王 冰，马冬晓，陈宗胜，汪家春，时家明



蒽对Pb3O4/Mg/PTFE红外诱饵剂远红外辐射性能的影响

王 冰1,2，马冬晓1，陈宗胜1，汪家春1，时家明1

（1.先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥，230037；2.国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥，230037）

为研究添加蒽（C14H10）对四氧化三铅/聚四氟乙烯/镁粉（Pb3O4/PTFE/Mg）混合诱饵剂效能的影响，设计了6种配方进行试验。首先测试了基础配方和蒽添加量为12%的配方的热分解性能，然后用8~14μm远红外热像仪测量了压制成的药柱样品的燃烧过程，计算出每个样品的燃烧时间、质量燃速、辐射面积、辐射亮度、辐射强度。结果表明：添加蒽后，药剂反应放热峰峰值温度提前；随着蒽添加量的增加，样品质量燃速变小，燃烧时间变长。

红外诱饵剂；燃烧温度；辐射强度；热分解

作为对抗红外制导弹药的主要方式，红外诱饵剂自20世纪60年代以来就被广泛使用[1-2]。传统的镁/聚四氟乙烯红外诱饵剂存在燃烧温度过高、红外辐射不足等缺点，令其难以对抗新型的红外制导弹药，因此，对传统的红外诱饵剂进行改进成了当下研究的热点[3-4]。叶淑琴[5]等以镁/聚四氟乙烯红外诱饵剂为基础配方，用红磷和氧化铜作为添加剂制作成薄膜型诱饵材料，发现该添加剂可使点火温度从520℃下降到390℃，但红外辐射强度有所降低；林红雪[6]等研究发现，添加25%红磷含量及10%~15%氧化铜时，镁/聚四氟乙烯混合药剂燃烧最稳定，燃烧时间大于3s，燃温为800℃左右，辐射强度降低；杜珺等[7]以硝酸钾/镁铝合金混合诱饵剂作为基础配方，试验研究发现添加硼粉能明显提高基础配方的反应温度、燃速和红外辐射；王鹏等[8]发现添加8%钛粉和10%硼粉可以分别把某自燃型红外诱饵剂的反应时间从60s缩短到40s和32s，且这两种比例下诱饵剂的各项指标均达到最大。有机可燃剂燃烧可以产生大量热量，增加红外诱饵剂的温度，根据红外辐射理论，温度越高辐射越大，所以选择蒽作为添加剂，以Pb3O4/PTFE/Mg混合诱饵剂为基础配方，设计6种不同的混合诱饵剂配方，采用模压成型工艺制备了混合配方的药块，通过实验研究蒽对Pb3O4/ PTFE/Mg混合诱饵剂效能的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂： PTFE粉； Pb3O4粉； Mg粉；蒽粉。

仪器：HY-12型压片机，天津天光光学仪器有限公司；电子天平，精度十分之一克，上海奔普仪器有限公司；Infra Tec，VarioCAM HD 875sl热像仪，德国英菲泰克有限公司，光谱范围：7.5~14μm，测量精度：±1.5K or ±1.5%，图像分辨率：1 024×768，帧率：30Hz，数字变焦：最大32倍，模数转换：16位，工作海拔：小于2 000m，标准镜头（焦距30mm，焦点0.72m，IFOV=0.57mrad，FOV=32.4×24.7°）。

1.2 实验过程

1.2.1 制备

实验以镁/四氧化三铅/聚四氟乙烯（Pb3O4/ PTFE/Mg）混合诱饵剂为基础配方，配方中Mg：PTFE：Pb3O4=10:3:7，改变蒽的添加量，设计了6种配方，如表1所示，每种配方制作2个样品，取2个样品实验结果的平均值作为该种配方的实验结果。

表1 样品的成分比例 （%）

Tab.1 Distribution ratio of the samples

每个样品的设计质量都为16g。制作过程为：按照配方比例称取相应质量的药剂，人工混合均匀之后放入圆柱型模具中用压片机进行压片，模具直径为30mm，压片时的压力均为15MPa，每个药块保压20s，然后退模取出药块。由于制作过程会有损耗，制作成的药块会少于16g的设计质量，表2为12个样品的实际质量和高度。

表2 样品的质量和高度

Tab.2 The mass and height of the samples

1.2.2 燃烧试验

图1 实验场景

在户外进行药剂燃烧测试实验，测试时户外温度23℃，实验药剂在红外热像仪正前方8m处，对12个药剂样品按照序号依次进行点燃，用红外热像仪测得药剂的燃烧时间、燃烧温度和辐射面积，实验场景如图1所示。设置8~14μm红外热像仪为实时连拍模式，拍照频率为30帧/s，记录下每个样品燃烧的全过程，然后对图像和数据进行处理。

