TWI440817B - 導火引線及採用該導火引線的爆炸裝置 - Google Patents

Description

導火引線及採用該導火引線的爆炸裝置

本發明涉及一種導火引線及採用該導火引線的爆炸裝置。

導火引線係爆破產業裏較為常用的傳輸線材，通常導火引線與被引爆物連接。使用時，引爆人員點燃導火引線，並撤離爆炸區域後，導火引線剛好將被引爆物引爆，從而可以避免人員由於撤離不及時而受到傷害。

導火引線的應用十分廣泛，通常應用於煙花爆竹、礦井爆破、山體爆破等等。先前的導火引線通常採用用砂紙或皮紙包裹黑火藥製成，或者也可用棉紗纏繞包裹黑火藥製成。然而，先前的導火引線中所採用的黑火藥化學性質較活潑，不論在用於製造時或大量儲存時都存在較大的危險性。而且，在使用時黑火藥本身會產生劇烈地燃燒或爆炸，容易產生明火，出現火星濺射現象，且燃燒速度難以控制，當在易爆環境中應用時具有較大的危險性。

有鑒於此，提供一種安全的導火引線及採用該導火引線的爆炸裝置實為必要。

一種導火引線，該導火引線包括至少一奈米碳管線狀結構，該奈 米碳管線狀結構包括多個奈米碳管，該導火引線進一步包括一易氧化材料包覆於所述奈米碳管線狀結構的表面，當該導火引線的一端被點燃時，該易氧化材料沿著奈米碳管線狀結構的軸向連續地發生氧化反應。

一種爆炸裝置，其包括一導火引線，以及一被引爆物，所述導火引線與該被引爆物接觸。所述導火引線包括至少一奈米碳管線狀結構，該奈米碳管線狀結構包括多個奈米碳管，該導火引線進一步包括一易氧化材料包覆於所述奈米碳管線狀結構的表面。

與先前技術比較，本發明採用基於奈米碳管及在高溫下易氧化的物質的導火引線，在使用時沒有明火，無火星。其燃燒不劇烈，從而比較容易控制，安全性高。

100,20,30,42‧‧‧導火引線

110‧‧‧奈米碳管線狀結構

112‧‧‧奈米碳管

114‧‧‧易氧化材料

40‧‧‧爆炸裝置

44‧‧‧被引爆物

216‧‧‧奈米碳管陣列

214‧‧‧奈米碳管膜

210‧‧‧真空容器

212‧‧‧蒸發源

220‧‧‧機械處理室

圖1係本發明第一實施例的導火引線的結構示意圖。

圖2係本發明第一實施例的導火引線中單根奈米碳管的截面結構示意圖。

圖3係本發明第二實施例導火引線的結構示意圖。

圖4係本發明第三實施例導火引線的結構示意圖。

圖5係本發明提供的爆炸裝置的結構示意圖。

圖6係本發明的導火引線中的奈米碳管線狀結構製造裝置的示意圖。

圖7係本發明奈米碳管線狀結構的製造方法中採用的奈米碳管膜 掃描電鏡照片。

圖8係本發明奈米碳管線狀結構的製造方法中沈積易氧化材料後的奈米碳管膜的掃描電鏡照片。

圖9係本發明沈積易氧化材料後的奈米碳管膜中的奈米碳管的透射電鏡照片。

圖10係本發明導火引線中絞線結構奈米碳管線狀結構的掃描電鏡照片。

圖11係圖10中的絞線結構中沈積有導電材料的奈米碳管的掃描電鏡照片。

請參閱圖1及圖2，本發明第一實施例提供一種導火引線100，該導火引線100包括至少一個奈米碳管線狀結構110以及易氧化材料114。該奈米碳管線狀結構110包括多個奈米碳管112。所述導火引線100中的奈米碳管112的軸向沿導火引線100的軸向有序排列。當該導火引線100的一端被點燃時，該易氧化材料114沿著奈米碳管線狀結構110的軸向連續地發生氧化反應。

