CN102030599A - 导火引线及采用该导火引线的爆炸装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种导火引线，该导火引线包括至少一碳纳米管线状结构，该碳纳米管线状结构包括多个碳纳米管，该导火引线进一步包括一易氧化材料包覆于所述碳纳米管线状结构的表面，当该导火引线的一端被点燃时，该易氧化材料沿着碳纳米管线状结构的轴向连续地发生氧化反应。本发明还进一步提供一采用上述导火引线的爆炸装置。

Description

导火引线及采用该导火引线的爆炸装置
技术领域
本发明涉及一种导火引线及采用该导火引线的爆炸装置。
背景技术
导火引线是爆破产业里较为常用的传输线材，通常导火引线与被引爆物连接。使用时，引爆人员点燃导火引线，并撤离爆炸区域后，导火引线刚好将被引爆物引爆，从而可以避免人员由于撤离不及时而受到伤害。
导火引线的应用十分广泛，通常应用于烟花爆竹、矿井爆破、山体爆破等等。现有的导火引线通常采用用砂纸或皮纸包裹黑火药制成，或者也可用棉纱缠绕包裹黑火药制成。然而，现有的导火引线中所采用的黑火药化学性质较活泼，不论是在用于制造时或大量储存时都存在较大的危险性。而且，在使用时黑火药本身会产生剧烈地燃烧或爆炸，容易产生明火，出现火星溅射现象，且燃烧速度难以控制，当在易爆环境中应用时具有较大的危险性。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种安全的导火引线及采用该导火引线的爆炸装置。
一种导火引线，该导火引线包括至少一碳纳米管线状结构，该碳纳米管线状结构包括多个碳纳米管，该导火引线进一步包括一易氧化材料包覆于所述碳纳米管线状结构的表面，当该导火引线的一端被点燃时，该易氧化材料沿着碳纳米管线状结构的轴向连续地发生氧化反应。
一种爆炸装置，其包括一导火引线，以及一被引爆物，所述导火引线与该被引爆物接触。所述导火引线包括至少一碳纳米管线状结构，该碳纳米管线状结构包括多个碳纳米管，该导火引线进一步包括一易氧化材料包覆于所述碳纳米管线状结构的表面。
与现有技术比较，本发明采用基于碳纳米管及在高温下易氧化的物质的导火引线，在使用时没有明火，无火星。其燃烧不剧烈，从而比较容易控制，安全性高。
附图说明
图1是本发明第一实施例的导火引线的结构示意图。
图2是本发明第一实施例的导火引线中单根碳纳米管的截面结构示意图。
图3是本发明第二实施例导火引线的结构示意图。
图4是本发明第三实施例导火引线的结构示意图。
图5是本发明提供的爆炸装置的结构示意图。
图6是本发明的导火引线中的碳纳米管线状结构制造装置的示意图。
图7是本发明碳纳米管线状结构的制造方法中采用的碳纳米管膜扫描电镜照片。
图8是本发明碳纳米管线状结构的制造方法中沉积易氧化材料后的碳纳米管膜的扫描电镜照片。
图9是本发明沉积易氧化材料后的碳纳米管膜中的碳纳米管的透射电镜照片。
图10是本发明导火引线中绞线结构碳纳米管线状结构的扫描电镜照片。
图11是图10中的绞线结构中沉积有导电材料的碳纳米管的扫描电镜照片。
具体实施方式
请参阅图1及图2，本发明第一实施例提供一种导火引线10，该导火引线10包括至少一个碳纳米管线状结构110以及易氧化材料114。该碳纳米管线状结构110包括多个碳纳米管112。所述导火引线10中的碳纳米管12的轴向沿导火引线10的轴向有序排列。当该导火引线10的一端被点燃时，该易氧化材料114沿着碳纳米管线状结构110的轴向连续地发生氧化反应。
所述易氧化材料114可以包覆于该碳纳米管线状结构110的表面。该易氧化材料114还可以包覆于该碳纳米管线状结构110中每一根碳纳米管112的表面。本实施例中，所述导火引线10包括一个碳纳米管线状结构110。
