蒽對(duì)Pb3O4/Mg/PTFE紅外誘餌劑遠(yuǎn)紅外輻射性能的影響

王 冰，馬冬曉，陳宗勝，汪家春，時(shí)家明

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蒽對(duì)Pb3O4/Mg/PTFE紅外誘餌劑遠(yuǎn)紅外輻射性能的影響

王 冰1,2，馬冬曉1，陳宗勝1，汪家春1，時(shí)家明1

（1.先進(jìn)激光技術(shù)安徽省實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥，230037；2.國(guó)防科技大學(xué)脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥，230037）

為研究添加蒽（C14H10）對(duì)四氧化三鉛/聚四氟乙烯/鎂粉（Pb3O4/PTFE/Mg）混合誘餌劑效能的影響，設(shè)計(jì)了6種配方進(jìn)行試驗(yàn)。首先測(cè)試了基礎(chǔ)配方和蒽添加量為12%的配方的熱分解性能，然后用8~14μm遠(yuǎn)紅外熱像儀測(cè)量了壓制成的藥柱樣品的燃燒過程，計(jì)算出每個(gè)樣品的燃燒時(shí)間、質(zhì)量燃速、輻射面積、輻射亮度、輻射強(qiáng)度。結(jié)果表明：添加蒽后，藥劑反應(yīng)放熱峰峰值溫度提前；隨著蒽添加量的增加，樣品質(zhì)量燃速變小，燃燒時(shí)間變長(zhǎng)。

紅外誘餌劑；燃燒溫度；輻射強(qiáng)度；熱分解

作為對(duì)抗紅外制導(dǎo)彈藥的主要方式，紅外誘餌劑自20世紀(jì)60年代以來就被廣泛使用[1-2]。傳統(tǒng)的鎂/聚四氟乙烯紅外誘餌劑存在燃燒溫度過高、紅外輻射不足等缺點(diǎn)，令其難以對(duì)抗新型的紅外制導(dǎo)彈藥，因此，對(duì)傳統(tǒng)的紅外誘餌劑進(jìn)行改進(jìn)成了當(dāng)下研究的熱點(diǎn)[3-4]。葉淑琴[5]等以鎂/聚四氟乙烯紅外誘餌劑為基礎(chǔ)配方，用紅磷和氧化銅作為添加劑制作成薄膜型誘餌材料，發(fā)現(xiàn)該添加劑可使點(diǎn)火溫度從520℃下降到390℃，但紅外輻射強(qiáng)度有所降低；林紅雪[6]等研究發(fā)現(xiàn)，添加25%紅磷含量及10%~15%氧化銅時(shí)，鎂/聚四氟乙烯混合藥劑燃燒最穩(wěn)定，燃燒時(shí)間大于3s，燃溫為800℃左右，輻射強(qiáng)度降低；杜珺等[7]以硝酸鉀/鎂鋁合金混合誘餌劑作為基礎(chǔ)配方，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)添加硼粉能明顯提高基礎(chǔ)配方的反應(yīng)溫度、燃速和紅外輻射；王鵬等[8]發(fā)現(xiàn)添加8%鈦粉和10%硼粉可以分別把某自燃型紅外誘餌劑的反應(yīng)時(shí)間從60s縮短到40s和32s，且這兩種比例下誘餌劑的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到最大。有機(jī)可燃劑燃燒可以產(chǎn)生大量熱量，增加紅外誘餌劑的溫度，根據(jù)紅外輻射理論，溫度越高輻射越大，所以選擇蒽作為添加劑，以Pb3O4/PTFE/Mg混合誘餌劑為基礎(chǔ)配方，設(shè)計(jì)6種不同的混合誘餌劑配方，采用模壓成型工藝制備了混合配方的藥塊，通過實(shí)驗(yàn)研究蒽對(duì)Pb3O4/ PTFE/Mg混合誘餌劑效能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑： PTFE粉； Pb3O4粉； Mg粉；蒽粉。

