降低鎂/聚四氟乙烯類藥劑紫外輻射的試驗研究

宋東明，關(guān) 華，郜 永，劉 杰，劉 輝

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降低鎂/聚四氟乙烯類藥劑紫外輻射的試驗研究

宋東明，關(guān) 華，郜 永，劉 杰，劉 輝

（南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京，210094）

為降低傳統(tǒng)鎂/聚四氟乙烯紅外誘餌的紫外輻照度，采用改變鎂粉含量、添加碳酸氫鈉降溫劑以及使用六亞甲基四胺代替部分鎂粉等方法，以降低藥劑燃燒溫度。結(jié)果表明，在不引入新組分的前提下，降低鎂粉含量可以有效抑制紫外輻射的產(chǎn)生；引入新組分時，紫外輻射的產(chǎn)生并非僅僅與燃燒溫度有關(guān)，新組分本身在火焰中的行為對其影響更大。

紅外誘餌；燃燒溫度；紫外輻射；鎂粉

飛機(jī)尾流的主要成分是CO2與H2O，其輻射能量主要分布在紅外波段，而紫外波段基本無能量輸出。傳統(tǒng)紅外誘餌主要由鎂粉和聚四氟乙烯組成，其燃燒產(chǎn)物主要是CO2和高溫固態(tài)粒子[1-2]，紫外輻射遠(yuǎn)高于飛機(jī)[3]。當(dāng)飛機(jī)和誘餌同時出現(xiàn)在紫外探測器視場中時，目標(biāo)呈現(xiàn)暗斑，產(chǎn)生負(fù)脈沖，而誘餌則顯示亮點，產(chǎn)生正脈沖，對正負(fù)脈沖的分辨使得誘餌被輕易識別而失去干擾作用[4-5]。目前對此類低紫外輻射誘餌的研究多集中在理論探討和戰(zhàn)術(shù)使用上，而對于藥劑的研究則鮮有涉及[6-7]。

根據(jù)維恩位移定律，在一定溫度下，絕對黑體的溫度與輻射本領(lǐng)最大值對應(yīng)波長的乘積為一常數(shù)。因此，隨著燃燒溫度的降低，藥劑紫外波段能量輸出亦將隨之減弱。本文以傳統(tǒng)鎂/聚四氟乙烯（Mg/PTFE）紅外誘餌為基礎(chǔ)，采用直接改變鎂粉含量、以六亞甲基四胺代替部分鎂粉以及加入碳酸氫鈉等3種方法，探索了降低藥劑紫外能量輸出的途徑，以期為低紫外輻照度誘餌的研究提供借鑒。

1 實驗

1.1 儀器與材料

儀器：SC7000型紅外熱像儀（美國FLIR公司）；紫外光源輻照標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)（北京師范大學(xué)光電儀器廠）；四柱式壓機(jī)（合肥海德數(shù)控液壓設(shè)備有限公司）。材料：聚四氟乙烯（PTFE），鎂粉，六亞甲基四胺，碳酸氫鈉，均為市售。

1.2 樣品制備

經(jīng)稱量、混藥后，壓制成藥柱。藥柱直徑均為Φ18mm，高27mm，裝藥量10g，由點火藥、過渡藥和基本藥組成。

1.3 樣品測試

測試系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 燃燒溫度及紫外輻射照度測試示意圖

使用紅外熱像儀記錄藥柱燃燒時火焰的熱圖像，給出燃燒溫度隨時間的變化曲線（——曲線）。使用紫外光源輻照標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)給出在藥柱燃燒時間內(nèi)4個波長通道的紫外輻照度曲線。各通道波長范圍見表1。

表1 各通道對應(yīng)波長范圍及峰值波長

Tab.1 Range and peak wavelength of four channels

2 典型紅外誘餌燃燒溫度及其紫外輻照度

以典型Mg/PTFE紅外誘餌為例。圖2為典型紅外誘餌燃燒熱圖及——曲線，由圖2可知藥柱穩(wěn)定燃燒時，溫度為1 720℃。

圖3為典型紅外誘餌在各通道的紫外輻照度隨時間的變化曲線。由圖3可知，典型紅外誘餌啟動瞬間會產(chǎn)生強烈紫外信號，進(jìn)入平穩(wěn)燃燒階段時，254通道和297通道的紫外輻照度均較小，可以忽略不計。365通道和420通道的紫外輻照度卻非常強，而這兩個通道正處于雙色導(dǎo)引頭所使用的波長范圍。

圖2 典型紅外誘餌燃燒熱圖及T——t曲線

圖3 典型紅外誘餌各通道紫外輻照度曲線

3 改變鎂粉含量對藥劑紫外輻射的影響

鎂在配方中的含量不僅與火焰溫度密切相關(guān)，而且直接決定著火焰中輻射源的濃度。設(shè)計了如表2所示的4種配方，其燃燒溫度亦見表2。

表2 不同Mg含量時藥劑燃燒溫度

Tab.2 Combustion temperature of pyrotechnics with different content of magnesium

由表2可知，當(dāng)鎂粉含量從30%增加到50%時，藥柱燃燒溫度隨鎂含量的增加而迅速增加；當(dāng)鎂含量進(jìn)一步增加到60%時，燃燒溫度仍在增加，但幅度已大大縮小。圖4為不同Mg含量時藥劑燃燒時，各波段紫外輻照度隨時間的變化曲線。

由圖4可知，除點火瞬間點火藥產(chǎn)生的輻射外，4種藥劑在254通道、297通道以及365通道的紫外輻照度均較小，但420通道測得的紫外輻照度卻非常強，且隨著鎂含量增加，各藥劑的紫外輻照度也有明顯的增強。因此，降低藥劑中鎂的含量可以同時降低紫外輻照度和燃燒溫度。