具体地，该碳纳米管线状结构110包括多个碳纳米管112，优选地，每个碳纳米管112表面均包覆至少一层易氧化材料114。其中，每个碳纳米管112具有大致相等的长度，并且，多个碳纳米管112通过范德华力首尾相连形成一碳纳米管线状结构110。在该碳纳米管线状结构110中，碳纳米管112的轴向沿碳纳米管线状结构110的轴向有序排列。根据碳纳米管不同的排列方式，该碳纳米管线状结构110中的碳纳米管112的轴向可平行该碳纳米管线状结构110的轴向排列。或者，该碳纳米管线状结构110可经过一扭转过程，形成一绞线结构。在上述绞线结构中，碳纳米管112的轴向绕绞线结构的碳纳米管线状结构110的轴向成螺旋状旋转延伸。该碳纳米管线状结构110的直径可以为4.5纳米～1毫米，优选地，该碳纳米管线状结构110的直径为10～30微米。碳纳米管线状结构110中碳纳米管112与所述易氧化材料114的质量比为1∶10～1∶1，优选为1∶5～4∶5。由于该碳纳米管线状结构110的直径较小，从而由该碳纳米管线状结构110组成的导火引线10的燃烧不剧烈，容易被中止燃烧，从而更加有利于实际的控制应用。
所述碳纳米管112为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或几种。当该碳纳米管线状结构110中的碳纳米管112为单壁碳纳米管时，该单壁碳纳米管的直径为0.5～10纳米。当该碳纳米管线状结构110中的碳纳米管112为双壁碳纳米管时，该双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～20纳米。当该碳纳米管线状结构110中的碳纳米管112为多壁碳纳米管时，该多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。
请参见图2，该碳纳米管线状结构110中每一根碳纳米管112的表面均包覆至少一层易氧化材料114。所述易氧化材料114为高温下易被氧化的材料或可与碳反应的材料，包括盐类、金属氧化物或金属。所述盐类为易氧化的盐，如硝酸盐，硝酸盐包括硝酸钾、硝酸铵。所述金属氧化物包括氧化铁、氧化镁。所述金属可以为铁、钴、镍、钯、银或钛。本实施例中，所述易氧化材料114为银，碳纳米管与银的质量比为1∶10。所述易氧化材料114包裹碳纳米管112的厚度为10纳米～20纳米。所述易氧化材料114还可为高温下易与碳反应的材料，如氧化锰、高锰酸钾、重铬酸钾。该导火引线10在燃烧时，易氧化材料114被氧化放热，放出的热量支持碳纳米管112持续燃烧。由于该易氧化材料114的厚度较薄，并且所述碳纳米管线状结构110具有较小的直径，因此上述燃烧过程并不剧烈，从而该导火引线10点燃时无明火，无溅射。基于上述特点，该导火引线10具有较好的安全性能，可以被应用与易爆、易燃环境中，准确地引爆被引爆物。
可以理解，当该导火引线10由包括多个碳纳米管线状结构110时，该多个碳纳米管线状结构110可以相互并排，相互扭转或相互缠绕形成。本实施例中，该该导火引线10为一碳纳米管线状结构110。该碳纳米管线状结构110的直径可以为4.5纳米～1毫米，优选地，该纳米管线状结构110的直径为10微米～30微米。可以理解，当将多个碳纳米管线状结构110并排设置、扭转设置或缠绕设置时，该导火引线10的直径不限，可达20毫米～30毫米。
请参阅图3，本发明第二实施例提供一种导火引线20，其包括多个碳纳米管线状结构110，该多个碳纳米管线状结构110沿该导火引线20的长度方向平行且紧密排列。由于该导火引线20中的多个碳纳米管线状结构110平行且紧密排列，其中的易氧化材料114可以沿碳纳米管线状结构110被氧化，因此使得具有这种结构的导火引线20具有较好的燃烧特性。
请参阅图4，本发明第三实施例提供一种导火引线30，其包括多个碳纳米管线状结构110，该多个碳纳米管线状结构110相互缠绕并沿该导火引线20的长度方向螺旋状延伸。由于该导火引线30由多个碳纳米管线状结构110相互缠绕形成，使得所述多个碳纳米管线状结构110之间的结合力较强，该导火引线30具有较好的力学性能，具有较高的强度。
可以理解，当采用多个碳纳米管线状结构110构成导火引线时，并不局限于第二实施例及第三实施例这两种情况，本领域技术人员可以根据需要随意组合。因此，采用多个碳纳米管线状结构110形成导火引线的任意组合方式，都在本发明保护范围之内。
本发明提供的导火引线中的碳纳米管线状结构由多个碳纳米管及易氧化材料组成，由于碳纳米管具有较轻的质量，较高的机械强度，从而使得本发明实施例中的导火引线具有较轻的质量，较小的直径以及较高的机械强度。从而比较有利于应用于微型化的爆破装置中。