儀器：HY-12型壓片機(jī)，天津天光光學(xué)儀器有限公司；電子天平，精度十分之一克，上海奔普儀器有限公司；Infra Tec，VarioCAM HD 875sl熱像儀，德國(guó)英菲泰克有限公司，光譜范圍：7.5~14μm，測(cè)量精度：±1.5K or ±1.5%，圖像分辨率：1 024×768，幀率：30Hz，數(shù)字變焦：最大32倍，模數(shù)轉(zhuǎn)換：16位，工作海拔：小于2 000m，標(biāo)準(zhǔn)鏡頭（焦距30mm，焦點(diǎn)0.72m，IFOV=0.57mrad，F(xiàn)OV=32.4×24.7°）。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 制備

實(shí)驗(yàn)以鎂/四氧化三鉛/聚四氟乙烯（Pb3O4/ PTFE/Mg）混合誘餌劑為基礎(chǔ)配方，配方中Mg：PTFE：Pb3O4=10:3:7，改變蒽的添加量，設(shè)計(jì)了6種配方，如表1所示，每種配方制作2個(gè)樣品，取2個(gè)樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值作為該種配方的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 樣品的成分比例 （%）

Tab.1 Distribution ratio of the samples

每個(gè)樣品的設(shè)計(jì)質(zhì)量都為16g。制作過程為：按照配方比例稱取相應(yīng)質(zhì)量的藥劑，人工混合均勻之后放入圓柱型模具中用壓片機(jī)進(jìn)行壓片，模具直徑為30mm，壓片時(shí)的壓力均為15MPa，每個(gè)藥塊保壓20s，然后退模取出藥塊。由于制作過程會(huì)有損耗，制作成的藥塊會(huì)少于16g的設(shè)計(jì)質(zhì)量，表2為12個(gè)樣品的實(shí)際質(zhì)量和高度。

表2 樣品的質(zhì)量和高度

Tab.2 The mass and height of the samples

1.2.2 燃燒試驗(yàn)

圖1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

在戶外進(jìn)行藥劑燃燒測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試時(shí)戶外溫度23℃，實(shí)驗(yàn)藥劑在紅外熱像儀正前方8m處，對(duì)12個(gè)藥劑樣品按照序號(hào)依次進(jìn)行點(diǎn)燃，用紅外熱像儀測(cè)得藥劑的燃燒時(shí)間、燃燒溫度和輻射面積，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖1所示。設(shè)置8~14μm紅外熱像儀為實(shí)時(shí)連拍模式，拍照頻率為30幀/s，記錄下每個(gè)樣品燃燒的全過程，然后對(duì)圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 蒽對(duì)熱分解性能的影響

為了研究添加蒽對(duì)基礎(chǔ)配方熱分解性能的影響，取混合均勻的1號(hào)（基礎(chǔ)配方）和5號(hào)（添加12%蒽）配方藥劑各5mg，放入SDT-Q600型同步熱分析儀分別測(cè)試其熱分解過程，設(shè)置升溫速率為20.0℃/min，測(cè)試氛圍為空氣氛圍，流速為100.0 mL/min，測(cè)試所得的TG-DSC曲線如圖2~3所示。對(duì)比圖2~3的TG-DSC曲線，可知反應(yīng)物的融化分解溫度基本不變，320℃左右聚四氟乙烯融化，500℃左右聚四氟乙烯分解為四氟乙烯，650℃左右鎂融化；然而添加蒽后，從200~280℃出現(xiàn)失重，這應(yīng)該是蒽的融化汽化過程，276.3℃處的小放熱峰是測(cè)試樣品表面的部分蒽發(fā)生氧化反應(yīng)放熱。

圖2 基礎(chǔ)配方的TG-DSC曲線

圖3中821.3℃處出現(xiàn)很大的放熱峰（由于該峰過高，采用break的方式顯示該峰，其坐標(biāo)是正常的），該峰處TG曲線急速上升，說明該峰為主反應(yīng)放熱峰，發(fā)生了蒽和氧氣、混合誘餌劑中的可燃劑與氧化劑、混合誘餌劑中的可燃劑和氛圍中的氧氣等反應(yīng)，比基礎(chǔ)配方的主反應(yīng)放熱峰峰值溫度（888.9℃）提前67.6℃；圖3在871.8℃和1 062.3℃分別有2個(gè)小放熱峰，且TG曲線變化平緩，是藥劑樣品中的主要反應(yīng)進(jìn)行過后，過量的鎂粉和局部的氧氣進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生的。

