Pb3O4添加量对Mg/PTFE红外诱饵剂特性的影响

王 冰，陈宗胜，刘 洋，汪家春，时家明



Pb3O4添加量对Mg/PTFE红外诱饵剂特性的影响

王 冰，陈宗胜，刘 洋，汪家春，时家明

（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）

为研究四氧化三铅加入传统的镁/聚四氟乙烯（Mg/PTFE）红外诱饵剂后对效能的影响，设计了11种配方并压制成药柱样品。用红外热像仪对样品燃烧过程进行观测及计算，得到样品燃烧时间、质量燃速、辐射面积、辐射亮度、辐射强度。结果表明：用四氧化三铅逐渐替换聚四氟乙烯会使样品的最高反应温度逐渐降低，四氧化三铅的质量分数越大，温度降低越多；随着四氧化三铅替换聚四氟乙烯的比例增大，辐射强度先减小后增大再减小，当四氧化三铅比例为35%时，烟火药辐射强度最大。

红外诱饵剂；聚四氟乙烯；四氧化三铅；辐射强度

随着红外制导技术的发展，红外制导导弹对地面目标和红外诱饵剂的辨识能力不断提高，传统的镁/聚四氟乙烯红外诱饵剂[1-3]燃烧温度过高、远红外辐射不足等缺点令其无法对抗新型的红外制导技术，因此对传统的红外诱饵剂进行改进成了当下研究的热点。林红雪等[4]采用镁/聚四氟乙烯红外诱饵剂为基础配方，将氧化剂和还原剂分别用红磷和硫酸锶替换，发现替换后可以降低诱饵剂燃烧火焰温度、提高辐射强度。叶淑琴等[5]在传统的镁/聚四氟乙烯诱饵剂中添加氧化铜/红磷，制成薄膜型箔片，经实验分析发现添加后点火温度和燃烧温度大幅下降，且辐射强度大于1.0W·Sr-1的持续时间增长。刘厅等[6]等在传统的镁/聚四氟乙烯药剂中添加硼粉，测试了不同质量分数的硼粉对药剂性能的影响，发现添加硼粉能使药剂性能改善，其中硼粉质量分数为10%时，高温放热峰降低128℃。

为了制作出燃烧温度低、辐射强度大的红外诱饵剂改进配方，笔者将具有强氧化作用的四氧化三铅混入传统红外诱饵剂中的氧化剂聚四氟乙烯，采用模压成型工艺制备了混合配方的药块，通过实验研究了不同的四氧化三铅含量对红外诱饵药剂各参数的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：聚四氟乙烯（PTFE）粉；四氧化三铅（Pb3O4）粉；镁（Mg）粉；仪器：HY-12型压片机，天津天光光学仪器有限公司；十分之一克电子天平，上海奔普仪器有限公司；FLIR SC7700红外热像仪：波长范围3.7~4.8μm，图像大小640×512像素，精度为±1%，NETD＜25mK，辐射率设置成1。

1.2 实验过程

1.2.1 制备

新型诱饵剂配方中氧化剂为聚四氟乙烯和四氧化三铅的混合物，实验中保持总氧化剂和还原剂的比例恒为1∶1，改变氧化剂混合物中聚四氟乙烯和四氧化三铅的比例，制作11个样品，成分配比见表1。每个样品的质量都为16g。

制作过程为：按照不同的比例称取相应质量的药剂，进行人工混合搅拌，混合均匀之后放入模具中用压片机进行压片，模具直径为40mm，压片压力为10 MPa，每个药柱保压20s，然后退模取出药柱。由于制作过程会有损耗，制作成的药柱会少于16g的设计质量，表2为制作的11个样品的实际质量和高度，图1为其中的4个样品。

表1 11个样品的各成分配比 (%)

Tab.1 Formulation ratio of 11 samples

图1 4个样品

表2 样品的质量和高度

Tab.2 The quality and height of samples

1.2.2 燃烧试验

在户外进行药剂燃烧测试，测试时户外温度3℃，试验药剂在红外热像仪正前方10m处，对11个样品按照序号依次点燃，用红外热像仪测得药柱的燃烧时间、燃烧温度和辐射面积。燃烧时设置热像仪为连拍模式，拍照频率为25帧/s，对每个药剂连拍60s，拍照间隔相同，记录每个样品燃烧的全过程，然后对图像和数据进行处理。图2 为实验时所用红外热像仪和样品燃烧后的残渣。

图2 红外热像仪和燃烧后的残渣

2 结果与讨论

2.1 四氧化三铅加入量对药柱燃烧特性的影响

2.1.1 对反应温度的影响

试验完成后用配套的Altair软件对红外热像仪所拍摄的图像进行处理，得出11个样品的最大燃烧温度及降低幅度，见表3，其变化趋势如图3所示。

表3 最高温度及降低幅度表

Tab.3 Maximum temperature and the range of temperature reduction

由图3可知，加入Pb3O4之后药剂的最高燃烧温度明显降低，从1号样品到11号样品，Pb3O4替换聚四氟乙烯的比例逐渐提高，最高燃烧温度呈逐渐下降的趋势。

图3 样品最大反应温度

1号样品为传统的镁/聚四氟乙烯红外诱饵剂配方，其燃烧最高温度达到2 768℃，远远超过武器装备工作时的最高温度[7]，第11号样品中氧化剂完全为Pb3O4，其最高反应温度达到最低。红外诱饵剂的化学反应过程为：