2 结果与讨论

2.1 蒽对热分解性能的影响

为了研究添加蒽对基础配方热分解性能的影响，取混合均匀的1号（基础配方）和5号（添加12%蒽）配方药剂各5mg，放入SDT-Q600型同步热分析仪分别测试其热分解过程，设置升温速率为20.0℃/min，测试氛围为空气氛围，流速为100.0 mL/min，测试所得的TG-DSC曲线如图2~3所示。对比图2~3的TG-DSC曲线，可知反应物的融化分解温度基本不变，320℃左右聚四氟乙烯融化，500℃左右聚四氟乙烯分解为四氟乙烯，650℃左右镁融化；然而添加蒽后，从200~280℃出现失重，这应该是蒽的融化汽化过程，276.3℃处的小放热峰是测试样品表面的部分蒽发生氧化反应放热。

图2 基础配方的TG-DSC曲线

图3中821.3℃处出现很大的放热峰（由于该峰过高，采用break的方式显示该峰，其坐标是正常的），该峰处TG曲线急速上升，说明该峰为主反应放热峰，发生了蒽和氧气、混合诱饵剂中的可燃剂与氧化剂、混合诱饵剂中的可燃剂和氛围中的氧气等反应，比基础配方的主反应放热峰峰值温度（888.9℃）提前67.6℃；图3在871.8℃和1 062.3℃分别有2个小放热峰，且TG曲线变化平缓，是药剂样品中的主要反应进行过后，过量的镁粉和局部的氧气进行反应产生的。

图3 蒽添加量为12%的TG-DSC曲线

2.2 氧化剂和还原剂比例对药剂燃烧特性的影响

试验完成后用配套的IRBIS3软件对红外热像仪所拍摄的图像进行处理，得出12个样品的燃烧温度、燃烧时间和质量燃速，如表3所示。

表3 样品的燃烧时间、温度和燃速

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

图4 样品反应温度图

6种配方的反应温度如图4所示，由图4可知随着蒽的添加比例升高，样品的反应温度先升高再降低，蒽的添加量为3%（2号）时达到最大值，而添加蒽的样品反应温度都高于未添加蒽的1号样品。混合药剂的化学反应为[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号基础配方中Mg粉过量，蒽的添加方式为等质量地替换基础配方，因为基础配方的成分比例不变，且添加的蒽跟基础配方不反应，所以不论蒽的添加量如何变化，Mg都一直过量，即始终可以使Pb3O4和PTFE完全反应。基础配方中过量的镁粉与空气中的氧气发生的反应（3）产生热量，蒽与空气中的氧气发生的反应（4）放热，其反应质量比分别为1∶0.67和1∶2.97，说明相同质量的蒽消耗氧气量是镁消耗氧气量的4.5倍。假设反应空间氧气充足，经理论计算发现相同质量的蒽完全反应产生热量是相同质量基础配方的2.95倍。2号样品中质量比为3%的基础配方被蒽替换，所以2号样品产生的热量更多，温度也相应升高。然而继续增加蒽的替换量反应温度却减小，其原因可能是反应核心空间的氧气被消耗完，且反应时间极短，来不及补充，氧气的缺乏导致部分基础配方中过量的镁和蒽没有反应或者反应不充分，从而使温度降低。图5为6种配方的燃烧时间和质量燃速。

图5 样品反应时间和质量燃速图

由图5可知1号到6号配方的样品质量燃速不断减小，这主要是因为样品燃烧速度和导温系数有关[10]，导温系数越大，热量传导地越快。样品的燃烧是粒状扩散燃烧，属于层状燃烧[11]，燃烧的第1步是反应物由固态融化气化变为可反应的状态，这也是最重要的一步，热量传导越快，未反应区越快地过渡为反应区，反应进程就越快。可采用最简单的模型计算镁/聚四氟乙烯/四氧化三铅药剂的导热系数[9,12]，即把这4种物质的混合物看作沿热流传递方向串联排列，其导热系数：

