Pb3O4添加量對Mg/PTFE紅外誘餌劑特性的影響

王 冰，陳宗勝，劉 洋，汪家春，時家明

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Pb3O4添加量對Mg/PTFE紅外誘餌劑特性的影響

王 冰，陳宗勝，劉 洋，汪家春，時家明

（國防科技大學脈沖功率激光技術(shù)國家重點實驗室，安徽 合肥，230037）

為研究四氧化三鉛加入傳統(tǒng)的鎂/聚四氟乙烯（Mg/PTFE）紅外誘餌劑后對效能的影響，設(shè)計了11種配方并壓制成藥柱樣品。用紅外熱像儀對樣品燃燒過程進行觀測及計算，得到樣品燃燒時間、質(zhì)量燃速、輻射面積、輻射亮度、輻射強度。結(jié)果表明：用四氧化三鉛逐漸替換聚四氟乙烯會使樣品的最高反應(yīng)溫度逐漸降低，四氧化三鉛的質(zhì)量分數(shù)越大，溫度降低越多；隨著四氧化三鉛替換聚四氟乙烯的比例增大，輻射強度先減小后增大再減小，當四氧化三鉛比例為35%時，煙火藥輻射強度最大。

紅外誘餌劑；聚四氟乙烯；四氧化三鉛；輻射強度

隨著紅外制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈對地面目標和紅外誘餌劑的辨識能力不斷提高，傳統(tǒng)的鎂/聚四氟乙烯紅外誘餌劑[1-3]燃燒溫度過高、遠紅外輻射不足等缺點令其無法對抗新型的紅外制導(dǎo)技術(shù)，因此對傳統(tǒng)的紅外誘餌劑進行改進成了當下研究的熱點。林紅雪等[4]采用鎂/聚四氟乙烯紅外誘餌劑為基礎(chǔ)配方，將氧化劑和還原劑分別用紅磷和硫酸鍶替換，發(fā)現(xiàn)替換后可以降低誘餌劑燃燒火焰溫度、提高輻射強度。葉淑琴等[5]在傳統(tǒng)的鎂/聚四氟乙烯誘餌劑中添加氧化銅/紅磷，制成薄膜型箔片，經(jīng)實驗分析發(fā)現(xiàn)添加后點火溫度和燃燒溫度大幅下降，且輻射強度大于1.0W·Sr-1的持續(xù)時間增長。劉廳等[6]等在傳統(tǒng)的鎂/聚四氟乙烯藥劑中添加硼粉，測試了不同質(zhì)量分數(shù)的硼粉對藥劑性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加硼粉能使藥劑性能改善，其中硼粉質(zhì)量分數(shù)為10%時，高溫放熱峰降低128℃。

為了制作出燃燒溫度低、輻射強度大的紅外誘餌劑改進配方，筆者將具有強氧化作用的四氧化三鉛混入傳統(tǒng)紅外誘餌劑中的氧化劑聚四氟乙烯，采用模壓成型工藝制備了混合配方的藥塊，通過實驗研究了不同的四氧化三鉛含量對紅外誘餌藥劑各參數(shù)的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：聚四氟乙烯（PTFE）粉；四氧化三鉛（Pb3O4）粉；鎂（Mg）粉；儀器：HY-12型壓片機，天津天光光學儀器有限公司；十分之一克電子天平，上海奔普儀器有限公司；FLIR SC7700紅外熱像儀：波長范圍3.7~4.8μm，圖像大小640×512像素，精度為±1%，NETD＜25mK，輻射率設(shè)置成1。

1.2 實驗過程

1.2.1 制備

新型誘餌劑配方中氧化劑為聚四氟乙烯和四氧化三鉛的混合物，實驗中保持總氧化劑和還原劑的比例恒為1∶1，改變氧化劑混合物中聚四氟乙烯和四氧化三鉛的比例，制作11個樣品，成分配比見表1。每個樣品的質(zhì)量都為16g。

制作過程為：按照不同的比例稱取相應(yīng)質(zhì)量的藥劑，進行人工混合攪拌，混合均勻之后放入模具中用壓片機進行壓片，模具直徑為40mm，壓片壓力為10 MPa，每個藥柱保壓20s，然后退模取出藥柱。由于制作過程會有損耗，制作成的藥柱會少于16g的設(shè)計質(zhì)量，表2為制作的11個樣品的實際質(zhì)量和高度，圖1為其中的4個樣品。

