鳞片石墨粒子红外消光性能数值计算

缪云坤，刘海锋，刘清海，黎守云



鳞片石墨粒子红外消光性能数值计算

缪云坤1，刘海锋1，刘清海1，黎守云2

（1.防化研究院，北京 102205；2.防化军代局驻西宁地区军代室，青海 西宁 810700）

利用离散偶极子近似（DDA）方法计算了圆形鳞片石墨粒子对中远红外消光性能与波长、圆片直径和厚度等的关系，结果表明，片径3～4mm的圆形鳞片石墨粒子（厚度为直径的1/10）对中远红外的消光性能较好，散射作用大于吸收作用，圆片粒子的消光性能明显好于对应有效半径的球形粒子的消光性能，圆片厚度越薄，消光系数越大，并逐渐趋于最大值。

鳞片石墨；红外消光性能；离散偶极子近似（DDA）

0 引言

现代战场上，烟幕是对抗敌方光电侦察观瞄和制导武器的有效手段，其作用原理是电磁波由于烟幕粒子的散射和吸收作用被衰减，干扰工作在该波段光电设备的正常工作。烟幕粒子散射和吸收作用的大小反映了烟幕的干扰性能，通常按球形粒子采用米氏理论对烟幕的消光性能进行理论估算，由于实际烟幕粒子形状往往不是球形的，计算结果会产生较大的误差。离散偶极子近似（DDA）方法是近些年发展起来的可以计算任何形状粒子及其凝聚体消光性能的计算方法，国内一些学者采用DDA方法开展了相关研究工作[1-13]。

鳞片石墨是一种有效的红外干扰烟幕材料[14]，本文采用DDA方法对鳞片石墨粒子的红外消光性能进行了数值计算，为鳞片石墨烟幕材料的消光原理和应用研究提供理论指导。

1 离散偶极子近似（DDA）方法

DDA方法原则上可以计算任意形状的单个粒子或多个粒子凝聚体对电磁波的散射性能，该方法由Purcell和Pennypacker[15]1973年首先提出，Draine和Goodman[16-19]等进行了发展和完善，West等[20]进一步扩展到各向异性、不均匀和分形粒子，Draine与Flatau编制了DDA计算Fortran开源程序，目前版本为DDSCAT 7.3[21]。

DDA方法是把粒子分割成有限个离散、相互作用的偶极子，粒子对入射电磁场的作用是单个偶极子相互作用累加的结果。粒子大小用有效半径eff来描述，它等于同体积球形粒子的半径：

式中：为粒子体积；为偶极子个数；为偶极子大小。

DDA方法可以计算粒子的散射、吸收和消光效率因子（s、a、e）等，质量消光系数＝3e/(4eff)，为粒子材料的密度，是表征粒子消光性能的重要参数。

利用DDA方法计算粒子消光性能时要注意离散偶极子数量应满足以下条件：

式中：eff为粒径参数，eff＝(2p/)eff，为入射波长；为粒子材料的复折射率。

2 数值计算结果与分析

利用DDA方法计算鳞片石墨粒子对红外辐射的消光性能，鳞片石墨的几何形状可近似为圆片形，计算时选择针对各向异性材料的粒子几何形状参数UNIAXICYL，复折射率取自Draine[22]（2003），选择2个入射波极化方向，取其平均值作为计算结果，通过选择粒子旋转参数计算粒子所有空间取向平均的消光性能。

2.1 消光性能与入射波长的关系

计算直径5mm、厚0.5mm的石墨圆片粒子对中远红外辐射的消光性能，结果如图1所示。从图中可以看出，散射作用大于吸收作用，消光系数随波长增长缓慢增加。

2.2 消光性能与石墨圆片直径的关系

计算不同直径的石墨圆片粒子（厚度取直径的1/10）对4mm和10mm红外辐射的消光性能，结果如图2和图3，对应有效粒径的球形粒子的消光系数如图4。从图中可以看出，消光效率因子随直径增加迅速增加，随后基本保持不变。片径1～2mm的粒子对4mm红外辐射的消光系数最大，片径3～4mm的粒子对10mm红外辐射的消光系数最大，综合考虑对中远红外辐射的消光性能，片径3～4mm的粒子对中远红外的消光性能较好。圆片粒子的消光性能明显好于对应有效粒径的球形粒子的消光性能。片径大于3mm时，对10mm红外辐射的散射作用大于吸收作用，片径大于1.5mm时，对4mm红外辐射的散射作用大于吸收作用。

图1 效率因子和消光系数与波长的关系曲线

2.3 消光性能与石墨圆片厚度的关系

计算不同厚度直径为5mm石墨圆片粒子对4mm和10mm红外辐射的消光性能，结果如图5和图6。

图2 消光效率因子与石墨圆片直径的关系曲线

Fig.2 Relationship between extinction(scattering, absorption) efficiency factor and diameter of round graphite flake

从图中可以看出，随着圆片厚度变薄，消光系数增加，并逐渐趋于最大值。厚度大于0.15mm时，散射作用大于吸收作用。

3 结论

本文采用离散偶极子近似（DDA）方法计算了圆形鳞片石墨粒子对红外辐射的消光性能，结果表明：①片径3～4mm的圆形鳞片石墨粒子（厚度为直径的1/10）对中远红外的消光性能较好，散射作用大于吸收作用；②圆形鳞片石墨粒子的消光性能明显好于对应有效半径的球形粒子的消光性能；③圆片厚度越薄，消光系数越大，并逐渐趋于最大值。

图3 消光系数与石墨圆片直径的关系曲线

图4 对应有效半径的球形粒子的消光系数

图5 消光效率因子与石墨圆片厚度的关系曲线

图6 消光系数与石墨圆片厚度的关系曲线

Fig.6 Relationship between extinction coefficient and thickness of round graphite flake

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Numerical Calculation of Infrared Extinction Performances of Graphite Flakes

MIAO Yun-kun1，LIU Hai-feng1，LIU Qing-hai1，LI Shou-yun2

（1.，102205，； 2.，810700，）

The infrared extinction performances of round graphite flakes are calculated with discrete dipole approximation（DDA）method. Results show that the round flakes with diameter of 3-4 micrometers and thickness of one-tenth of diameter have better extinction performances in the middle and far infrared wavelengths，and that the extinction is mainly due to scattering. The round flakes have better extinction performances than spheres with the same effective radius. The thinner the thickness of round flakes，the bigger the extinction coefficient，and it will tend gradually to the maximum.

graphite flakes，infrared extinction performances，discrete dipole approximation（DDA）

O436.2

A

1001-8891(2015)03-0190-03

2014-10-24；

2014-12-17.

缪云坤（1963-），男，江苏张家港人，研究员，硕士，主要从事发烟剂及发烟装备的研究。