顆粒型Mg/PTFE/NC藥劑的紅外輻射特性研究

王 磊，關(guān) 華，雎 健

顆粒型Mg/PTFE/NC藥劑的紅外輻射特性研究

王 磊，關(guān) 華，雎 健

（南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094）

為提高M(jìn)g-PTFE紅外誘餌劑的燃燒輻射面積、降低輻射強(qiáng)度，采用溶劑揮發(fā)法制備Mg/PTFE/NC顆粒型藥劑，研究顆粒藥劑的紅外輻射性能。結(jié)果表明：對(duì)比等質(zhì)量粉狀藥劑，顆粒藥劑的輻射面積平均增大60%，平均輻射強(qiáng)度減小了80%。藥劑粒度由690.6μm增大到1 048.3μm，平均輻射面積由139.51cm2增大到172.83cm2，平均輻射強(qiáng)度由2.89 W?Sr-1增大到4.56 W?Sr-1；隨著Mg-PTFE在顆粒藥中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，輻射強(qiáng)度增大，而輻射面積變化不大。

煙火藥；紅外誘餌；顆粒藥；輻射面積；輻射強(qiáng)度

以Mg-PTFE（鎂-聚四氟乙烯）為主的MTV紅外誘餌主要以粉狀誘餌藥劑壓制成藥柱，燃燒產(chǎn)生紅外輻射，與被保護(hù)目標(biāo)相比，其主要特點(diǎn)是輻射溫度高、輻射強(qiáng)度大、輻射面積小等。然而目前紅外制導(dǎo)方式已由點(diǎn)源發(fā)展到成像制導(dǎo)，其抗干擾技術(shù)大幅度提高，紅外誘餌與目標(biāo)輻射性能的顯著差異能被紅外成像制導(dǎo)分辨出誘餌和目標(biāo)[1-2]。因此，將Mg-PTFE制成顆粒，試圖增大藥劑的輻射面積，適當(dāng)降低輻射強(qiáng)度是MTV紅外誘餌的研究方向。

近年來，除了發(fā)射藥制備顆粒的傳統(tǒng)方法內(nèi)溶法和外溶法[3-5]，研究人員還嘗試許多其他方法。如王江等[6]利用噴霧干燥法，成功制備出了球形RDX顆粒；劉換敏[7]利用微流控技術(shù)成功制備出了單基和雙基球形發(fā)射藥顆粒；石旭東等[8]采用溶劑揮發(fā)法制備聚乳酸微孔顆粒，顆粒形狀均一性好，但實(shí)驗(yàn)的驅(qū)溶過程長(zhǎng)達(dá)4h，效率較低；王萍等[9]采用水溶液常溫浸析的方式，制備出了硝化棉微孔顆粒，這種方法大大縮小了制備時(shí)間，但所得顆粒質(zhì)地較軟。基于上述制備方法，筆者提出采用溶劑揮發(fā)法制備煙火藥劑Mg/ PTFE/NC顆粒，利用NC優(yōu)良的粘合性，將Mg和PTFE包裹成球形或近球形顆粒，并研究顆粒的不同配比、不同粒度對(duì)粒子燃燒后的輻射面積及輻射強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 Mg/PTFE/NC顆粒的制備

1.1.1 試劑與儀器

試劑：鎂粉，分析純，150目篩下物，國(guó)藥集團(tuán)有限公司；硝化棉；聚四氟乙烯(PTFE)，100目篩下物，江蘇鵬程實(shí)驗(yàn)器材有限公司；乙酸乙酯，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

儀器：HH-2恒溫水浴鍋，上海紅星儀器有限公司；JJ-1定時(shí)電動(dòng)攪拌棒，江蘇金壇市中大儀器廠；SHZ-D(Ш)型循環(huán)水真空泵，上海瑞茲儀器設(shè)備有限公司。

1.1.2 顆粒制備

稱取定量的硝化棉、鎂粉、聚四氟乙烯于三口燒瓶中，加入一定量的乙酸乙酯，并在64℃下攪拌，待形成粘稠狀高分子溶膠后，加入乳化劑和分散劑，一邊加快攪拌一邊升溫，直到將溶劑乙酸乙酯完全蒸出后靜置，抽濾，烘干，得到Mg/PTFE/NC顆粒。

1.2 試驗(yàn)樣品預(yù)處理

對(duì)原料質(zhì)量配比不同的顆粒，篩分出粒度在600~800μm的顆粒，稱取2g樣品，用5kN的外力壓制成藥柱，并裝入高度33mm、內(nèi)徑20mm的圓柱形殼體，制成樣品1~5。對(duì)原料質(zhì)量配比相同的顆粒，利用激光粒度儀測(cè)量不同顆粒的粒度分布，再分別稱取2g樣品，用5kN外力壓制成藥柱，裝入相同尺寸的殼體，制成樣品6~9。另準(zhǔn)備2g粉狀Mg-PTFE藥劑，利用同樣的外力壓制，裝入殼體，將其作為0號(hào)對(duì)比樣品。圖1為處理好的樣品。