所述易氧化材料114可以包覆於該奈米碳管線狀結構110的表面。該易氧化材料114還可以包覆於該奈米碳管線狀結構110中每一根奈米碳管112的表面。本實施例中，所述導火引線100包括一個奈米碳管線狀結構110。

具體地，該奈米碳管線狀結構110包括多個奈米碳管112，優選地，每個奈米碳管112表面均包覆至少一層易氧化材料114。其中， 每個奈米碳管112具有大致相等的長度，並且，多個奈米碳管112通過凡德瓦爾力首尾相連形成一奈米碳管線狀結構110。在該奈米碳管線狀結構110中，奈米碳管112的軸向沿奈米碳管線狀結構110的軸向有序排列。根據奈米碳管不同的排列方式，該奈米碳管線狀結構110中的奈米碳管112的軸向可平行該奈米碳管線狀結構110的軸向排列。或者，該奈米碳管線狀結構110可經過一扭轉過程，形成一絞線結構。在上述絞線結構中，奈米碳管112的軸向繞絞線結構的奈米碳管線狀結構110的軸向成螺旋狀旋轉延伸。該奈米碳管線狀結構110的直徑可以為4.5奈米~1毫米，優選地，該奈米碳管線狀結構110的直徑為10~30微米。奈米碳管線狀結構110中奈米碳管112與所述易氧化材料114的質量比為1：10~1：1，優選為1：5~4：5。由於該奈米碳管線狀結構110的直徑較小，從而由該奈米碳管線狀結構110組成的導火引線100的燃燒不劇烈，容易被中止燃燒，從而更加有利於實際的控制應用。

所述奈米碳管112為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或幾種。當該奈米碳管線狀結構110中的奈米碳管112為單壁奈米碳管時，該單壁奈米碳管的直徑為0.5~10奈米。當該奈米碳管線狀結構110中的奈米碳管112為雙壁奈米碳管時，該雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米~20奈米。當該奈米碳管線狀結構110中的奈米碳管112為多壁奈米碳管時，該多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米~50奈米。

請參見圖2，該奈米碳管線狀結構110中每一根奈米碳管112的表面均包覆至少一層易氧化材料114。所述易氧化材料114為高溫下 易被氧化的材料或可與碳反應的材料，包括鹽類、金屬氧化物或金屬。所述鹽類為易氧化的鹽，如硝酸鹽，硝酸鹽包括硝酸鉀、硝酸銨。所述金屬氧化物包括氧化鐵、氧化鎂。所述金屬可以為鐵、鈷、鎳、鈀、銀或鈦。本實施例中，所述易氧化材料114為銀，奈米碳管與銀的質量比為1：10。所述易氧化材料114包裹奈米碳管112的厚度為10奈米~20奈米。所述易氧化材料114還可為高溫下易與碳反應的材料，如氧化錳、高錳酸鉀、重鉻酸鉀。該導火引線100在燃燒時，易氧化材料114被氧化放熱，放出的熱量支持奈米碳管112持續燃燒。由於該易氧化材料114的厚度較薄，並且所述奈米碳管線狀結構110具有較小的直徑，因此上述燃燒過程並不劇烈，從而該導火引線100點燃時無明火，無濺射。基於上述特點，該導火引線100具有較好的安全性能，可以被應用與易爆、易燃環境中，準確地引爆被引爆物。

可以理解，當該導火引線100由包括多個奈米碳管線狀結構110時，該多個奈米碳管線狀結構110可以相互並排，相互扭轉或相互纏繞形成。本實施例中，該該導火引線100為一奈米碳管線狀結構110。該奈米碳管線狀結構110的直徑可以為4.5奈米~1毫米，優選地，該奈米管線狀結構110的直徑為10微米~30微米。可以理解，當將多個奈米碳管線狀結構110並排設置、扭轉設置或纏繞設置時，該導火引線100的直徑不限，可達20毫米~30毫米。