表1 11個樣品的各成分配比 (%)

Tab.1 Formulation ratio of 11 samples

圖1 4個樣品

表2 樣品的質(zhì)量和高度

Tab.2 The quality and height of samples

1.2.2 燃燒試驗

在戶外進行藥劑燃燒測試，測試時戶外溫度3℃，試驗藥劑在紅外熱像儀正前方10m處，對11個樣品按照序號依次點燃，用紅外熱像儀測得藥柱的燃燒時間、燃燒溫度和輻射面積。燃燒時設(shè)置熱像儀為連拍模式，拍照頻率為25幀/s，對每個藥劑連拍60s，拍照間隔相同，記錄每個樣品燃燒的全過程，然后對圖像和數(shù)據(jù)進行處理。圖2 為實驗時所用紅外熱像儀和樣品燃燒后的殘渣。

圖2 紅外熱像儀和燃燒后的殘渣

2 結(jié)果與討論

2.1 四氧化三鉛加入量對藥柱燃燒特性的影響

2.1.1 對反應(yīng)溫度的影響

試驗完成后用配套的Altair軟件對紅外熱像儀所拍攝的圖像進行處理，得出11個樣品的最大燃燒溫度及降低幅度，見表3，其變化趨勢如圖3所示。

表3 最高溫度及降低幅度表

Tab.3 Maximum temperature and the range of temperature reduction

由圖3可知，加入Pb3O4之后藥劑的最高燃燒溫度明顯降低，從1號樣品到11號樣品，Pb3O4替換聚四氟乙烯的比例逐漸提高，最高燃燒溫度呈逐漸下降的趨勢。

圖3 樣品最大反應(yīng)溫度

1號樣品為傳統(tǒng)的鎂/聚四氟乙烯紅外誘餌劑配方，其燃燒最高溫度達到2 768℃，遠遠超過武器裝備工作時的最高溫度[7]，第11號樣品中氧化劑完全為Pb3O4，其最高反應(yīng)溫度達到最低。紅外誘餌劑的化學反應(yīng)過程為：

2Mg+C2F4→2MgF2+2C+熱量（1 894.54kJ·mol-1）（1）

由方程式可知，Mg與Pb3O4完全反應(yīng)的質(zhì)量比例為96:685，接近1:7，此時產(chǎn)物只有氧化鎂和鉛；鎂與聚四氟乙烯完全反應(yīng)的比例為33∶67，此時反應(yīng)產(chǎn)物里只有C和MgF2，Pb3O4比等質(zhì)量的聚四氟乙烯消耗更少的鎂。1號樣品中，鎂和聚四氟乙烯的比例為1:1，此時鎂是過量的，故理論上聚四氟乙烯中的氟元素可以完全反應(yīng)生成氟化鎂，剩余過量的鎂將與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，因為在戶外氧氣充足，過量的鎂將通過反應(yīng)（3）被完全消耗。而四氧化三鉛相比聚四氟乙烯消耗鎂更少，所以隨著替換比例升高，鎂一直是過量的，反應(yīng)物中的聚四氟乙烯和Pb3O4可以完全反應(yīng)，生成氟化鎂、氧化鎂。從鎂的物質(zhì)的量守恒角度進行分析，3個反應(yīng)消耗1 molMg分別產(chǎn)生947.27kJ，546.03 kJ，736.45kJ熱量[8]，實驗配方中保持了鎂的質(zhì)量比例不變，即鎂的質(zhì)量和摩爾質(zhì)量是不變的，隨著Pb3O4替換聚四氟乙烯的比例升高，反應(yīng)（1）消耗的鎂的摩爾質(zhì)量減少，減少的這部分鎂都被轉(zhuǎn)移到反應(yīng)（2）、（3）中被消耗，而反應(yīng)（2）、（3）消耗相同摩爾質(zhì)量的鎂生成的熱量小于反應(yīng)（1），所以鎂被完全消耗產(chǎn)生的總熱量變小，反應(yīng)最高溫度逐漸降低。

