一種燃燒型干擾劑的設(shè)計及其多頻譜消光性能研究?

江 飛 謝 強 劉 威 何 杰 劉震宇 王澤清 陳厚和 徐 銘

南京理工大學(xué)化工學(xué)院(江蘇南京，210094)

引言

煙幕是由發(fā)煙劑形成的人工氣溶膠，對光具有吸收和散射的作用，能夠干擾光電觀瞄器材和光電制導(dǎo)武器。 然而，隨著第三代激光制導(dǎo)武器系統(tǒng)的發(fā)展，目前的單一波段的干擾劑已無法滿足戰(zhàn)場的需求[1-2]。 燃燒型紅外干擾劑形成的煙幕分散均勻、懸浮時間長，具有廣泛的裝填適用性。 因此，世界各國一直致力于燃燒型多頻譜干擾劑的研究[3-4]。

德國專利DE199140953 中介紹了一種發(fā)煙劑，在傳統(tǒng)發(fā)煙劑中加入磷或磷的硫化物及包覆后的碳纖維偶極子，可用于干擾可見光、紅外光、毫米波多個波段[5]。 美國專利 USP6726964 中介紹了一種采用超聲波法將金屬沉積在聚合物微粒表面的多頻譜干擾材料，其干擾波段為1～10 mm；選用的微粒材料以碳纖維、石墨等碳基材料為主。目前，國內(nèi)有關(guān)同時干擾可見光、紅外光(1～3 μm、3～5 μm、8～14 μm 波段)和波長1.06、10.60 μm激光的燃燒型多頻譜干擾劑的研究較少，而且大多都是有關(guān)紅磷煙幕的相關(guān)研究[6]。王玄玉等[7]研究紅磷煙幕的成煙過程與遮蔽特性發(fā)現(xiàn)，紅磷煙幕對波長10.60 μm激光的消光作用以吸收效應(yīng)為主，隨著煙幕濃度的增加，煙幕的質(zhì)量消光系數(shù)呈下降趨勢。鄭付興等[8]研究了氧化劑對紅磷煙幕抗10.60 μm 激光性能的影響，結(jié)果表明，硝酸鍶更適合作為紅磷煙幕的氧化劑。

紅磷安定性差，且著火點低，遇氯酸鉀、高錳酸鉀等氧化劑時可引起爆炸[9-11]。 因此，為了提高干擾劑安全性能的同時實現(xiàn)多頻譜干擾，基于鋁熱燃燒反應(yīng)裂解富碳化合物設(shè)計了一種干擾劑。 結(jié)合理論計算和實驗獲得了優(yōu)選配方，并進(jìn)行了干擾劑對可見光、紅外光(1 ～3 μm、 3 ～5 μm、8 ～14 μm 波段)和激光(波長1.06、10.60 μm)的干擾性能測試。

1 燃燒型多頻譜干擾劑配方的設(shè)計

1.1 干擾劑配方的設(shè)計

燃燒型多頻譜干擾劑應(yīng)具有一定的燃燒速度，能形成均勻、連續(xù)的煙幕并持續(xù)一定時間。 基于鋁熱劑，利用鋁熱燃燒反應(yīng)裂解富碳化合物，產(chǎn)生大量無毒、無腐蝕的炭黑等物質(zhì)，借助燃燒產(chǎn)物的消光性能實現(xiàn)遮蔽干擾。 選擇富碳化合物A 作為主要成煙物質(zhì)，常用的可燃劑有 Mg 和 Al。 表1、表2 列舉了Mg、Al 與一些常用氧化物氧化劑的反應(yīng)熱。

表1 Mg 與常用氧化劑的反應(yīng)熱(以1 mol Mg 計)Tab.1 Heat of reaction between Mg and oxidants in common use (calculated by 1mol Mg) kJ/mol

表2 Al 與常用氧化劑的反應(yīng)熱(以1mol Al 計)Tab.2 Heat of reaction between Al and oxidants in common use (calculated by 1mol Al) kJ/mol

1.2 理想配比的計算

根據(jù)炭黑的產(chǎn)生機理，反應(yīng)必須在負(fù)氧平衡條件下進(jìn)行，且必須提供1 000 K 以上的炭黑生成溫度的過熱體系[12]。 因此，理論上體系中的富碳化合物越多，能裂解產(chǎn)生的炭黑粒子也更多。