請參閱圖3，本發明第二實施例提供一種導火引線20，其包括多個奈米碳管線狀結構110，該多個奈米碳管線狀結構110沿該導火引線20的長度方向平行且緊密排列。由於該導火引線20中的多個 奈米碳管線狀結構110平行且緊密排列，其中的易氧化材料114可以沿奈米碳管線狀結構110被氧化，因此使得具有這種結構的導火引線20具有較好的燃燒特性。

請參閱圖4，本發明第三實施例提供一種導火引線30，其包括多個奈米碳管線狀結構110，該多個奈米碳管線狀結構110相互纏繞並沿該導火引線20的長度方向螺旋狀延伸。由於該導火引線30由多個奈米碳管線狀結構110相互纏繞形成，使得所述多個奈米碳管線狀結構110之間的結合力較強，該導火引線30具有較好的力學性能，具有較高的強度。

可以理解，當採用多個奈米碳管線狀結構110構成導火引線時，並不局限於第二實施例及第三實施例這兩種情況，本領域技術人員可以根據需要隨意組合。因此，採用多個奈米碳管線狀結構110形成導火引線的任意組合方式，都在本發明保護範圍之內。

本發明提供的導火引線中的奈米碳管線狀結構由多個奈米碳管及易氧化材料組成，由於奈米碳管具有較輕的質量，較高的機械強度，從而使得本發明實施例中的導火引線具有較輕的質量，較小的直徑以及較高的機械強度。從而比較有利於應用於微型化的爆破裝置中。

請參閱圖5，本發明進一步提供一爆炸裝置40，該爆炸裝置40包括一導火引線42，以及一被引爆物44。所述導火引線與該被引爆物接觸，具體地，所述導火引線42可直接插入被引爆物44中，當點燃所述導火引線42，該導火引線42逐漸燃燒並將熱量傳遞至被 引爆物44，從而引爆該被引爆物44。

所述導火引線42為本發明第一實施例到第三實施例中的導火引線100，20，30中的任意一種。所述被引爆物44可以為任意能被引爆的物品，可以係煙花、爆竹、雷管、炸藥爆、炸蛋中的任意一種。所述導火引線42具有較小的直徑以及較高的機械強度，請參閱圖6及圖7，本發明實施例中奈米碳管線狀結構110的製備方法主要包括以下步驟：

步驟一：提供一奈米碳管陣列216。

本發明實施例提供的奈米碳管陣列216為單壁奈米碳管陣列，雙壁奈米碳管陣列，及多壁奈米碳管陣列中的一種或多種。本實施例中，該超順排奈米碳管陣列的製備方法採用化學氣相沈積法，其具體步驟包括：(a)提供一平整基底，該基底可選用P型或N型矽基底，或選用形成有氧化層的矽基底，本實施例優選為採用4英寸的矽基底；(b)在基底表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一；(c)將上述形成有催化劑層的基底在700~900℃的空氣中退火約30分鐘~90分鐘；(d)將處理過的基底置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500~740℃，然後通入碳源氣體反應約5~30分鐘，生長得到超順排奈米碳管陣列，其高度為200~1000微米。該超順排奈米碳管陣列為多個彼此平行且垂直於基底生長的奈米碳管形成的純奈米碳管陣列。通過上述控制生長條件，該超順排奈米碳管陣列中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催 化劑金屬顆粒等。該超順排奈米碳管陣列中的奈米碳管彼此通過凡德瓦爾力緊密接觸形成陣列。該超順排奈米碳管陣列與上述基底面積基本相同。

本實施例中碳源氣可選用乙炔、乙烯、甲烷等化學性質較活潑的碳氫化合物，本實施例優選的碳源氣為乙炔；保護氣體為氮氣或惰性氣體，本實施例優選的保護氣體為氬氣。

步驟二：採用一拉伸工具從所述奈米碳管陣列216中拉取獲得一奈米碳管膜214。

所述碳奈米碳管膜214優選為一具有一定寬度的奈米碳管膜，該奈米碳管膜的製備方法包括以下步驟：(a)從上述奈米碳管陣列216中選定一個或具有一定寬度的多個奈米碳管，本實施例優選為採用具有一定寬度的膠帶、鑷子或夾子接觸奈米碳管陣列216以選定一個或具有一定寬度的多個奈米碳管；(b)以一定速度沿基本垂直於奈米碳管陣列216生長方向拉伸該多個奈米碳管，從而形成首尾相連的多個奈米碳管片段，進而形成一連續的奈米碳管膜。

