硼粉含量对KNO3/Mg-Al红外诱饵剂燃烧及红外辐射特性的影响

杜 珺， 关 华， 李 捷, 郜 永， 姚文佳

(1. 南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094； 2. 北方华安工业集团有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

1 引 言

红外诱饵剂是一种在燃烧过程中能产生强烈红外辐射的烟火药剂，用于对红外制导、探测及观瞄系统实施诱骗干扰。由于第一代和第二代红外制导导弹的工作波段基本上都在近、中红外波段，因此，与之对抗的红外诱饵药剂主要集中在近、中红外波段。随着远红外成像制导技术的广泛应用，对远红外诱饵剂的研究迫在眉睫[1]。

目前，国内外对红外诱饵剂的研究主要以镁/聚四氟乙烯(Mg/PTFE，MTV)为基本组分，通过调整药剂配方来研究光谱及辐射特性。如，陈明华[2-3]等用10～15 g药柱进行实验，结果显示当Mg/PTFE质量比为50/50时，红外辐射强度最大，3～5 μm/8～14 μm处分别为66.10/5.60 W·sr-1； 而Mg4Al3/PTFE质量比为70/30时药剂的中、远红外辐射强度最大，分别为254.8 W·sr-1和26.33 W·sr-1。Campbell[4-5]利用热塑粘合剂将TSE-MTV频谱效率由E2-3 μm=185 J·g-1·sr-1提高至215～330 J·g-1·sr-1。于志良[6]提出添加选择性辐射体如石墨粉、SiC等可有效提高3～5 μm红外辐射强度。另外，Weiser等[7-8]用以Al/Fe2O3为基础的铝热剂与Sr(NO3)2和含能有机物结合制成诱饵剂，可提高3～5 μm处辐射强度同时降低1～3 μm辐射强度。MTV诱饵剂的光谱比为2～3 μm /3～5 μm=1.33，而真实目标光谱比为0.5≤2～3 μm /3～5 μm≤0.8(随发动机不同而不同)[9]，而且在提高诱饵剂远红外辐射时，3～5 μm的辐射会随之显著提高。

为了满足诱饵剂2～3 μm/3～5 μm光谱比与真实目标相近，研究了以KNO3/Mg-Al 为基础配方的红外诱饵剂，结果显示KNO3/Mg-Al光谱比为2～3 μm /3～5 μm=0.77，同时KNO3/Mg-Al在远红外的辐射比MTV略强。为进一步提高药剂红外辐射，本研究选择在KNO3/Mg-Al诱饵剂中添加具有较强热效应的硼粉(B)，研究不同比例B粉对药剂的质量燃速、燃烧温度和辐射亮度等燃烧及红外辐射特性影响规律，以获得提高诱饵剂远红外辐射强度的合适B比例。

2 提高诱饵剂红外辐射强度的理论分析

红外诱饵剂燃烧时的辐射强度主要取决于质量燃速、燃烧温度和燃烧产物成分，其中红外辐射强度与质量燃速之间的关系[9]为:

(1)

由式(1)可知，红外辐射强度与药剂质量燃速成正比，由于药剂组成基本一致，比辐射能近似相等，因此，比辐射能变化可忽略不计，增加红外诱饵剂的质量燃速可提高辐射强度。

诱饵剂燃烧产生一定温度，其温度与红外辐射一般符合斯蒂芬-玻尔兹曼定律[10]:

M=σT4

(2)

式中，M为辐射出射度，W·m-2；σ为斯蒂芬常数；T为燃烧温度，K。

辐射出射度M定义式为[10]:

(3)

式中，dP是dA向半球空间发射的辐射功率； dA是源面上的小面源；L是辐射亮度，W·m-2·sr-1；θ是与面源的法向夹角； dΩ是θ方向上的小立体角元。

根据式(2)和式(3)可推导出红外辐射亮度与燃烧温度的关系:

(4)

因此，由式(4)可以看出，红外辐射亮度与燃烧温度的四次方成正比，提高燃烧温度可显著提高红外辐射亮度。

辐射强度与辐射亮度存在以下关系[10]:

(5)

式中，ΔA是辐射面积，m2。

测试时样品燃烧面与测试仪器法相垂直，面源充满整个视场且辐射均匀，ΔA在位置、角度上不变，所以，公式(5)可简化为:

I=LΔAcosθ

(6)

由此得出辐射强度与燃烧温度关系为:

(7)

由式(7)可知，辐射强度与燃烧温度的四次方成正比，因此，提高诱饵剂燃烧温度可有效提高诱饵剂红外辐射性能。

3 药剂燃烧及红外辐射特性实验

主要原材料: 硝酸钾(KNO3)，分析纯，西陇化工股份有限公司；镁铝合金粉(Mg-Al)，东北轻合金； 硼(B)，活性B含量为86%～89%； 氟橡胶为晨光氟橡胶FPM2603。

样品制备: 实验采用80目筛下主要成分KNO3/Mg-Al质量配比为58∶29的诱饵剂作为基础配方，分别添加质量比为1%，2%，3%……10% 的B粉，湿混后制成药浆，制成3 cm×3 cm相同质量的箔片，厚度均匀，约为1 mm。

测试仪器设备: 美国Flir公司SC7000型远红外热像仪，光谱响应波段7.7～9.3 μm； 分辨率320×240像素； 温度分辨率<20 mK； 测试镜头25 mm，背景、大气温度12 ℃，室温17 ℃，辐射率设为1。

测试时，将试验样品置于仪器镜头正前方1.1 m试验台，样品燃烧面正对仪器，点燃样品表面点火药后，样品迅速全面呈面源燃烧，测试样品燃烧过程。利用远红外热像仪测试样品燃烧时间、燃烧温度、辐射面积、辐射亮度。

