氧差对烟火药光辐射强度的影响

欧阳的华，陈 昕，潘功配，朱晨光

（1. 武警工程大学装备运输系，陕西 西安，710086； 2. 南京理工大学化工学院，江苏 南京，210094）

利用含能材料燃烧或爆炸激励强光辐射的性能可以制造光学弹药[1]，而含能材料的配方组成将直接影响到其相关制品光辐射性能的好坏。氧差是决定含能材料各组分之间数量关系的重要依据，不同的氧差将产生不同的燃烧效果[2-5]。目前，国内研究的强光弹药剂主要是以高氯酸钾和铝粉为主，重点研究了影响光辐射强度的主要因素（如材料粒径、微量添加剂）[6-8]，却较少涉及氧差的影响研究[9-10]。本文以典型的Ba(NO3)2/Mg烟火药为对象，在粘合剂含量不变的前提下，改变氧化剂和可燃剂的比例，得到不同氧差配方，测试了氧差对其光辐射强度的影响。

1 试验

1.1 试样的制备

本试验以硝酸钡为氧化剂、镁粉为可燃剂、酚醛树脂为粘合剂，配制了一系列不同氧差的烟火药反应体系，将各组分混合均匀过筛后，压制成密度为1.8g/cm3、直径为18mm的药柱（5g），每个配方各5发（试验数据取其平均值），每发外围裹上3圈医用胶布，装于壳体中用于试验，试验时采用引线进行点火。

1.2 试验方法

所用的测试仪器为西安应用光学研究所研制的SGX-100型闪光有效光强测定仪（包括探测器、前置放大器、AD转换器、数据缓冲器、计算机等）及IGA-140非接触式红外测温仪（德国IMPAC公司）。把制备好的样品分别在测光塔中点燃，同时使用瞬态光强测试仪和红外测温仪记录试验数据，测试距离为1.3m。

2 结果与分析

在相同的测试条件下，不同氧差的烟火药燃烧时火焰辐射的可见光光强（I）、燃烧温度以及燃烧速度的测试结果如表1所示。

表1 不同氧差烟火药的测试结果Tab.1 The test result of composition with different oxygen balance

根据表1中的数据，做出不同氧差与可见光光强的关系曲线，如图1所示。

由图1可知，随着氧差绝对值的增加，可见光平均光强逐渐增大，当增大到一定程度时（氧差为-24g）开始下降。这主要是因为在常压环境下，当将硝酸钡、镁粉、酚醛树脂烟火药设计成负氧差时，由于镁粉的熔点（650℃）和沸点（1 105℃）均较低，在高温下易汽化并与空气中的氧气形成二次燃烧，使药剂具有更高的燃烧热效应，进而可获得最佳的发光效率。

图1 I与氧差的关系曲线Fig.1 Relation curve of I and oxygen balance

然而空气中的氧是有限的，当所设计的烟火药的负氧差达到一定的程度时，带有负氧差的烟火药中多余的镁不仅失去了二次燃烧的特性，而且还将吸收周围的热量，从而使该体系的燃烧热值和发光效率大幅度降低，这也可由表1中的燃烧温度和平均线性燃速的总体变化趋势得到验证。

此外，氧差的改变会影响到凝聚相内的样品的热分解物理化学过程，而当含能材料稳定燃烧时，凝聚相内存在反应区，反应区内的反应性质则会影响到燃烧特性[11]。正如文献[5]所述，氧差的改变会使得燃烧所形成的火焰结构发生改变，从而各燃烧层和辐射层的相对大小发生了变化，进而也说明了氧差对烟火药的光辐射强度具有较大的影响。

通过试验还可以发现，热辐射诱导下烟火药的发光强度与温度有密切关系，发光强度高则温度高，如图2所示。

图2 I、燃烧温度和氧差的关系曲线Fig.2 Relation curve of I, temperature and oxygen balance

另一方面发光强度与燃烧时间有关，即发光强度高则持续时间较短，燃烧速度较快，如图3所示。

图3 I、燃速和氧差的关系曲线Fig.3 Relation curve of I, burning rate and oxygen balance

3 结论

本文采用闪光有效光强测定仪对不同氧差的烟火药的光辐射性能进行了初步的研究，所得结论如下：

（1）药剂的光辐射强度和燃烧温度均随着氧差绝对值的增大而增大，但增大到一定程度时（-24g）开始下降，此时对应的最大光强为44.81kcd，燃烧温度为1 379.9℃；

（2）药剂的发光强度与温度有着密切的关系，药剂燃烧温度高则发光强度强；另一方面发光强度与燃烧速度有关，发光强度越高则燃烧速度越快、燃烧时间越短。

[1]焦清介,马威,许又文.闪光烟火剂强光辐射实验研究[J]. 北京理工大学学报, 2000, 20 (1): l29-l32.

[2]代淑兰,贺增弟,肖忠良.负氧平衡发射药膛口燃烧流场的数值模拟[J].火炸药学报, 2011, 34(3): 69-71.

[3]贺增弟,刘幼平,何利明,等.发射药氧平衡对枪口焰的影响[J].火炸药学报, 2008, 31 (6): 57-59.

[4]金韶华,王伟,松全才.氧平衡对含KClO4/NH4NO3复合氧化剂气体发生剂燃烧速率的影响[J].含能材料,2008,16(2):207-208.

[5]程年寿,潘功配,关华.氧差对红外照明剂火焰辐射的影响[J].含能材料, 2006, 14 (3): 215-217.

[6]霸书红,焦清介,杜志明.强光致盲弹药技术的研究[J].含能材料, 2006, 14 (2): 118-121.

[7]霸书红,焦清介,任慧.铝粉粒径对闪光剂辐射强度的影响[J]. 含能材料, 2008, 16 (2): 219-221.

[8]霸书红, 焦清介. 微量添加剂对闪光烟火药辐射强度的影响[J]. 红外技术, 2008, 30 (6): 365-367.

[9]潘功配, 杨硕. 烟火学[M]. 北京: 北京理工大学出版社,1997.

[10]焦清介, 霸书红. 烟火辐射学[M]. 北京: 国防工业出版社,2009.

[11]希洛夫 著. 烟火药火焰的发光[M]. 马永利,译:北京:国防工业出版社, 1959.