1.3 顆粒粒度測(cè)試

本文采用英國(guó)馬爾文公司Mastersizer 2000干式激光粒度分析儀對(duì)顆粒進(jìn)行測(cè)試，儀器分析粒徑范圍為0.02~10 000μm，經(jīng)過分析可得到樣品顆粒的粒度以及粒度分布的相關(guān)值。測(cè)試得到的樣品6~9的粒度分布情況如圖2所示。

圖1 樣品示意圖

圖2 樣品6~ 9的粒度分布示意圖

1.4 紅外測(cè)試儀器及測(cè)試方法

測(cè)試儀器：美國(guó)Flir公司SC7000型遠(yuǎn)紅外熱像儀，光譜響應(yīng)波段7.7~9.3μm；分辨率320×240像素；溫度分辨率<20mK；測(cè)試鏡頭25mm，背景、大氣溫度20℃，室溫25℃，輻射率設(shè)為1。

測(cè)試方法：測(cè)試時(shí)，將試驗(yàn)樣品置于儀器鏡頭前方試驗(yàn)臺(tái)，確定樣品燃燒充滿在視場(chǎng)內(nèi)，經(jīng)測(cè)量得出距離為3.4m。樣品燃燒面正對(duì)儀器，點(diǎn)燃樣品表面點(diǎn)火藥后，樣品迅速燃燒，測(cè)試樣品燃燒過程。利用遠(yuǎn)紅外熱像儀測(cè)試得到樣品燃燒時(shí)間、輻射溫度以及輻射亮度。

輻射面積的計(jì)算：選擇一個(gè)已知長(zhǎng)度的物體，測(cè)量它在熱像儀中所占像素點(diǎn)數(shù)量確立標(biāo)尺，以此來計(jì)算不同時(shí)刻樣品的輻射面積大小。

輻射強(qiáng)度的計(jì)算：根據(jù)公式[10]：

式（1）中：為輻射強(qiáng)度，W·Sr-1；為輻射亮度，W·Sr-1·m-2；為輻射面積，m2；為與非點(diǎn)源的法線角度，測(cè)試時(shí)設(shè)為0。輻射亮度為由熱像儀自帶軟件ResearchIR計(jì)算得出，輻射面積的計(jì)算方法如上，按照式（1）計(jì)算得到樣品的輻射強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同配比Mg/PTFE/NC顆粒的輻射性能研究

2.1.1 不同配比Mg/PTFE/NC顆粒的輻射性能測(cè)試結(jié)果

首先研究不同配比藥劑對(duì)輻射性能的影響。表1為不同樣品的原料配比。樣品1~5中的硝化棉質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次遞增，鎂粉和聚四氟乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則依次遞減。采用紅外熱像儀測(cè)試不同配比藥劑燃燒后不同時(shí)刻熱像，結(jié)果如圖3 所示。其中0號(hào)為粉狀藥劑。

圖3 不同配比Mg/PTFE/NC顆粒及燃燒隨時(shí)間變化的熱圖

由圖3可知，1~5號(hào)樣品燃燒時(shí)的輻射面積比0號(hào)樣品明顯增大，持續(xù)時(shí)間也更長(zhǎng)。樣品1~5號(hào)之間的輻射面積差異不大，持續(xù)時(shí)間整體有上升的趨勢(shì)。從左側(cè)的溫度表可知從1號(hào)樣品到5號(hào)樣品燃燒時(shí)整體輻射溫度有逐漸降低的趨勢(shì)，并且都低于0號(hào)樣品。

表1 不同配比樣品的組成 (%)

Tab.1 Composition of different proportions of samples

2.1.2 Mg/PTFE/NC樣品配比對(duì)輻射面積的影響

利用熱像軟件計(jì)算得到各樣品燃燒下平均輻射面積，如表2所示。

表2 各樣品穩(wěn)定燃燒的輻射面積

Tab.2 Radiation area for stable combustion of each sample

由表2可知，樣品1~5之間輻射面積相差不大，這說明原料配比不是影響輻射面積大小的主要因素。而對(duì)比粉狀Mg-PTFE藥劑（0號(hào)樣品），輻射面積分別增大了24.3%、29.9%、27.1%、35.1%、21.6%，平均增大27.6%。這表明Mg/PTFE/NC顆?？梢蕴嵘巹┑妮椛涿娣e。