请参阅图5，本发明进一步提供一爆炸装置40，该爆炸装置40包括一导火引线42，以及一被引爆物44。所述导火引线与该被引爆物接触，具体地，所述导火引线42可直接插入被引爆物44中，当点燃所述导火引线42，该导火引线42逐渐燃烧并将热量传递至被引爆物44，从而引爆该被引爆物44。
所述导火引线42为本发明第一实施例到第三实施例中的导火引线10，20，30中的任意一种。所述被引爆物44可以为任意能被引爆的物品，可以是烟花、爆竹、雷管、炸药爆、炸蛋中的任意一种。所述导火引线42具有较小的直径以及较高的机械强度，
请参阅图3及图4，本发明实施例中碳纳米管线状结构110的制备方法主要包括以下步骤：
步骤一：提供一碳纳米管阵列216。
本发明实施例提供的碳纳米管阵列216为单壁碳纳米管阵列，双壁碳纳米管阵列，及多壁碳纳米管阵列中的一种或多种。本实施例中，该超顺排碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括：(a)提供一平整基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施例优选为采用4英寸的硅基底；(b)在基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一；(c)将上述形成有催化剂层的基底在700～900℃的空气中退火约30分钟～90分钟；(d)将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500～740℃，然后通入碳源气体反应约5～30分钟，生长得到超顺排碳纳米管阵列，其高度为200～1000微米。该超顺排碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该超顺排碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。该超顺排碳纳米管阵列与上述基底面积基本相同。
本实施例中碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等化学性质较活泼的碳氢化合物，本实施例优选的碳源气为乙炔；保护气体为氮气或惰性气体，本实施例优选的保护气体为氩气。
步骤二：采用一拉伸工具从所述碳纳米管阵列216中拉取获得一碳纳米管膜214。
所述碳碳纳米管膜214优选为一具有一定宽度的碳纳米管膜，该碳纳米管膜的制备方法包括以下步骤：(a)从上述碳纳米管阵列216中选定一个或具有一定宽度的多个碳纳米管，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带、镊子或夹子接触碳纳米管阵列216以选定一个或具有一定宽度的多个碳纳米管；(b)以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列216生长方向拉伸该多个碳纳米管，从而形成首尾相连的多个碳纳米管片段，进而形成一连续的碳纳米管膜。
在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管片段分别与其它碳纳米管片段首尾相连地连续地被拉出，从而形成一连续、均匀且具有一定宽度的碳纳米管膜214。请参阅图5，该碳纳米管膜214包括多个择优取向排列的碳纳米管。进一步地，该碳纳米管膜包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管片段，该碳纳米管片段两端通过范德华力相互连接。该碳纳米管片段包括多个相互平行的碳纳米管。该碳纳米管膜中碳纳米管的排列方向基本平行于碳纳米管膜的拉伸方向。所述碳纳米管膜的长度及宽度与该碳纳米管阵列216的尺寸及步骤(a)中选定的多个碳纳米管的宽度有关，所述碳纳米管膜的宽度最大不超过该碳纳米管阵列216的直径，所述碳纳米管膜214的长度可达100米以上。
所述碳纳米管膜214包括多个碳纳米管，相邻的碳纳米管之间有间隙，且该碳纳米管平行于所述碳纳米管膜214的表面。所述碳纳米管膜可具有自支撑结构。所谓自支撑结构即碳纳米管膜中的多个碳纳米管间通过范德华力相互吸引，从而使碳纳米管膜具有特定的形状。