=Pb3O4PTFEMgC14H10/(Pb3O4PTFEMgC14H10

+PTFEPb3O4MgC14H10+MgPTFEPb3O4C14H10

+C14H10PTFEPb3O4Mg) （5）

其比热容：

=Pb3O4Pb3O4+PTFEPTFE+MgMg+C14H10C14H10（6）

式（5）~（6）中：为体积分数；为质量分数；导温系数=/（），镁、四氧化三铅和聚四氟乙烯的热物理系数[13]如表4所示。

表4 材料的物理性质

Tab.4 Physical properties of the materials

图6 样品导温系数

图6为6种配方样品的导温系数。由图6可知，样品的导温系数随着蒽的添加比例的升高不断减小，所以1号到6号配方样品的燃速不断减小。

2.3 氧化剂和还原剂的比例对红外辐射特性的影响

用热像仪配套的IRBIS3软件选取12个样品燃烧最剧烈时刻的红外热像图，如图7所示，并计算图像中大于400℃范围的辐射亮度（）和辐射面积（），根据=·，计算样品的辐射强度。计算结果见表5。

表5 样品的辐射特性

Tab.5 Radiation characteristics of the samples

图7 样品红外热像图

样品辐射特性如图8所示，由图8可知，随着蒽的添加量增加，样品的辐射亮度和辐射强度先增大后减小。在8~14μm波段，添加蒽的样品的辐射亮度都大于未添加的样品，证明添加蒽对基础配方的辐射亮度有提升作用，且添加比例为3%（2号配方）时辐射亮度达到最大，提升效果最好，继续增大蒽的添加量辐射亮度值开始逐渐减小。辐射强度的变化趋势和辐射亮度一致，在8~14μm波段，当蒽的添加比例在9%（4号）以内辐射强度大于1号基础配方，且添加比例为6%时辐射强度达到最大。

图8 样品辐射特性

根据红外辐射的特性，对红外辐射影响较大的是固体状态和液体状态的物质，因为它们在高温的时候能产生连续的光谱[10]，同时反应温度也是影响辐射的重要因素，温度越高辐射越大。由反应方程可知产物中主要的辐射源为Pb、C、MgF2等，其中C的辐射率达到0.8[14]，辐射作用最明显。在实际燃烧反应空间存在氧气，会和过量的Mg反应生成MgO，Mg不足时还能将反应产物氧化。蒽与空气中的氧气反应，完全反应时的产物是CO2气体和H2O，如果氧气不充足时会生成CO或CO2气体和H2O。1号基础配方可能还不能将反应空间中的氧气消耗完，C等生成物可能会被氧化，生成CO或CO2气体，极大降低辐射，2号配方添加了3%（替换等质量的基础配方）的蒽，耗氧量增加，更好地保护了产物中的C不被氧化，同时蒽的燃烧可能会存在不完全的情况而额外再生成C，这两方面都使生成物中C的量可能变多，增加辐射源，而且2号反应温度升高，所以辐射亮度变大。继续增加蒽的添加量到6%，耗氧量继续增加，反应核心空间的氧气可能不足，外部氧气来不及补充进来，导致部分蒽和过量镁粉没有反应，反应总的辐射源比2号配方少，辐射亮度比2号配方降低。同理，继续增加蒽的量，亮度继续减少。

辐射强度的变化主要受辐射亮度和辐射面积影响，蒽燃烧产生了大量CO2气体，导致燃烧产物扩散范围更大，即辐射面积增大，同时亮度增大，所以2号配方样品辐射强度变大；而3号配方样品反应核心空间的氧气不足，这时反应不充分的蒽增多，生成CO或CO2气体，生成CO气体的耗氧量小于CO2气体，所以3号配方样品产生的气体量多于2号配方样品，更有利于分散样品燃烧时的火焰和生成的C等固态生成物，使辐射面积增大，虽然辐射亮度减小，但辐射强度还是增大。随着蒽添加量的继续增加辐射亮度减小，且更多反应物没有反应造成产物中气体固体物质减少，导致辐射面积减小，辐射强度为减小趋势。

3 结论

研究了添加蒽对四氧化三铅/聚四氟乙烯/镁粉混合诱饵剂效能的影响，通过对12个样品的实验数据分析，得出以下结论：（1）随着蒽添加的比例升高，燃烧温度先增加后减小，添加蒽的样品反应温度均高于未添加的基础配方；并且质量燃速变小，燃烧时间变长；（2）研究发现蒽添加比例为3%的样品的远红外辐射亮度最大，添加比例为6%的样品的远红外辐射强度最大，添加比例为15%以内对基础配方的辐射亮度都有提升作用，在9%以内才对辐射强度有提升。综合反应数据，选择3号样品即蒽的添加比例为6%的配方作为Mg/Pb3O4/PTFE红外诱饵剂的改进配方。该配方作用时间比基础配方延长0.47s，红外辐射也均有提升。

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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，硕士研究生，主要从事红外对抗研究。

“十三五”预研项目（批准号：HJJ2017-0671）。