圖3 蒽添加量為12%的TG-DSC曲線

2.2 氧化劑和還原劑比例對(duì)藥劑燃燒特性的影響

試驗(yàn)完成后用配套的IRBIS3軟件對(duì)紅外熱像儀所拍攝的圖像進(jìn)行處理，得出12個(gè)樣品的燃燒溫度、燃燒時(shí)間和質(zhì)量燃速，如表3所示。

表3 樣品的燃燒時(shí)間、溫度和燃速

Tab.3 The burning time, temperature and burning rate of samples

圖4 樣品反應(yīng)溫度圖

6種配方的反應(yīng)溫度如圖4所示，由圖4可知隨著蒽的添加比例升高，樣品的反應(yīng)溫度先升高再降低，蒽的添加量為3%（2號(hào)）時(shí)達(dá)到最大值，而添加蒽的樣品反應(yīng)溫度都高于未添加蒽的1號(hào)樣品?；旌纤巹┑幕瘜W(xué)反應(yīng)為[9]：

2Mg+C2F4→2MgF2+2C ?=﹣1 589.92kJ·mol-1（1）

2Mg+O2→2MgO ?=﹣1 202.48kJ?mol-1（3）

C14H10+16.5O2→14CO2+5H2O ?=﹣7 156.2kJ?mol-1（4）

由表1可知，1號(hào)基礎(chǔ)配方中Mg粉過量，蒽的添加方式為等質(zhì)量地替換基礎(chǔ)配方，因?yàn)榛A(chǔ)配方的成分比例不變，且添加的蒽跟基礎(chǔ)配方不反應(yīng)，所以不論蒽的添加量如何變化，Mg都一直過量，即始終可以使Pb3O4和PTFE完全反應(yīng)?；A(chǔ)配方中過量的鎂粉與空氣中的氧氣發(fā)生的反應(yīng)（3）產(chǎn)生熱量，蒽與空氣中的氧氣發(fā)生的反應(yīng)（4）放熱，其反應(yīng)質(zhì)量比分別為1∶0.67和1∶2.97，說明相同質(zhì)量的蒽消耗氧氣量是鎂消耗氧氣量的4.5倍。假設(shè)反應(yīng)空間氧氣充足，經(jīng)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)相同質(zhì)量的蒽完全反應(yīng)產(chǎn)生熱量是相同質(zhì)量基礎(chǔ)配方的2.95倍。2號(hào)樣品中質(zhì)量比為3%的基礎(chǔ)配方被蒽替換，所以2號(hào)樣品產(chǎn)生的熱量更多，溫度也相應(yīng)升高。然而繼續(xù)增加蒽的替換量反應(yīng)溫度卻減小，其原因可能是反應(yīng)核心空間的氧氣被消耗完，且反應(yīng)時(shí)間極短，來不及補(bǔ)充，氧氣的缺乏導(dǎo)致部分基礎(chǔ)配方中過量的鎂和蒽沒有反應(yīng)或者反應(yīng)不充分，從而使溫度降低。圖5為6種配方的燃燒時(shí)間和質(zhì)量燃速。

圖5 樣品反應(yīng)時(shí)間和質(zhì)量燃速圖

由圖5可知1號(hào)到6號(hào)配方的樣品質(zhì)量燃速不斷減小，這主要是因?yàn)闃悠啡紵俣群蛯?dǎo)溫系數(shù)有關(guān)[10]，導(dǎo)溫系數(shù)越大，熱量傳導(dǎo)地越快。樣品的燃燒是粒狀擴(kuò)散燃燒，屬于層狀燃燒[11]，燃燒的第1步是反應(yīng)物由固態(tài)融化氣化變?yōu)榭煞磻?yīng)的狀態(tài)，這也是最重要的一步，熱量傳導(dǎo)越快，未反應(yīng)區(qū)越快地過渡為反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)進(jìn)程就越快?？刹捎米詈?jiǎn)單的模型計(jì)算鎂/聚四氟乙烯/四氧化三鉛藥劑的導(dǎo)熱系數(shù)[9,12]，即把這4種物質(zhì)的混合物看作沿?zé)崃鱾鬟f方向串聯(lián)排列，其導(dǎo)熱系數(shù)：