2.1.3 Mg/PTFE/NC樣品配比對(duì)輻射強(qiáng)度的影響

計(jì)算得到樣品0~5的輻射強(qiáng)度變化，見圖4。各樣品燃燒時(shí)平均輻射強(qiáng)度見表3。

表3 各樣品燃燒的輻射強(qiáng)度

Tab.3 Radiation intensity of combustion of each sample

圖4 不同配比樣品與0號(hào)樣品的輻射強(qiáng)度變化圖

結(jié)合圖4、表3可知，不同配比Mg/PTFE/NC顆粒燃燒的平均輻射強(qiáng)度分別為5.62W·Sr-1、4.15 W·Sr-1、3.45W·Sr-1、3.16W·Sr-1、2.64W·Sr-1，比粉狀Mg-PTFE藥劑分別減少69.8%、77.7%、81.5%、83.0%和85.8%，平均降幅高達(dá)79.6%。對(duì)比不同配比Mg/PTFE/NC顆粒的平均輻射強(qiáng)度可以看出，Mg/ PTFE/NC顆粒所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度隨著Mg-PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低而逐漸減小，當(dāng)Mg-PTFE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由30%增大到70%時(shí)，平均輻射強(qiáng)度由2.64 W·Sr-1增大到5.62 W·Sr-1，升幅53.2%。

已知Mg/PTFE/NC藥劑燃燒時(shí)的反應(yīng)方程式如下：

C6H8N2O9(s) + 7/2O2(g) =4H2O(g) +6CO2(g)+ N2(g)

5Mg(s)+(C2F4)(s)+1/2O2(g)=2MgF2(g) +2C(s)+MgO (s)

由于Mg與PTFE反應(yīng)產(chǎn)生MgF2、MgO等物質(zhì)的特征輻射集中在中、遠(yuǎn)紅外波段，但NC燃燒產(chǎn)物H2O、CO2的特征輻射集中在近、中紅外波段，因此隨著藥劑中Mg-PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，顆粒的平均輻射強(qiáng)度逐漸增大。同時(shí)，根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼公式[11]：

可知，輻射能量與溫度的4次方成正比。由于Mg與PTFE反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，粉狀Mg-PTFE藥劑中Mg、PTFE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比Mg/PTFE/NC藥劑至少多15%，所以對(duì)比粉狀Mg-PTFE藥劑，Mg/PTFE/NC藥劑輻射強(qiáng)度平均降幅達(dá)到79.6%。

2.2 不同粒度Mg/PTFE/NC顆粒的輻射性能研究

2.2.1 不同粒度Mg/PTFE/NC顆粒的輻射性能測(cè)試結(jié)果

不同粒度Mg/PTFE/NC顆粒的原料配比及顆粒粒度情況，如表4所示。

表4 不同粒度樣品的組成及粒度情況

Tab.4 Composition and particle size of different samples

樣品中的硝化棉、鎂粉和聚四氟乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)一為50%、25%和25%，區(qū)別是顆粒粒度（此處取值50）由樣品6的1 048.3μm逐漸減小到樣品9的690.6μm。采用紅外熱像儀測(cè)試樣品藥劑燃燒后不同時(shí)刻熱像，結(jié)果如圖5 所示。其中0號(hào)為粉狀藥劑。

由圖5可知，樣品6~9的穩(wěn)定燃燒的輻射面積比0號(hào)樣品也有明顯增大，燃燒時(shí)間也更長(zhǎng)。樣品6~9的輻射面積有下降的趨勢(shì)，燃燒時(shí)間整體有上升的趨勢(shì)。從左側(cè)溫度表可知樣品6~9燃燒整體輻射溫度也都低于0號(hào)樣品。

2.2.2 Mg/PTFE/NC樣品粒度對(duì)輻射面積影響規(guī)律

利用熱像軟件計(jì)算得到各樣品燃燒下平均輻射面積，如表5所示。

圖5 不同粒度Mg/PTFE/NC顆粒燃燒隨時(shí)間變化的熱圖

表5 不同粒度樣品燃燒的輻射面積

Tab.5 Radiation area for combustion of samples with different particle size

由表5可知，相比粉狀Mg-PTFE輻射面積，樣品6~9燃燒時(shí)平均輻射面積分別增大77.1%、63.1%、56.9%、42.9%，平均增大60%，說明粒度大小是影響輻射面積大小的重要因素。另外，隨著粒度的增大，Mg/PTFE/NC顆粒的輻射面積呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)粒度從690.6μm增大到1 048.3μm時(shí)，輻射面積增大了33.32cm2，增大幅度19.3%。這是因?yàn)闃悠奉w粒的粒度越大，單個(gè)顆粒的燃燒持續(xù)時(shí)間就越長(zhǎng)，借助于推力所達(dá)到的高度就越高，輻射面積就越大。