步骤三：形成至少一层易氧化材料114附着于所述碳纳米管膜214表面，形成一碳纳米管线状结构110。
所述易氧化材料114可以为盐类、金属氧化物或金属。本实施例中所述易氧化材料114为金属。
所述形成至少一层易氧化材料114附着于所述碳纳米管膜214表面的方法可采用物理方法，如物理气相沉积法(PVD)包括真空蒸镀或离子溅射等，也可采用其他成膜方法，如化学方法，包括电镀或化学镀等。也可以将碳纳米管薄膜214浸入易氧化盐的溶液中，从而是易氧化的盐包覆于碳纳米管表面。优选地，本实施例采用物理方法中的真空蒸镀法形成所述易氧化材料114附着于所述碳纳米管膜214表面。
所述采用真空蒸镀法形成至少一层易氧化材料114的方法包括以下步骤：首先，提供一真空容器210，该真空容器210具有一沉积区间，该沉积区间底部和顶部分别放置至少一个蒸发源212，该至少一个蒸发源212按形成至少一层易氧化材料114的先后顺序依次沿碳纳米管膜214的拉伸方向设置，且每个蒸发源212均可通过一个加热装置(图未示)加热。上述碳纳米管膜214设置于上下蒸发源212中间并间隔一定距离，其中碳纳米管膜214正对上下蒸发源212设置。该真空容器210可通过外接一真空泵(图未示)抽气达到预定的真空度。所述蒸发源212材料为待沉积的易氧化材料114。其次，通过加热所述蒸发源212，使其熔融后蒸发或升华形成易氧化材料114蒸汽，该易氧化材料114蒸汽遇到冷的碳纳米管膜214后，在碳纳米管膜214上下表面凝聚，形成至少一层易氧化材料114附着于碳纳米管膜214的表面。由于碳纳米管膜214中的碳纳米管112之间存在间隙，并且碳纳米管膜214厚度较薄，易氧化材料114可以渗透进入碳纳米管膜214之中，从而沉积在每根碳纳米管112表面。沉积至少一层易氧化材料114后的碳纳米管膜的微观结构照片请参阅图6和图7。
可以理解，通过调节碳纳米管膜214和每个蒸发源212的距离以及蒸发源212之间的距离，可使每个蒸发源212具有一个沉积区。当需要沉积多层易氧化材料114时，可将多个蒸发源212同时加热，使碳纳米管膜214连续通过多个蒸发源的沉积区，从而实现沉积多层易氧化材料114。
为提高易氧化材料114蒸汽密度并且防止易氧化材料114被氧化，真空容器210内真空度应达到1帕(Pa)以上。本发明实施例中，真空容器中的真空度为4×10-4Pa。
可以理解，也可将步骤一中的碳纳米管阵列216直接放入上述真空容器210中。首先，在真空容器210中采用一拉伸工具从所述碳纳米管阵列中拉取获得一碳纳米管膜214。然后，加热上述至少一个蒸发源212，沉积至少一层易氧化材料114于所述碳纳米管膜214表面。以一定速度不断地从所述碳纳米管阵列216中拉取碳纳米管膜214，且使所述碳纳米管膜214连续地通过上述蒸发源212的沉积区，进而形成所述易氧化材料114附着于所述碳纳米管膜214表面。故该真空容器210可实现碳纳米管表面具有至少一层易氧化材料114的碳纳米管膜214的连续生产。
当所述碳纳米管膜214宽度较小时(如0.5纳米～100微米)，所述形成有至少一层易氧化材料114的碳纳米管膜214即可作为一碳纳米管线状结构110，可不需要做后续处理。
当所述碳纳米管膜214宽度较大时，所述形成碳纳米管线状结构110的步骤可进一步包括对所述碳纳米管膜214进行机械处理的步骤，该机械处理的步骤可在机械处理室220内进行。该机械处理步骤可通过以下两种方式实现：对所述形成有至少一层易氧化材料114的碳纳米管膜214进行扭转，形成碳纳米管线状结构110或切割所述形成有至少一层易氧化材料114的碳纳米管膜214，形成碳纳米管线状结构110。
对所述碳纳米管膜214进行扭转，形成碳纳米管线状结构110的步骤可通过多种方式实现。本实施例可采用下述两种方式形成所述碳纳米管线状结构110：其一，通过将粘附于上述碳纳米管膜214一端的拉伸工具固定于一旋转电机上，扭转该碳纳米管膜214，从而形成一碳纳米管线状结构110。其二，提供一个尾部可以粘住碳纳米管膜214的纺纱轴，将该纺纱轴的尾部与碳纳米管膜214结合后，将该纺纱轴以旋转的方式扭转该碳纳米管膜214，形成一碳纳米管线状结构110。可以理解，上述纺纱轴的旋转方式不限，可以正转，可以反转，或者正转和反转相结合。优选地，所述扭转该碳纳米管结构的步骤为将所述碳纳米管膜214沿碳纳米管膜214的拉伸方向以螺旋方式扭转。扭转后所形成的碳纳米管线状结构110为一绞线结构，其扫描电镜照片请参见图8及图9。