在上述拉伸過程中，該多個奈米碳管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離基底的同時，由於凡德瓦爾力作用，該選定的多個奈米碳管片段分別與其他奈米碳管片段首尾相連地連續地被拉出，從而形成一連續、均勻且具有一定寬度的奈米碳管膜214。請參閱圖7，該奈米碳管膜214包括多個擇優取向排列的奈米碳管。進一步地，該奈米碳管膜包括多個首尾相連且定向排列的奈米碳管 片段，該奈米碳管片段兩端通過凡德瓦爾力相互連接。該奈米碳管片段包括多個相互平行的奈米碳管。該奈米碳管膜中奈米碳管的排列方向基本平行於奈米碳管膜的拉伸方向。所述奈米碳管膜的長度及寬度與該奈米碳管陣列216的尺寸及步驟(a)中選定的多個奈米碳管的寬度有關，所述奈米碳管膜的寬度最大不超過該奈米碳管陣列216的直徑，所述奈米碳管膜214的長度可達100米以上。

所述奈米碳管膜214包括多個奈米碳管，相鄰的奈米碳管之間有間隙，且該奈米碳管平行於所述奈米碳管膜214的表面。所述奈米碳管膜可具有自支撐結構。所謂自支撐結構即奈米碳管膜中的多個奈米碳管間通過凡德瓦爾力相互吸引，從而使奈米碳管膜具有特定的形狀。

步驟三：形成至少一層易氧化材料114附著於所述奈米碳管膜214表面，形成一奈米碳管線狀結構110。

所述易氧化材料114可以為鹽類、金屬氧化物或金屬。本實施例中所述易氧化材料114為金屬。

所述形成至少一層易氧化材料114附著於所述奈米碳管膜214表面的方法可採用物理方法，如物理氣相沈積法(PVD)包括真空蒸鍍或離子濺射等，也可採用其他成膜方法，如化學方法，包括電鍍或化學鍍等。也可以將奈米碳管薄膜214浸入易氧化鹽的溶液中，從而係易氧化的鹽包覆於奈米碳管表面。優選地，本實施例採用物理方法中的真空蒸鍍法形成所述易氧化材料114附著於所 述奈米碳管膜214表面。

所述採用真空蒸鍍法形成至少一層易氧化材料114的方法包括以下步驟：首先，提供一真空容器210，該真空容器210具有一沈積區間，該沈積區間底部和頂部分別放置至少一個蒸發源212，該至少一個蒸發源212按形成至少一層易氧化材料114的先後順序依次沿奈米碳管膜214的拉伸方向設置，且每個蒸發源212均可通過一個加熱裝置(圖未示)加熱。上述奈米碳管膜214設置於上下蒸發源212中間並間隔一定距離，其中奈米碳管膜214正對上下蒸發源212設置。該真空容器210可通過外接一真空泵(圖未示)抽氣達到預定的真空度。所述蒸發源212材料為待沈積的易氧化材料114。其次，通過加熱所述蒸發源212，使其熔融後蒸發或昇華形成易氧化材料114蒸汽，該易氧化材料114蒸汽遇到冷的奈米碳管膜214後，在奈米碳管膜214上下表面凝聚，形成至少一層易氧化材料114附著於奈米碳管膜214的表面。由於奈米碳管膜214中的奈米碳管112之間存在間隙，並且奈米碳管膜214厚度較薄，易氧化材料114可以滲透進入奈米碳管膜214之中，從而沈積在每根奈米碳管112表面。沈積至少一層易氧化材料114後的奈米碳管膜的微觀結構照片請參閱圖8和圖9。

