碳纳米管在烟火药中的应用

2016-11-09邹彤霸书红

科技与创新 2016年19期

邹彤　霸书红

摘要：介绍了碳纳米管对烟火药的催化作用以及感度、发光强度、辐射性能的影响，并展望了未来碳纳米管在烟火药中的应用。

关键词：碳纳米管；烟火药；催化；性能影响

中图分类号：TB383 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.101

烟火药是一种由氧化剂、可燃物和黏合剂等组成，燃烧时能产生光、热、烟、声等效应的特殊含能材料。烟火药纳米化后不仅可以发挥烟火药本身的性能，还可以表现出纳米级材料的优良性能，因此，烟火药纳米化是烟火药未来发展的方向。将烟火药与纳米级材料组成复合物也是当今提高烟火药性能的主要方式。

碳纳米管（CNTs）是一种纳米级石墨管状晶体，由石墨片层绕中心轴按一定的螺旋度卷曲而成，管子两端一般由含五边形的半球面网格封口。每层CNTs是一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子相连，形成六角形网格结构组成圆柱面。CNTs根据层数的不同可以分成单壁碳纳米管和多壁碳纳米管2种，是准一维分子材料。碳纳米管因具有较好的催化性能、良好的吸附能力、高比表面积和高强度等优良性质，从而使其在诸多领域中具有重要的应用前景。

碳纳米管在烟火药领域中的研究主要集中在对烟火药的催化作用，对反应过程中药剂感度的影响，碳纳米管在提高药剂的反应速率、降低药剂的热分解温度、提高药剂的发光强度、提高点传火稳定性等方面起到良好作用。下面将碳纳米管在烟火药中的应用一一叙述。

1 碳纳米管的催化性能

1.1 氧化物负载于碳纳米管表面

该种复合物可以采用不同的制备方法，比如化学沉淀法、化学液相沉淀法、溶胶-凝胶法、复分解反应法等，制备出氧化物负载于碳纳米管表面的复合材料。该复合材料既能发挥出金属氧化物本身的性能，又能结合碳纳米管的纳米级优势对烟火药的反应起到良好的催化的作用。钱新明等人采用化学沉淀法制备沉积于碳纳米管表面上的CuO、Fe2O3复合催化剂。CuO/CNTs和Fe2O3/CNTs复合催化剂能够提高含高氯酸钾烟火药剂的反应速率，且其对高氯酸钾催化性能明显优于Fe2O3和CuO混合物的催化性能。刘建勋等人以碳纳米管为载体，采用化学沉淀法制备了Co3O4/CNTs复合粒子。该复合粒子对高氯酸铵有明显的催化作用。周龙梅等人采用化学液相沉淀法制备Y2O3纳米粒子/碳纳米管复合体（Y2O3/CNTC）。结果表明，Y2O3纳米粒子能负载在碳纳米管上，并对高氯酸铵的高温分解有良好的催化性能。刘建勋等人采用射流进样催化裂解法制备了直形碳纳米管（CNTs）、分叉碳纳米管，分别以二者为载体，用化学沉积法制备了负载纳米NiO的复合粒子，并研究了纳米NiO和CNTs的单一纳米粒子、简单混合物、复合物对高氯酸铵热分解的催化性能。CNTs的载体支撑作用可防止NiO纳米粒子的团聚，增大比表面积，增加反应活性中心，增加催化效果，载体分叉CNTs的枝杈形结构，有利于纳米NiO/分叉CNTs复合粒子催化性能的提高。姜炜等人以碳纳米管（CNTs）为载体，采用溶胶-凝胶法制备了Fe2O3/CNTs复合粒子。Fe2O3/CNTs复合粒子可显著降低AP热分解峰温，使总表观分解热明显增加，高温分解的表观活化能降低，热分解反应速率常数增加，表现出显著的催化效果。张步允、焦清介等人通过NH4ClO4溶液和KOH溶液的复分解反应制备了碳纳米管/高氯酸钾（CNTs/KClO4）复合材料，将KClO4有效涂敷在碳纳米管上。CNTs/KClO4复合材料的比表面积降低、热分解温度和晶型转变峰温前移，以CNTs/KClO4复合材料为原料制备的Mo/KClO4点火药的热导率提高了33.9%，有效避免点火药中纳米级氧化剂颗粒的团聚，进一步提高点传火稳定性。

1.2 碳纳米管直接混入到烟火药剂中

该种纳米级烟火药的制备是采用水混法和丙酮混法等方法将碳纳米管直接混入到烟火药剂中，使原来的烟火药纳米化，进而考察碳纳米管的加入对烟火药反应的催化作用。钱新明等人采用水混法和丙酮混法将CNTs加入到含高氯酸钾和硝酸钾的烟火药剂中，并利用绝热加速量热仪研究混合了CNTs的高氯酸钾和硝酸钾烟火药剂的催化作用。CNTs对2种烟火药剂都具有催化作用。相比之下，水混法的CNTs的催化效果更好。水混法加入CNTs的高氯酸钾烟火药剂使反应速率提高到不含CNTs烟火药的4.15倍，并且达到最大反应速率的时间降低了56.4%.水混法添加CNTs的硝酸钾的烟火药剂的反应速率为不含CNTs的1.51倍，并且达到最大反应速率的时间降低了11%.刘黎明等人将CNTs加入到Zr/KClO4中，结果表明，CNTs的加入对Zr/KClO4的热分解特性和光辐射能均有显著的影响。

1.3 在碳纳米管腔内填充氧化剂

吴筛青在碳纳米管中空管腔内填充硝酸钾，将碳纳米管作为可燃剂，从而可以形成一类新型的纳米复合含能材料。这种新型的复合材料将来可以作为含能材料用于制备反应性的点火桥。