2.2.3 Mg/PTFE/NC樣品粒度對(duì)輻射強(qiáng)度影響規(guī)律

計(jì)算得到的不同粒度Mg/PTFE/NC樣品及0號(hào)樣品的輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化圖，見圖6。

圖6 不同粒度樣品與0號(hào)樣品輻射強(qiáng)度變化圖

表6為不同粒度樣品燃燒時(shí)的輻射強(qiáng)度。

表6 不同粒度樣品燃燒的輻射強(qiáng)度

Tab.6 Radiation intensity of combustion of samples with different particle size

結(jié)合圖6和表6可知，相比粉狀Mg-PTFE藥劑燃燒的平均輻射強(qiáng)度18.60 W?Sr-1，樣品6~9的平均輻射強(qiáng)度分別下降了75.5%、80.4%、80.6%、84.5%，整體的平均降幅高達(dá)80%。而當(dāng)顆粒的粒度逐漸增大時(shí)，平均輻射強(qiáng)度整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)：粒度從690.6μm增大到1 048.3μm，平均輻射強(qiáng)度上升1.67 W?Sr-1，升幅37%，同時(shí)輻射持續(xù)時(shí)間從6.4s 縮短到3.2s。這是由于當(dāng)顆粒粒度增大，顆粒之間的孔隙增大，顆粒間的堆積密度減小，致使顆粒在燃燒時(shí)的燃速增大，單位時(shí)間釋放的熱量更多，造成的熱輻射更大，輻射面積就越大。又由于樣品之間僅為粒度的不同而原料的配比一致，不存在特征輻射的差異，熱輻射更大的顆粒輻射強(qiáng)度更大。因此當(dāng)配方一致時(shí)，顆粒粒度的增大會(huì)導(dǎo)致顆粒輻射溫度和輻射強(qiáng)度的整體增大。

又因?yàn)闃悠窞樗幹紵?，滿足傅里葉方程：

式（3）中：為熱擴(kuò)散率或熱擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1；為導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；為密度，kg·m-3；為比熱容，J·kg-1·K-1。在、不變的情況下，隨著的增大而減小，因此藥柱燃燒的熱擴(kuò)散率降低。而藥柱燃燒過程中影響燃燒時(shí)間的最主要因素就是熱擴(kuò)散系數(shù)，因此樣品的燃燒時(shí)間會(huì)隨著粒度的減小而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）相比粉狀Mg-PTFE藥劑，采用溶劑揮發(fā)法制備的Mg/PTFE/NC顆粒輻射面積增大幅度達(dá)60%，平均輻射強(qiáng)度減小幅度達(dá)80%。（2）Mg/PTFE/NC顆粒燃燒后的輻射面積隨著顆粒粒度的增大而增大，當(dāng)粒度由690.6μm增大到1 048.3μm時(shí)，平均輻射面積增大幅度19.3%。但顆粒的輻射面積受其中Mg-PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的影響不大。（3）Mg/PTFE/NC顆粒燃燒后的輻射強(qiáng)度與顆粒中Mg-PTFE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及顆粒粒度都有關(guān)。當(dāng)Mg-PTFE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由30%增大到70%，輻射強(qiáng)度由2.64W·Sr-1增大到5.62 W·Sr-1；當(dāng)粒度由690.6μm增大到1 048.3μm時(shí)，平均輻射強(qiáng)度由2.89 W·Sr-1增大到4.56 W·Sr-1。

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Study on Infrared Radiation Characteristics of Granular Mg/PTFE/NC Agents

WANG Lei，GUAN Hua，JU Jian

(Nanjing University of Science and Technology，Nanjing，210094)

In order to improve the radiation area of Mg-PTFE infrared bait agent and reduce the radiation intensity, the Mg/PTFE/NC particle type agent was prepared by solvent evaporation method, to study the infrared radiation performance of the particle agent. The results showed that the radiation area of the granular agent increased by 60% on average and the radiation intensity decreased by 80% compared with the equal-quality powdery agent. When the particle size of granular agent increases from 690.6μm to 1 048.3μm, the average radiation area increases from 139.51cm2to 172.83cm2, and the average radiation intensity is 2.89 W? Sr-1increased to 4.56 W?Sr-1. While the mass fraction of Mg-PTFE in the granules increased, the effect on the radiation area is small, the radiation intensity shows the increase tendency.

Pyrotechnics; Infrared bait; Granules; Radiation area; Radiation intensity

TQ567

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.010

1003-1480（2020）01-0038-05

2019-11-04

王磊（1995 -），男，在讀碩士研究生，主要從事含能材料制備與應(yīng)用研究。