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

由方程式可知，Mg与Pb3O4完全反应的质量比例为96:685，接近1:7，此时产物只有氧化镁和铅；镁与聚四氟乙烯完全反应的比例为33∶67，此时反应产物里只有C和MgF2，Pb3O4比等质量的聚四氟乙烯消耗更少的镁。1号样品中，镁和聚四氟乙烯的比例为1:1，此时镁是过量的，故理论上聚四氟乙烯中的氟元素可以完全反应生成氟化镁，剩余过量的镁将与空气中的氧气发生反应，因为在户外氧气充足，过量的镁将通过反应（3）被完全消耗。而四氧化三铅相比聚四氟乙烯消耗镁更少，所以随着替换比例升高，镁一直是过量的，反应物中的聚四氟乙烯和Pb3O4可以完全反应，生成氟化镁、氧化镁。从镁的物质的量守恒角度进行分析，3个反应消耗1 molMg分别产生947.27kJ，546.03 kJ，736.45kJ热量[8]，实验配方中保持了镁的质量比例不变，即镁的质量和摩尔质量是不变的，随着Pb3O4替换聚四氟乙烯的比例升高，反应（1）消耗的镁的摩尔质量减少，减少的这部分镁都被转移到反应（2）、（3）中被消耗，而反应（2）、（3）消耗相同摩尔质量的镁生成的热量小于反应（1），所以镁被完全消耗产生的总热量变小，反应最高温度逐渐降低。

2.1.2 对燃烧时间的影响

利用热像仪记录试验样品的燃烧过程，计算出11个样品的燃烧时间，如图4所示。

图4 样品燃烧时间

从图4可以看出，从1号到4号（Pb3O4的含量由0升高至15%），药剂燃烧时间逐渐变长，4号达到极大值6.18s；继续提高Pb3O4的含量，燃烧时间开始减少，当Pb3O4含量提高到25%时，燃烧时间和1号样品持平，当Pb3O4含量提高到35%时，燃烧时间最短为2.74s；继续增加Pb3O4，燃烧时间不断增加，当Pb3O4为50%时，达到11个样品中的最大值8.10s。所以用Pb3O4替换聚四氟乙烯时，当Pb3O4的含量小于等于25%或者在45%~50%时都可以延长燃烧时间。

2.1.3 对质量燃速的影响

11个样品的质量燃速如图5所示。

图5 样品质量燃速

由图5可知，1号样品质量燃速为3.36g/s，从1号到5号样品，质量燃速呈降低趋势，5号样品达到最小值，之后质量燃速开始逐渐变大，到8号样品时质量燃速达到最大值，为5.83g/s，从 8号到11号又逐渐减小。该燃速变化规律主要是燃烧温度和反应物的变化引起的。从1号到11号样品反应最高温度不断降低，燃烧的温度降低，反应活化分子数减少，有效碰撞减少，反应速率变慢，也就是温度越低反应的速率也越低。当反应物为四氧化三铅时，参与反应的化学键为铅氧键，键能为234.3kJ/mol[9]，而当反应物为聚四氟乙烯时，参与反应的化学键为碳氟键，键能为313.8kJ/mol[9]，化学反应发生时键能值低的键先断裂，并引发一系列后续反应过程，而键能高的键更稳定，更不容易反应，所以Pb3O4比聚四氟乙烯和镁更容易发生反应，反应进行的速率也更快。同时，因为Pb3O4比聚四氟乙烯消耗的镁更少，过量的镁增多，过量的镁直接和空气中的氧气发生反应（3），氧气的键能为12.49 kJ/mol[9]，所以反应（3）要比反应（1）、（2）更容易发生，参加反应（3）的镁增多对反应速率起提升作用。从1号到5号反应的最高温度不断降低，导致样品的燃烧速率降低，同时样品中四氧化三铅替换了聚四氟乙烯之后提高了质量燃速。由于从1号到5号所含Pb3O4比例不大，参加反应（3）的镁增加的不多，它们对燃速的提升作用小于温度下降对质量燃速的降低作用。所以1号到5号燃速呈减小的趋势，这个过程温度下降起主要作用。随着Pb3O4比例的提高，其对燃速的提升作用迅速增加。从5号到8号，即当温度在1 771℃以下，Pb3O4比例为20%以上时，由于Pb3O4比例提升和参加反应（3）的镁增加，其对燃速的提升大于温度降低对燃速的减少作用，且5号以后温度降低趋势变缓（如表3所示），温度对燃速影响继续变小，所以这一阶段燃速不断变大，8号样品燃速达到最大值5.83g/s，此时最高温度为1 613℃，Pb3O4的比例为35%。

由图5可知，从9号样品开始出现燃速又变小的情况，主要是因为反应最高温度已经降为1 593℃，随着温度降低，所有化学键都比高温更难断裂，化学反应速率变小，温度降低对反应速率的减小作用大于另外两个因素的提升作用，所以质量燃速又开始减小。

2.2 Pb3O4替换聚四氟乙烯对红外辐射特性的影响

用热像仪自带的Altair软件选取11个样品燃烧最剧烈时刻的红外热像图，如图6所示，计算出图像中大于400℃范围（蓝色与黑色交界处以内）的辐射亮度和辐射面积，得到样品的辐射强度。

图6 样品红外热像图

11个样品的辐射亮度、辐射面积和辐射强度值见表4。图7为11个样品的辐射强度最大值。

图7 样品辐射强度