2.1.2 對燃燒時間的影響

利用熱像儀記錄試驗樣品的燃燒過程，計算出11個樣品的燃燒時間，如圖4所示。

圖4 樣品燃燒時間

從圖4可以看出，從1號到4號（Pb3O4的含量由0升高至15%），藥劑燃燒時間逐漸變長，4號達到極大值6.18s；繼續(xù)提高Pb3O4的含量，燃燒時間開始減少，當Pb3O4含量提高到25%時，燃燒時間和1號樣品持平，當Pb3O4含量提高到35%時，燃燒時間最短為2.74s；繼續(xù)增加Pb3O4，燃燒時間不斷增加，當Pb3O4為50%時，達到11個樣品中的最大值8.10s。所以用Pb3O4替換聚四氟乙烯時，當Pb3O4的含量小于等于25%或者在45%~50%時都可以延長燃燒時間。

2.1.3 對質(zhì)量燃速的影響

11個樣品的質(zhì)量燃速如圖5所示。

圖5 樣品質(zhì)量燃速

由圖5可知，1號樣品質(zhì)量燃速為3.36g/s，從1號到5號樣品，質(zhì)量燃速呈降低趨勢，5號樣品達到最小值，之后質(zhì)量燃速開始逐漸變大，到8號樣品時質(zhì)量燃速達到最大值，為5.83g/s，從 8號到11號又逐漸減小。該燃速變化規(guī)律主要是燃燒溫度和反應(yīng)物的變化引起的。從1號到11號樣品反應(yīng)最高溫度不斷降低，燃燒的溫度降低，反應(yīng)活化分子數(shù)減少，有效碰撞減少，反應(yīng)速率變慢，也就是溫度越低反應(yīng)的速率也越低。當反應(yīng)物為四氧化三鉛時，參與反應(yīng)的化學鍵為鉛氧鍵，鍵能為234.3kJ/mol[9]，而當反應(yīng)物為聚四氟乙烯時，參與反應(yīng)的化學鍵為碳氟鍵，鍵能為313.8kJ/mol[9]，化學反應(yīng)發(fā)生時鍵能值低的鍵先斷裂，并引發(fā)一系列后續(xù)反應(yīng)過程，而鍵能高的鍵更穩(wěn)定，更不容易反應(yīng)，所以Pb3O4比聚四氟乙烯和鎂更容易發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)進行的速率也更快。同時，因為Pb3O4比聚四氟乙烯消耗的鎂更少，過量的鎂增多，過量的鎂直接和空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)（3），氧氣的鍵能為12.49 kJ/mol[9]，所以反應(yīng)（3）要比反應(yīng)（1）、（2）更容易發(fā)生，參加反應(yīng)（3）的鎂增多對反應(yīng)速率起提升作用。從1號到5號反應(yīng)的最高溫度不斷降低，導(dǎo)致樣品的燃燒速率降低，同時樣品中四氧化三鉛替換了聚四氟乙烯之后提高了質(zhì)量燃速。由于從1號到5號所含Pb3O4比例不大，參加反應(yīng)（3）的鎂增加的不多，它們對燃速的提升作用小于溫度下降對質(zhì)量燃速的降低作用。所以1號到5號燃速呈減小的趨勢，這個過程溫度下降起主要作用。隨著Pb3O4比例的提高，其對燃速的提升作用迅速增加。從5號到8號，即當溫度在1 771℃以下，Pb3O4比例為20%以上時，由于Pb3O4比例提升和參加反應(yīng)（3）的鎂增加，其對燃速的提升大于溫度降低對燃速的減少作用，且5號以后溫度降低趨勢變緩（如表3所示），溫度對燃速影響繼續(xù)變小，所以這一階段燃速不斷變大，8號樣品燃速達到最大值5.83g/s，此時最高溫度為1 613℃，Pb3O4的比例為35%。

由圖5可知，從9號樣品開始出現(xiàn)燃速又變小的情況，主要是因為反應(yīng)最高溫度已經(jīng)降為1 593℃，隨著溫度降低，所有化學鍵都比高溫更難斷裂，化學反應(yīng)速率變小，溫度降低對反應(yīng)速率的減小作用大于另外兩個因素的提升作用，所以質(zhì)量燃速又開始減小。

2.2 Pb3O4替換聚四氟乙烯對紅外輻射特性的影響

用熱像儀自帶的Altair軟件選取11個樣品燃燒最劇烈時刻的紅外熱像圖，如圖6所示，計算出圖像中大于400℃范圍（藍色與黑色交界處以內(nèi)）的輻射亮度和輻射面積，得到樣品的輻射強度。

圖6 樣品紅外熱像圖

11個樣品的輻射亮度、輻射面積和輻射強度值見表4。圖7為11個樣品的輻射強度最大值。

圖7 樣品輻射強度