下面以Mg 與TiO2為例，計算體系中理論富碳化合物A 的最大質(zhì)量。

Mg、TiO2、富碳化合物 A 各組分質(zhì)量分別為m1、m2、m3，共計 1 000 g。

當(dāng)Mg、TiO2完全反應(yīng)放出的熱量恰好能使富碳化合物 A 的溫度上升到1 000 K 時，有

式中：Cp為富碳化合物A 的標(biāo)準(zhǔn)摩爾熱容，為201.2 J/(mol·K)；為 Mg 與 TiO2的 反 應(yīng) 熱， 為-134.725 kJ/mol。

計算得富碳化合物A 的最大質(zhì)量為810.1 g。同理，可計算出不同可燃劑與各種氧化劑體系中富碳化合物A 的最大質(zhì)量，如表3 所示。

表3 富碳化合物A 的最大質(zhì)量計算值Tab.3 Calculated value of the maximum amount of carbon-rich compound A g

通過表3 計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Mg、Al 與各氧化劑反應(yīng)的效果相差不大。 原材料市場價格見表4(由麥克林公司提供)。 考慮原材料的經(jīng)濟性，最后選擇Mg 與 MnO2、Fe2O3、Fe3O4、SiO2進(jìn)行實驗測試。

2 燃燒型多頻譜干擾劑配方的優(yōu)化

2.1 實驗藥品及測試設(shè)備

藥品：富碳化合物 A；Fe2O3、Fe3O4、MnO2、SiO2，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；Mg，化學(xué)純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

表4 常用金屬粉及氧化劑的市場價格Tab.4 Market price of metal powders and oxidants in common use

在33.8 m3煙幕箱實驗系統(tǒng)進(jìn)行實驗。 該煙幕箱實驗系統(tǒng)光程4.8 m，配備有可見光透過率測試儀、激光透過率測試儀、紅外光透過率測試儀等，如圖1 所示。

圖1 煙幕箱測試系統(tǒng)圖Fig.1 Test system diagram of smoke screen box

2.2 實驗過程

基于上述計算，設(shè)計了一系列配方，制備成34 g藥柱，在煙幕箱內(nèi)進(jìn)行光的透過率測試。 光的透過率是評價物質(zhì)對電磁波干擾性能的重要指標(biāo)。 透過率越小，表明電磁波在該物質(zhì)中的衰減性能越好。結(jié)果如表 5 所示 。 表 5 中選取了 8 ～14 μm 紅外光和10.60 μm 激光兩個典型波段。

由表5結(jié)果發(fā)現(xiàn)：由于實際反應(yīng)還存在碳裂解等過程，需要消耗能量，實際富碳化合物A的含量不能達(dá)到計算最大值；并且，富碳化合物A的量過高時會出現(xiàn)無法點燃的現(xiàn)象。綜合以上過程，最后選定最優(yōu)配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 為：富碳化合物 A 83.0%，F(xiàn)e2O311.7%，Mg 5.3%。

表5 各配方透過率測試Tab.5 Transmittance test results of each formula

3 實驗結(jié)果與分析

按優(yōu)選配方制成藥柱。 在煙幕箱內(nèi)進(jìn)行干擾劑煙幕對可見光、紅外光(1 ～3、 3 ～5、8 ～14 μm)和激光(1.06、10.60 μm)的干擾性能測試。

3.1 對可見光的干擾性能

圖2 為測試時間內(nèi)干擾劑燃燒產(chǎn)生的煙幕干擾可見光的透過率曲線。 可以看出，點火后，隨著煙幕的形成，可見光的透過率迅速下降至0 附近，且透過率的數(shù)值趨于穩(wěn)定。 可見光處于完全遮蔽狀態(tài)，且有效遮蔽時間大于500 s。 測試結(jié)果表明，該干擾劑具有優(yōu)異的可見光干擾性能。

