氧化劑顆粒的團(tuán)聚，進(jìn)一步提高點(diǎn)傳火穩(wěn)定性。

1.2 碳納米管直接混入到煙火藥劑中

該種納米級(jí)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(jìn)而考察碳納米管的加入對煙火藥反應(yīng)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(yīng)速率提高到不含CNTs煙火藥的4.15倍，并且達(dá)到最大反應(yīng)速率的時(shí)間降低了56.4%.水混法添加CNTs的硝酸鉀的煙火藥劑的反應(yīng)速率為不含CNTs的1.51倍，并且達(dá)到最大反應(yīng)速率的時(shí)間降低了11%.劉黎明等人將CNTs加入到Zr/KClO4中，結(jié)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(nèi)填充氧化劑

吳篩青在碳納米管中空管腔內(nèi)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(fù)合含能材料。這種新型的復(fù)合材料將來可以作為含能材料用于制備反應(yīng)性的點(diǎn)火橋。

1.4 碳納米管的內(nèi)嵌與包覆

碳納米管的內(nèi)嵌是指將碳納米管鑲嵌入其他物質(zhì)中，包覆是指在碳納米管外包覆一層其他物質(zhì)。陳小華等人研究了氧化亞銅內(nèi)嵌碳納米管復(fù)合球的合成及光催化性能。碳納米管均勻嵌鑲在Cu2O球內(nèi)部，Cu2O復(fù)合球?qū)ο趸椒尤芤旱墓獯呋到饴矢叱鲅趸瘉嗐~10%左右。石剛通過化學(xué)鍍法對碳納米管表面進(jìn)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(jié)構(gòu)和性能，增強(qiáng)了碳納米管與鎂基體的相容性，使增強(qiáng)相和基體間結(jié)合緊密，即碳納米管包覆層與鎂基體之發(fā)生反應(yīng)，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(fù)合材料，研究了其對不同點(diǎn)火藥火焰感度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳納米管團(tuán)聚在黏合劑中形成碳納米管/黏合劑復(fù)合材料時(shí)，該復(fù)合材料可以提高以該黏合劑為主要成分的點(diǎn)火藥劑的火焰感度，并且當(dāng)碳納米管加入量增加至高于3%時(shí)，火焰感度明顯提高。團(tuán)聚在一起的碳納米管在點(diǎn)火的時(shí)候迅速捕集大量的熱量，使熱量在碳納米管中團(tuán)聚，碳納米管內(nèi)的溫度迅速上升，形成熱點(diǎn)，促進(jìn)整個(gè)體系的燃燒。當(dāng)碳納米管的含量增加時(shí)，熱點(diǎn)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(fā)光強(qiáng)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(qiáng)吸附能力、高強(qiáng)度的碳納米管（CNTs），提高了藥劑的爆燃反應(yīng)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(fā)光強(qiáng)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(fā)光強(qiáng)度的影響。氧化銅能夠在碳納米管表面有效負(fù)載，提高了高氯酸鉀基煙火藥發(fā)光強(qiáng)度。

4 總結(jié)與展望

碳納米管以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，將其復(fù)合在煙火藥中，可以作為催化劑提高煙火藥的反應(yīng)速率，降低氧化劑的熱分解溫度，并且不同復(fù)合材料和方法，其催化性能不一樣。感度在煙火藥中是一個(gè)非常重要的參數(shù)，根據(jù)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(chǎn)生光和熱，碳納米管復(fù)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(chǔ)氫性能現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用廣泛，但是在煙火藥領(lǐng)域應(yīng)用較少，碳納米管的儲(chǔ)存性能應(yīng)用與煙火藥，增加煙火藥的反應(yīng)能量。碳納米管還可以增加鋁基鎂基材料的強(qiáng)度，將其這一性能應(yīng)用于煙火藥中。因?yàn)殇X、鎂也是煙火藥中常用的材料，做成強(qiáng)度煙火藥。相信未來，碳納米管一定會(huì)給煙火藥領(lǐng)域帶來更大福音。

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〔編輯：劉曉芳〕