可以理解，通過調節奈米碳管膜214和每個蒸發源212的距離以及蒸發源212之間的距離，可使每個蒸發源212具有一個沈積區。當需要沈積多層易氧化材料114時，可將多個蒸發源212同時加熱，使奈米碳管膜214連續通過多個蒸發源的沈積區，從而實現沈積多層易氧化材料114。

為提高易氧化材料114蒸汽密度並且防止易氧化材料114被氧化，真空容器210內真空度應達到1帕(Pa)以上。本發明實施例中，真空容器中的真空度為4×10^-4Pa。

可以理解，也可將步驟一中的奈米碳管陣列216直接放入上述真空容器210中。首先，在真空容器210中採用一拉伸工具從所述奈米碳管陣列中拉取獲得一奈米碳管膜214。然後，加熱上述至少一個蒸發源212，沈積至少一層易氧化材料114於所述奈米碳管膜214表面。以一定速度不斷地從所述奈米碳管陣列216中拉取奈米碳管膜214，且使所述奈米碳管膜214連續地通過上述蒸發源212的沈積區，進而形成所述易氧化材料114附著於所述奈米碳管膜214表面。故該真空容器210可實現奈米碳管表面具有至少一層易氧化材料114的奈米碳管膜214的連續生產。

當所述奈米碳管膜214寬度較小時(如0.5奈米~100微米)，所述形成有至少一層易氧化材料114的奈米碳管膜214即可作為一奈米碳管線狀結構110，可不需要做後續處理。

當所述奈米碳管膜214寬度較大時，所述形成奈米碳管線狀結構110的步驟可進一步包括對所述奈米碳管膜214進行機械處理的步驟，該機械處理的步驟可在機械處理室220內進行。該機械處理步驟可通過以下兩種方式實現：對所述形成有至少一層易氧化材料114的奈米碳管膜214進行扭轉，形成奈米碳管線狀結構110或切割所述形成有至少一層易氧化材料114的奈米碳管膜214，形成奈米碳管線狀結構110。

對所述奈米碳管膜214進行扭轉，形成奈米碳管線狀結構110的步驟可通過多種方式實現。本實施例可採用下述兩種方式形成所述奈米碳管線狀結構110：其一，通過將粘附於上述奈米碳管膜214一端的拉伸工具固定於一旋轉電機上，扭轉該奈米碳管膜214，從而形成一奈米碳管線狀結構110。其二，提供一個尾部可以粘住奈米碳管膜214的紡紗軸，將該紡紗軸的尾部與奈米碳管膜214結合後，將該紡紗軸以旋轉的方式扭轉該奈米碳管膜214，形成一奈米碳管線狀結構110。可以理解，上述紡紗軸的旋轉方式不限，可以正轉，可以反轉，或者正轉和反轉相結合。優選地，所述扭轉該奈米碳管結構的步驟為將所述奈米碳管膜214沿奈米碳管膜214的拉伸方向以螺旋方式扭轉。扭轉後所形成的奈米碳管線狀結構110為一絞線結構，其掃描電鏡照片請參見圖10及圖11。

所述切割奈米碳管膜214，形成奈米碳管線狀結構110的步驟為：沿奈米碳管膜214的拉伸方向切割所述形成有至少一層易氧化材料114的奈米碳管膜214，形成多個奈米碳管線狀結構110。上述多個奈米碳管線狀結構110可進一步進行重疊、扭轉，以形成一較大直徑的奈米碳管線狀結構110。

可以理解，當所述奈米碳管膜214的寬度較小時，所述奈米碳管膜214也可進一步進行扭轉，形成所述奈米碳管線狀結構110。

所制得的奈米碳管線狀結構110可進一步收集在一捲筒224上。收集方式為將奈米碳管線狀結構110纏繞在所述捲筒224上。所述奈米碳管線狀結構110用作導火引線的奈米碳管線狀結構110。