圖2 可見光的透過率Fig.2 Transmittance test results of visible light

3.2 對中、遠(yuǎn)紅外光的干擾性能

圖3 中遠(yuǎn)紅外光波段的透過率Fig.3 Transmittance test results of mid-to-far infrared band

圖3 為干擾劑燃燒產(chǎn)生的煙幕干擾紅外光不同波段的透過率曲線。 點火后，在鋁熱反應(yīng)產(chǎn)生的高溫作用下，富碳化合物分子裂解、脫氫、聚合和環(huán)化凝聚生成晶核的先驅(qū)物質(zhì)。 然后，在火焰中形成大量的炭黑，由每個獨特的炭黑形成一些炭黑聚集體，這些聚集體有非常大的比表面積和粒徑，這種結(jié)構(gòu)決定了其對紅外輻射產(chǎn)生強烈的吸收作用。 藥柱燃燒過程中，測試系統(tǒng)探測的透過率呈一定的振蕩趨勢。 藥柱燃燒完畢后，開動風(fēng)扇攪拌20 s，使得煙幕在煙幕箱內(nèi)分散均勻，透過率下降至最低。 之后，煙幕在煙幕箱內(nèi)逐漸沉降，透過率隨之逐漸上升。 結(jié)果表明：該干擾劑可使近、中紅外光的透過率衰減至0，具有優(yōu)異的干擾性能，且有效干擾時間大于500 s；對遠(yuǎn)紅外光波段干擾效果雖不如近、中紅外光波段，透過率也能下降至5%左右，干擾性能良好，且有效干擾時間大于300 s。

3.3 對激光的干擾性能

圖4 為干擾劑燃燒產(chǎn)生的煙幕干擾1.06 μm和10.60 μm 激光的透過率曲線。 可以看出，干擾劑對1.06 μm 激光同樣具有很好的干擾性能，隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，激光透過率逐漸減小，煙幕穩(wěn)定后，1.06 μm 激光的透過率小于6%，且有效干擾時間大于300 s。 對10.60 μm 激光也有較好的干擾效果，10.60 μm 激光的透過率在10%左右，且有效干擾時間大于200 s。

圖4 激光的透過率Fig.4 Transmittance test of laser

結(jié)果表明，該干擾劑基本完成了一劑化對可見光、紅外光、激光的多頻譜遮蔽干擾。

3.4 平均質(zhì)量消光系數(shù)

質(zhì)量消光系數(shù)α計算公式[13]為

式中：T為光的透過率；c為煙幕質(zhì)量濃度；L為測試煙幕箱的光程。

測試不同煙幕質(zhì)量濃度條件下的T，通過式(2)計算出α，然后計算出α 的平均值(表6)。

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報道，常規(guī)紅磷煙幕對8 ～14 μm紅外光波段的平均質(zhì)量消光系數(shù)為0.367 m2/g[6]，對10.60 μm 激光的平均質(zhì)量消光系數(shù)為0.574 m2/g[7]。由表6 可知，該干擾劑對1.06 μm激光和10.60 μm 激光的平均質(zhì)量消光系數(shù)分別為0.967m2/g 和0.655 m2/g，干擾性能優(yōu)于常規(guī)紅磷煙幕。

表6 中、遠(yuǎn)紅外光和激光的消光系數(shù)Tab.6 Extinction coefficient of mid infrared light， far infrared light and laser m2/g

4 結(jié)論

基于鋁熱燃燒反應(yīng)裂解富碳化合物產(chǎn)生炭黑等物質(zhì)的原理設(shè)計了燃燒型多頻譜干擾劑的配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：富碳化合物A 83.0%，F(xiàn)e2O311.7%，Mg 5.3%。 通過煙幕箱測試發(fā)現(xiàn)：燃燒產(chǎn)生的煙幕對可見光、1 ～3 μm 和 3 ～5 μm 波段的紅外光、1.06 μm激光可基本實現(xiàn)完全遮蔽；對8 ～14 μm 波段紅外光的平均質(zhì)量消光系數(shù)為0.967 m2/g，對10.60 μm激光的平均質(zhì)量消光系數(shù)為0.655 m2/g。 作為一種新型燃燒型干擾劑，基本實現(xiàn)了一劑干擾多頻譜的設(shè)計目的，有望應(yīng)用于燃燒型煙幕彈藥。