=Pb3O4PTFEMgC14H10/(Pb3O4PTFEMgC14H10

+PTFEPb3O4MgC14H10+MgPTFEPb3O4C14H10

+C14H10PTFEPb3O4Mg) （5）

其比熱容：

=Pb3O4Pb3O4+PTFEPTFE+MgMg+C14H10C14H10（6）

式（5）~（6）中：為體積分?jǐn)?shù)；為質(zhì)量分?jǐn)?shù)；導(dǎo)溫系數(shù)=/（），鎂、四氧化三鉛和聚四氟乙烯的熱物理系數(shù)[13]如表4所示。

表4 材料的物理性質(zhì)

Tab.4 Physical properties of the materials

圖6 樣品導(dǎo)溫系數(shù)

圖6為6種配方樣品的導(dǎo)溫系數(shù)。由圖6可知，樣品的導(dǎo)溫系數(shù)隨著蒽的添加比例的升高不斷減小，所以1號(hào)到6號(hào)配方樣品的燃速不斷減小。

2.3 氧化劑和還原劑的比例對(duì)紅外輻射特性的影響

用熱像儀配套的IRBIS3軟件選取12個(gè)樣品燃燒最劇烈時(shí)刻的紅外熱像圖，如圖7所示，并計(jì)算圖像中大于400℃范圍的輻射亮度（）和輻射面積（），根據(jù)=·，計(jì)算樣品的輻射強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 樣品的輻射特性

Tab.5 Radiation characteristics of the samples

圖7 樣品紅外熱像圖

樣品輻射特性如圖8所示，由圖8可知，隨著蒽的添加量增加，樣品的輻射亮度和輻射強(qiáng)度先增大后減小。在8~14μm波段，添加蒽的樣品的輻射亮度都大于未添加的樣品，證明添加蒽對(duì)基礎(chǔ)配方的輻射亮度有提升作用，且添加比例為3%（2號(hào)配方）時(shí)輻射亮度達(dá)到最大，提升效果最好，繼續(xù)增大蒽的添加量輻射亮度值開始逐漸減小。輻射強(qiáng)度的變化趨勢(shì)和輻射亮度一致，在8~14μm波段，當(dāng)蒽的添加比例在9%（4號(hào)）以內(nèi)輻射強(qiáng)度大于1號(hào)基礎(chǔ)配方，且添加比例為6%時(shí)輻射強(qiáng)度達(dá)到最大。

圖8 樣品輻射特性

根據(jù)紅外輻射的特性，對(duì)紅外輻射影響較大的是固體狀態(tài)和液體狀態(tài)的物質(zhì)，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟邷氐臅r(shí)候能產(chǎn)生連續(xù)的光譜[10]，同時(shí)反應(yīng)溫度也是影響輻射的重要因素，溫度越高輻射越大。由反應(yīng)方程可知產(chǎn)物中主要的輻射源為Pb、C、MgF2等，其中C的輻射率達(dá)到0.8[14]，輻射作用最明顯。在實(shí)際燃燒反應(yīng)空間存在氧氣，會(huì)和過量的Mg反應(yīng)生成MgO，Mg不足時(shí)還能將反應(yīng)產(chǎn)物氧化。蒽與空氣中的氧氣反應(yīng)，完全反應(yīng)時(shí)的產(chǎn)物是CO2氣體和H2O，如果氧氣不充足時(shí)會(huì)生成CO或CO2氣體和H2O。1號(hào)基礎(chǔ)配方可能還不能將反應(yīng)空間中的氧氣消耗完，C等生成物可能會(huì)被氧化，生成CO或CO2氣體，極大降低輻射，2號(hào)配方添加了3%（替換等質(zhì)量的基礎(chǔ)配方）的蒽，耗氧量增加，更好地保護(hù)了產(chǎn)物中的C不被氧化，同時(shí)蒽的燃燒可能會(huì)存在不完全的情況而額外再生成C，這兩方面都使生成物中C的量可能變多，增加輻射源，而且2號(hào)反應(yīng)溫度升高，所以輻射亮度變大。繼續(xù)增加蒽的添加量到6%，耗氧量繼續(xù)增加，反應(yīng)核心空間的氧氣可能不足，外部氧氣來不及補(bǔ)充進(jìn)來，導(dǎo)致部分蒽和過量鎂粉沒有反應(yīng)，反應(yīng)總的輻射源比2號(hào)配方少，輻射亮度比2號(hào)配方降低。同理，繼續(xù)增加蒽的量，亮度繼續(xù)減少。