另外，也可將沈積有至少一層易氧化材料114的多個奈米碳管膜214重疊設置並扭轉形成一奈米碳管線狀結構110。所製備的奈米碳管線狀結構110的直徑不受拉取獲得的奈米碳管膜214的尺寸的限制，並可根據需要製備具有任意大小的直徑的奈米碳管線狀結構110。進一步地，多個奈米碳管線狀結構110可平行設置組成一束狀結構的導火引線20或相互扭轉形成一絞線結構的導火引線30。

可以理解，導火線的製備方法並不局限於上述方法，還可以採用先製備一奈米碳管線，然後再於該奈米碳管線的表面形成一層易氧化材料層獲得一導火線。

本發明實施例提供的採用奈米碳管線狀結構構成的導火引線具有以下優點：由於導火引線中的奈米碳管線狀結構由多個奈米碳管及易氧化材料組成，該易氧化材料的厚度極小，為奈米級。因此該導火引線在燃燒時不劇烈，無明火，容易控制，從而具有很高的安全性能。另外，由於奈米碳管具有較輕的質量，較高的機械強度，從而使得本發明實施例中的導火引線具有較輕的質量，較小的直徑以及較高的機械強度。從而比較有利於應用於微型化的爆破裝置中。並且，該導火引線的製備方法簡單，有利於規模化生產，使得該導火引線具有較低的成本。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

100‧‧‧導火引線

112‧‧‧奈米碳管

110‧‧‧奈米碳管線狀結構

Claims (13)

1. 一種導火引線，其改進在於，該導火引線包括至少一奈米碳管線狀結構，該奈米碳管線狀結構包括多個奈米碳管，該導火引線進一步包括一易氧化材料包覆於所述奈米碳管線狀結構的表面，當該導火引線的一端被點燃時，該易氧化材料沿著奈米碳管線狀結構的軸向連續地發生氧化反應，所述奈米碳管線狀結構中奈米碳管與所述易氧化材料的質量比為1：10~1：1。
2. 如請求項第1項所述的導火引線，其中，所述奈米碳管通過凡德瓦爾力首尾相連。
3. 如請求項第2項所述的導火引線，其中，所述導火引線中的奈米碳管的軸向沿導火引線軸向有序排列。
4. 如請求項第3項所述的導火引線，其中，所述導火引線中的奈米碳管的軸向繞該導火引線的軸向螺旋狀延伸。
5. 如請求項第3項所述的導火引線，其中，所述導火引線中的奈米碳管的軸向平行該導火引線的軸向。
6. 如請求項第1項所述的導火線，其中，所述奈米碳管線狀結構中每一根奈米碳管的表面均包覆有至少一層易氧化材料。
7. 如請求項第6項所述的導火引線，其中，所述易氧化材料的厚度為1~20奈米。
8. 如請求項第1項所述的導火引線，其中，所述易氧化材料為銅、銀、金或其合金。
9. 如請求項第1項所述的導火線，其中，所述易氧化材料為易與碳 反應的氧化材料，該易與碳反應的氧化材料包括氧化錳、高錳酸鉀、重鉻酸鉀。
10. 如請求項第1項所述的導火引線，其中，所述導火引線包括多個奈米碳管線狀結構相互平行、相互扭轉或相互纏繞。
11. 如請求項第10項所述的導火引線，其中，所述奈米碳管線狀結構的直徑為10微米~30微米。
12. 如請求項第1項所述的導火引線，其中，所述奈米碳管線狀結構中奈米碳管與所述易氧化材料的質量比為1：5~4：5。
13. 一種採用如請求項第1至12項中任何一項所述的導火引線的爆炸裝置，其包括一導火引線，以及一被引爆物，所述導火引線與該被引爆物接觸，其中，所述導火引線包括至少一奈米碳管線狀結構，該奈米碳管線狀結構包括多個奈米碳管，該導火引線進一步包括一易氧化材料包覆於所述奈米碳管線狀結構的表面。