4 实验结果与讨论

4.1 B粉对诱饵剂燃烧特性的影响

图1 硼粉含量对诱饵剂的质量燃速和燃烧温度的影响

Fig.1 Effect of the content of boron powder on the mass burning rate and combustion temperature of the decoy

从图1可见，添加B粉后药剂质量燃速、燃烧温度均显著提高，随着B粉含量的增加燃速逐渐加快，当增加到2%时，燃速由0.394 g·s-1增加到0.564 g·s-1，之后燃速开始减慢； 当B粉含量增加到4%时，燃烧温度从727.71 ℃升高到1046.19 ℃的极值，之后继续增加B粉，燃烧温度逐渐降低，当B粉含量为10%时，燃烧温度为841.12 ℃。诱饵剂中添加B粉后燃速和燃烧温度增加，主要是因为B与KNO3发生氧化还原反应产生大量反应热。

已知B在327 ℃时开始缓慢氧化，477 ℃时B表面的氧化层B2O3开始由固态变为液态，777～1227 ℃时B2O3与B进一步反应生成气态B2O2。其反应式依次为:

4B+3O2→2B2O3+Q1

2B2O3+2B→3B2O2↑+Q2

其中，Q1>0为放热反应，Q2<0为吸热反应[11]。药剂点燃后，B粉受热氧化释放热量，促进了基础配方KNO3/Mg-Al的燃烧，从而同时提高了质量燃速和燃烧温度。但是随B粉含量的进一步增加，促进了B2O3的分解，导致反应吸收的热量增加； 另一方面，Mg-Al合金与B粉存在竞争氧化反应[12]，B粉含量的增加阻碍了Mg-Al合金的氧化还原反应，导致药剂的燃烧反应热减少，因此药剂质量燃速和燃烧温度随着B粉含量的进一步增加呈现下降趋势。

4.2 B粉对诱饵剂红外辐射特性的影响

利用远红外热像仪可测得B粉含量不同时药剂燃烧某一时刻的红外热图如图2所示。

图2 添加不同比例B粉的诱饵剂的红外热图

Fig.2 Infrared thermal images of the decoy with different proportion of boron powder

利用热像仪自带Altair软件沿图2中蓝色(约500 ℃)选择读取数据的范围，直接获得所选范围的辐射亮度和辐射面积，并由此按公式(6)计算辐射强度(由于热像仪记录结果为样品垂直方向辐射特性，因此式中θ=0°)，硼粉添加剂对药剂辐射强度的影响测定及计算结果如表1和图3所示。

从图3可见，随着B粉含量的增加，药剂红外辐射亮度由995.68 W·m-2·sr-1提高到1681.59 W·m-2·sr-1(此时B粉含量为4%)后逐渐降低。4.1结果显示，添加B后，药剂燃烧温度增加，由公式(4)可知药剂辐射亮度主要与燃烧温度有关，因此B粉的加入有效增加了热辐射，另外B粉燃烧可能生成B2O3[11]，从而进一步提高辐射亮度。当B粉含量大于4%时，随着B粉含量的进一步增加可能导致Mg-Al氧化反应受阻，从而反应产生的辐射源减少。因此，随着B粉含量增加辐射亮度先增后减。

表1 硼粉对诱饵剂辐射强度的影响

Table 1 Effect of boron powder on the radiation intensity of the decoy

theproportionofboron/%radiance/W·m-2·sr-1radiatingarea×10-6/m2radiationintensity/W·sr-10995.681099.991.1011284.871284.941.6521484.691289.811.9131500.611301.981.9541681.591572.112.6451639.391216.801.9961446.80717.081.0471360.75713.800.9781325.02705.090.9391309.05639.750.84101223.85580.960.71

图3 硼粉比例对诱饵剂辐射亮度和辐射强度的影响

Fig.3 Effect of the proportion of boron on radiation radiance and radiation intensity of the decoy

同时从图3还可以明显地看出，随着药剂中B粉含量的增加，药剂红外辐射强度由1.10 W·sr-1提高到2.64 W·sr-1后(B粉含量为4%)快速降低，当B粉所占比例大于6%时，药剂辐射强度较未添加B粉的基础配方略低。由公式(6)可知，这主要是因为辐射亮度和辐射面积的影响。相较于辐射亮度，辐射面积变化较大，随着B粉含量的增加辐射面积从1099.99×10-6m2增加到1216.80×10-6m2极值后快速减小。原因是药剂燃烧生成大量固体和液体颗粒，同时B燃烧反应可能生成B2O2气体，增加了反应体系中气体量，从而增大了辐射面积，但随着B粉的进一步增加，B与Mg/Al竞争关系加剧，Mg/Al在燃面附近气相反馈减少，同时氧化生成的MgO、Al2O3等固体辐射源减少，导致辐射面积快速减小[12]。因此，随着B粉含量增加辐射强度先增后减。

5 结 论

(1)添加B粉可有效提高KNO3/Mg-Al诱饵剂的燃烧速度、燃烧温度。当B粉含量为2%时药剂燃烧速度达到极大值0.564 g·s-1，B粉含量为4%时药剂燃烧温度达到极大值1046.19 ℃。

(2)在KNO3/Mg-Al诱饵剂中添加B粉后， B粉含量为4%时药剂辐射亮度和辐射强度均达到极大值，分别为1681.59 W·m-2·sr-1、2.64 W·sr-1。这是由于添加B粉增加了体系中固体组分含量，产生大量燃烧反应热，从而提高了燃烧温度，进而提高了红外辐射。

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