1.4 碳纳米管的内嵌与包覆

碳纳米管的内嵌是指将碳纳米管镶嵌入其他物质中，包覆是指在碳纳米管外包覆一层其他物质。陈小华等人研究了氧化亚铜内嵌碳纳米管复合球的合成及光催化性能。碳纳米管均匀嵌镶在Cu2O球内部，Cu2O复合球对对硝基苯酚溶液的光催化降解率高出氧化亚铜10%左右。石刚通过化学镀法对碳纳米管表面进行镀镍处理后，使碳纳米管表面包覆一层大约20 nm厚的镍层，从而改善了碳纳米管表面结构和性能，增强了碳纳米管与镁基体的相容性，使增强相和基体间结合紧密，即碳纳米管包覆层与镁基体之发生反应，生成了界面相Mg2Ni。

2 碳纳米管对烟火药感度的影响

2.1 对烟火药火焰感度的影响

张方、党智敏等人将碳纳米管分散在不同黏合剂体系中形成薄膜，制成碳纳米管/黏合剂复合材料，研究了其对不同点火药火焰感度的影响。结果发现，当碳纳米管团聚在黏合剂中形成碳纳米管/黏合剂复合材料时，该复合材料可以提高以该黏合剂为主要成分的点火药剂的火焰感度，并且当碳纳米管加入量增加至高于3%时，火焰感度明显提高。团聚在一起的碳纳米管在点火的时候迅速捕集大量的热量，使热量在碳纳米管中团聚，碳纳米管内的温度迅速上升，形成热点，促进整个体系的燃烧。当碳纳米管的含量增加时，热点增加，火焰感度也随之提高。

2.2 对烟火药其他感度的影响

陈利魁研究了碳纳米管对BNCP感度性能的影响，碳纳米管的加入，使撞击感度和火焰感度都降低，摩擦感度和静电火花感度都增加。

3 对烟火药辐射性能和发光强度的影响

3.1 对烟火药辐射性能的影响

刘黎明等人研究了碳纳米管对Zr/KClO4烟火剂的热行为和光辐射性能的影响，在烟火剂Zr/KClO4中引入具有催化性能、高比表面积、强吸附能力、高强度的碳纳米管（CNTs），提高了药剂的爆燃反应速率，增加了药剂的燃烧温度，使辐射度也随之增大。

3.2 对烟火药发光强度的影响

霸书红等人研究了纳米CuO/CNTs的制备及对高氯酸钾基烟火药发光强度的影响。氧化铜能够在碳纳米管表面有效负载，提高了高氯酸钾基烟火药发光强度。

4 总结与展望

碳纳米管以其独特的结构与性质，将其复合在烟火药中，可以作为催化剂提高烟火药的反应速率，降低氧化剂的热分解温度，并且不同复合材料和方法，其催化性能不一样。感度在烟火药中是一个非常重要的参数，根据所需，碳纳米管既可以降低烟火药的感度也可以提高烟火药的感度，因此碳纳米管对于烟火药的感度的影响十分重要。烟火药燃烧过程产生光和热，碳纳米管复合材料可以增加烟火药的光和热，有效的提高烟火药的性能。碳纳米管的储氢性能现在已经应用广泛，但是在烟火药领域应用较少，碳纳米管的储存性能应用与烟火药，增加烟火药的反应能量。碳纳米管还可以增加铝基镁基材料的强度，将其这一性能应用于烟火药中。因为铝、镁也是烟火药中常用的材料，做成强度烟火药。相信未来，碳纳米管一定会给烟火药领域带来更大福音。

参考文献

[1]张艳荣.碳纳米管的研究现状及应用[J].中国科技信息，2008（16）：36-38.

[2]钱新明，魏思凡，邓楠.CNTs/TMO复合催化剂对含高氯酸钾烟火药剂分解反应速率的影响[J].火炸药学报，2009，32（03）：87-90.

[3]刘建勋，王作山，姜炜，等.纳米Co3O4/CNTs复合粒子的制备及其对AP和AP/HTP推进剂热分解催化性能的研究[J].稀有金属材料与工程，2007，36（09）：650-653.

[4]周龙梅，刘宏英，李凤生，等.Y2O3纳米粒子/碳纳米管复合体的制备及其催化高氯酸铵热分解[J].物理化学学报，2006，22（5）：627-630.

[5]刘建勋，姜炜王，作山，等.直形碳纳米管、分叉碳纳米管负载纳米NiO及其对高氯酸铵热分解的影响[J].化学学报，2007，65（23）：2725-2730.

[6]姜炜，刘建勋，刘永，等.Fe2O3/CNTs复合粒子的制备及其对AP热分解催化性能的影响[J].固体火箭技术，2008，31（01）：65-68.

[7]张步允，焦清介，任慧，等.CNTs/KClO4复合材料的形貌特征及热行为[J].含能材料，2011，19（04）：401-404.

[8]钱新明，邓楠，魏思凡.碳纳米管对烟火药剂的催化作用[J].含能材料，2009，17（05）：603-607.

[9]刘黎明，康晓丽，易勇，等.碳纳米管对Zr/KClO4烟火剂的热行为和光辐射性能的影响[J].含能材料，2014，22（01）：75-79.

[10]吴筛青.内嵌硝酸钾碳纳米管的制备与表征[D].南京：南京理工大学，2009.

[11]陈小华，王伟，易斌，等.氧化亚铜内嵌碳纳米管复合球的合成及光催化性能研究[J].湖南大学学报，2011，38（1）：44-48.