所述切割碳纳米管膜214，形成碳纳米管线状结构110的步骤为：沿碳纳米管膜214的拉伸方向切割所述形成有至少一层易氧化材料114的碳纳米管膜214，形成多个碳纳米管线状结构110。上述多个碳纳米管线状结构110可进一步进行重叠、扭转，以形成一较大直径的碳纳米管线状结构110。
可以理解，当所述碳纳米管膜214的宽度较小时，所述碳纳米管膜214也可进一步进行扭转，形成所述碳纳米管线状结构110。
所制得的碳纳米管线状结构110可进一步收集在一卷筒224上。收集方式为将碳纳米管线状结构110缠绕在所述卷筒224上。所述碳纳米管线状结构110用作导火引线的碳纳米管线状结构110。
另外，也可将沉积有至少一层易氧化材料114的多个碳纳米管膜214重叠设置并扭转形成一碳纳米管线状结构110。所制备的碳纳米管线状结构110的直径不受拉取获得的碳纳米管膜214的尺寸的限制，并可根据需要制备具有任意大小的直径的碳纳米管线状结构110。进一步地，多个碳纳米管线状结构110可平行设置组成一束状结构的导火引线20或相互扭转形成一绞线结构的导火引线30。
可以理解，导火线的制备方法并不局限于上述方法，还可以采用先制备一碳纳米管线，然后再于该碳纳米管线的表面形成一层易氧化材料层获得一导火线。
本发明实施例提供的采用碳纳米管线状结构构成的导火引线具有以下优点：由于导火引线中的碳纳米管线状结构由多个碳纳米管及易氧化材料组成，该易氧化材料的厚度极小，为纳米级。因此该导火引线在燃烧时不剧烈，无明火，容易控制，从而具有很高的安全性能。另外，由于碳纳米管具有较轻的质量，较高的机械强度，从而使得本发明实施例中的导火引线具有较轻的质量，较小的直径以及较高的机械强度。从而比较有利于应用于微型化的爆破装置中。并且，该导火引线的制备方法简单，有利于规模化生产，使得该导火引线具有较低的成本。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (12)

1.一种导火引线，其特征在于，该导火引线包括至少一碳纳米管线状结构，该碳纳米管线状结构包括多个碳纳米管，该导火引线进一步包括一易氧化材料包覆于所述碳纳米管线状结构的表面，当该导火引线的一端被点燃时，该易氧化材料沿着碳纳米管线状结构的轴向连续地发生氧化反应。
2.如权利要求1所述的导火引线，其特征在于，所述表面包覆有导电材料的碳纳米管通过范德华力首尾相连。
3.如权利要求2所述的导火引线，其特征在于，所述导火引线中的碳纳米管的轴向沿导火引线轴向有序排列。
4.如权利要求3所述的导火引线，其特征在于，所述导火引线中的碳纳米管的轴向绕该导火引线的轴向螺旋状延伸。
5.如权利要求3所述的导火引线，其特征在于，所述导火引线中的碳纳米管的轴向平行该导火引线的轴向。
6.如权利要求1所述的导火线，其特征在于，所述碳纳米管线状结构中每一根碳纳米管的表面均包覆有至少一层易氧化材料。
7.如权利要求6所述的导火引线，其特征在于，所述易氧化材料为铜、银、金或其合金，所述易氧化材料的厚度为1～20纳米。
8.如权利要求6所述的导火线，其特征在于，所述易氧化材料为易与碳反应的氧化材料，该易与碳反应的氧化材料包括氧化锰、高锰酸钾、重铬酸钾。
9.如权利要求1所述的导火引线，其特征在于，所述导火引线包括多个碳纳米管线状结构相互平行、相互扭转或相互缠绕。
10.如权利要求9所述的导火引线，其特征在于，所述碳纳米管线状结构的直径为10微米～30微米。
11.如权利要求1所述的导火引线，其特征在于，所述碳纳米管线状结构中碳纳米管与所述易氧化材料的质量比为1∶10～1∶1。
12.一种采用如权利要求1至11所述的导火引线的爆炸装置，其包括一导火引线，以及一被引爆物，所述导火引线与该被引爆物接触，其特征在于，所述导火引线包括至少一碳纳米管线状结构，该碳纳米管线状结构包括多个碳纳米管，该导火引线进一步包括一易氧化材料包覆于所述碳纳米管线状结构的表面。
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