輻射強(qiáng)度的變化主要受輻射亮度和輻射面積影響，蒽燃燒產(chǎn)生了大量CO2氣體，導(dǎo)致燃燒產(chǎn)物擴(kuò)散范圍更大，即輻射面積增大，同時(shí)亮度增大，所以2號(hào)配方樣品輻射強(qiáng)度變大；而3號(hào)配方樣品反應(yīng)核心空間的氧氣不足，這時(shí)反應(yīng)不充分的蒽增多，生成CO或CO2氣體，生成CO氣體的耗氧量小于CO2氣體，所以3號(hào)配方樣品產(chǎn)生的氣體量多于2號(hào)配方樣品，更有利于分散樣品燃燒時(shí)的火焰和生成的C等固態(tài)生成物，使輻射面積增大，雖然輻射亮度減小，但輻射強(qiáng)度還是增大。隨著蒽添加量的繼續(xù)增加輻射亮度減小，且更多反應(yīng)物沒有反應(yīng)造成產(chǎn)物中氣體固體物質(zhì)減少，導(dǎo)致輻射面積減小，輻射強(qiáng)度為減小趨勢(shì)。

3 結(jié)論

研究了添加蒽對(duì)四氧化三鉛/聚四氟乙烯/鎂粉混合誘餌劑效能的影響，通過對(duì)12個(gè)樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：（1）隨著蒽添加的比例升高，燃燒溫度先增加后減小，添加蒽的樣品反應(yīng)溫度均高于未添加的基礎(chǔ)配方；并且質(zhì)量燃速變小，燃燒時(shí)間變長(zhǎng)；（2）研究發(fā)現(xiàn)蒽添加比例為3%的樣品的遠(yuǎn)紅外輻射亮度最大，添加比例為6%的樣品的遠(yuǎn)紅外輻射強(qiáng)度最大，添加比例為15%以內(nèi)對(duì)基礎(chǔ)配方的輻射亮度都有提升作用，在9%以內(nèi)才對(duì)輻射強(qiáng)度有提升。綜合反應(yīng)數(shù)據(jù)，選擇3號(hào)樣品即蒽的添加比例為6%的配方作為Mg/Pb3O4/PTFE紅外誘餌劑的改進(jìn)配方。該配方作用時(shí)間比基礎(chǔ)配方延長(zhǎng)0.47s，紅外輻射也均有提升。

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Effect of C14H10on the Mid Infrared Radiation Performance of Pb3O4/Mg/PTFE Infrared Decoy

WANG Bing1,2，MA Dong-xiao1, CHEN Zong-sheng1，WANG Jia-chun1，SHI Jia-ming1

(1.Advanced Laser Technology Laboratory of Anhui Province，Hefei, 230037；2. State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology, National University of Defense Technology，Hefei, 230037)

In order to study the effect of C14H10as an additive on the performance of trilead tetraoxide/teflon/Mg mixed powder (Pb3O4/PTFE/Mg)，six different formulations were designed and tested. Firstly, the thermal decomposition properties of the base formulation and samples with 12% C14H10addition were measured, and then the 8~14μm thermal imager was used to observe the combustion process of the tablet. The burning time, mass burning rate, radiation area, radiation and radiation intensity of each sample were obtained. The results showed thatafter adding C14H10, the reaction exothermic peak was advanced with the increase of the proportion of C14H10，the burning time of the sample became longer and the mass burning rate decreased.

Infrared decoy；Combustion temperature；Radiation intensity；Thermal decomposition

1003-1480（2018）06-0025-05

TQ567.5

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.06.007

2018-09-04

王冰（1993-），男，碩士研究生，主要從事紅外對(duì)抗研究。

“十三五”預(yù)研項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：HJJ2017-0671）。