圖4 不同Mg含量藥劑各通道紫外輻照度曲線

4 NaHCO3的加入對藥劑紫外輻射的影響

NaHCO3是煙火藥中常見降溫劑。以表2中3#為基礎(chǔ)配方，在其配方中分別外加3%、5%、10%、15%的NaHCO3，其燃燒溫度見表3。

表3 不同NaHCO3含量時藥劑燃燒溫度

Tab.3 Combustion temperature of pyrotechnics with different content of sodium bicarbonate

由表3可知，當(dāng)NaHCO3外加量較低時，藥柱燃燒溫度下降很少，當(dāng)其外加量增加到10%以上時，燃燒溫度才會有明顯下降，外加量達(dá)到15%時，燃燒溫度的下降幅度與鎂含量減少10%相當(dāng)。圖5為不同NaHCO3含量的藥劑燃燒時，各波段紫外輻照度隨時間的變化曲線。

圖5 不同NaHCO3含量時藥劑各通道紫外輻照度曲線

由圖5可知，254通道各配方紫外輻照度均與背景值相當(dāng)；297通道和365通道紫外輻照度從大到小依次為9#＞12#＞11#＞10#＞3#，NaHCO3的加入使得藥劑紫外輻射呈現(xiàn)先減弱后增強的趨勢，但輻照度均高于基礎(chǔ)配方； 420通道紫外輻照度從大到小依次為3#＞9#＞12#≈10#≈11#，基礎(chǔ)配方的紫外輻射遠(yuǎn)高于加入NaHCO3的藥劑。由此可見，NaHCO3的引入使得火焰成分不再是原有體系中相對簡單的幾種燃燒產(chǎn)物，不僅鈉原子在火焰中會發(fā)射出不同波長的線光譜，NaHCO3分解過程中可能存在的各種基團(tuán)也使得光輻射的產(chǎn)生更為復(fù)雜。因此，NaHCO3的加入雖然降低了藥劑燃燒溫度，但是藥劑紫外輻射的降低并不僅僅是降低體系燃燒溫度就可以做到的。

5 六亞甲基四胺的加入對藥劑紫外輻射的影響

NaHCO3屬于堿金屬無機(jī)鹽，它的引入使得光輻射的產(chǎn)生更為復(fù)雜，本文嘗試在基本配方中引入六亞甲基四胺，以有機(jī)可燃劑代替部分鎂粉。以表2中3#為基礎(chǔ)配方，在其配方中分別外加8%、10%、15%和20%的六亞甲基四胺，其燃燒溫度見表4。

表4 不同六亞甲基四胺含量時藥劑燃燒溫度

Tab.4 Combustion temperature of pyrotechnics with different content of hexamethylene tetramine

由表4可知，除8#配方無法點燃外，隨著六亞甲基四胺含量的增加，藥劑燃燒溫度逐漸降低。圖6為不同六亞甲基四胺含量的藥劑燃燒時，各波段紫外輻照度隨時間的變化曲線。254通道紫外輻照度從大到小依次為6#＞7#＞5#≈3#；在297通道和365通道，紫外輻照度從大到小依次為5#＞6#＞7#＞3#；在420通道，含六亞甲基四胺的藥劑均大大低于基本配方。由于六亞甲基四胺在分解過程中會生成CO和游離的OH-，而CO在230nm處、OH-在300nm處均有較強的紫外輻射譜帶，導(dǎo)致前3個通道的紫外輻照度均大于基本配方，但其絕對值依然與背景值處于同一數(shù)量級。因此，以六亞甲基四胺代替部分鎂粉，可以有效抑制Mg/ PTFE體系紫外輻射的產(chǎn)生。

圖6 不同六亞甲基四胺含量時藥劑各通道紫外輻照度曲線

6 結(jié)論

（1）在不加入新組分的前提下，降低鎂/聚四氟乙烯體系中鎂粉含量，不但可以降低燃燒溫度，而且可以有效降低整個紫外波段的輻照度；

（2）在鎂/聚四氟乙烯體系中加入NaHCO3作為降溫劑，燃燒溫度隨著NaHCO3含量的增加而降低，但各通道紫外輻照度卻變化不一，說明紫外輻射不僅僅與燃燒溫度有關(guān)，新組分的引入可能使光輻射的產(chǎn)生更為復(fù)雜；

（3）在鎂/聚四氟乙烯體系中，使用六亞甲基四胺代替部分鎂粉作為可燃劑，能夠有效降低燃燒溫度，同時抑制了Mg/ PTFE體系紫外輻射的產(chǎn)生。

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Research on Reducing Ultraviolet Radiation of Magnesium/Teflon Infrared Decoy

SONG Dong-ming, GUAN Hua, GAO Yong, LIU Jie, LIU Hui

(College of Chemistry Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing，210094)

To reduce the ultraviolet radiation of conventional infrared decoy magnesium/Teflon pyrotechnics, several methods such as changing the content of magnesium directly, adding sodium bicarbonate as cooling agent and mixing hexamethylenetetramine to replace part of magnesium were proposed, which aimed to lower the combustion temperature of the powders. The results showed that, without additional components, ultraviolet radiation could be suppressed effectively by decreasing magnesium content. While adding new material to the formula, the production of ultraviolet radiation depended more on its own behavior in fire.

Infrared decoy；Combustion temperature；Ultraviolet radiation；Magnesium

1003-1480（2016）05-0042-04

TQ567.5

A

2016-05-27

宋東明（1971- ），男，講師，主要從事軍事化學(xué)與煙火技術(shù)方面的研究。

預(yù)研基金資助項目（9140A05070314BQ02076）