繆云坤，劉海鋒，劉清海，黎守云

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鱗片石墨粒子紅外消光性能數(shù)值計算

繆云坤1，劉海鋒1，劉清海1，黎守云2

（1.防化研究院，北京 102205；2.防化軍代局駐西寧地區(qū)軍代室，青海 西寧 810700）

利用離散偶極子近似（DDA）方法計算了圓形鱗片石墨粒子對中遠紅外消光性能與波長、圓片直徑和厚度等的關(guān)系，結(jié)果表明，片徑3～4mm的圓形鱗片石墨粒子（厚度為直徑的1/10）對中遠紅外的消光性能較好，散射作用大于吸收作用，圓片粒子的消光性能明顯好于對應(yīng)有效半徑的球形粒子的消光性能，圓片厚度越薄，消光系數(shù)越大，并逐漸趨于最大值。

鱗片石墨；紅外消光性能；離散偶極子近似（DDA）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)場上，煙幕是對抗敵方光電偵察觀瞄和制導(dǎo)武器的有效手段，其作用原理是電磁波由于煙幕粒子的散射和吸收作用被衰減，干擾工作在該波段光電設(shè)備的正常工作。煙幕粒子散射和吸收作用的大小反映了煙幕的干擾性能，通常按球形粒子采用米氏理論對煙幕的消光性能進行理論估算，由于實際煙幕粒子形狀往往不是球形的，計算結(jié)果會產(chǎn)生較大的誤差。離散偶極子近似（DDA）方法是近些年發(fā)展起來的可以計算任何形狀粒子及其凝聚體消光性能的計算方法，國內(nèi)一些學(xué)者采用DDA方法開展了相關(guān)研究工作[1-13]。

鱗片石墨是一種有效的紅外干擾煙幕材料[14]，本文采用DDA方法對鱗片石墨粒子的紅外消光性能進行了數(shù)值計算，為鱗片石墨煙幕材料的消光原理和應(yīng)用研究提供理論指導(dǎo)。

1 離散偶極子近似（DDA）方法

DDA方法原則上可以計算任意形狀的單個粒子或多個粒子凝聚體對電磁波的散射性能，該方法由Purcell和Pennypacker[15]1973年首先提出，Draine和Goodman[16-19]等進行了發(fā)展和完善，West等[20]進一步擴展到各向異性、不均勻和分形粒子，Draine與Flatau編制了DDA計算Fortran開源程序，目前版本為DDSCAT 7.3[21]。

DDA方法是把粒子分割成有限個離散、相互作用的偶極子，粒子對入射電磁場的作用是單個偶極子相互作用累加的結(jié)果。粒子大小用有效半徑eff來描述，它等于同體積球形粒子的半徑：

式中：為粒子體積；為偶極子個數(shù)；為偶極子大小。

DDA方法可以計算粒子的散射、吸收和消光效率因子（s、a、e）等，質(zhì)量消光系數(shù)＝3e/(4eff)，為粒子材料的密度，是表征粒子消光性能的重要參數(shù)。

利用DDA方法計算粒子消光性能時要注意離散偶極子數(shù)量應(yīng)滿足以下條件：

式中：eff為粒徑參數(shù)，eff＝(2p/)eff，為入射波長；為粒子材料的復(fù)折射率。

2 數(shù)值計算結(jié)果與分析

利用DDA方法計算鱗片石墨粒子對紅外輻射的消光性能，鱗片石墨的幾何形狀可近似為圓片形，計算時選擇針對各向異性材料的粒子幾何形狀參數(shù)UNIAXICYL，復(fù)折射率取自Draine[22]（2003），選擇2個入射波極化方向，取其平均值作為計算結(jié)果，通過選擇粒子旋轉(zhuǎn)參數(shù)計算粒子所有空間取向平均的消光性能。

2.1 消光性能與入射波長的關(guān)系

計算直徑5mm、厚0.5mm的石墨圓片粒子對中遠紅外輻射的消光性能，結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，散射作用大于吸收作用，消光系數(shù)隨波長增長緩慢增加。

2.2 消光性能與石墨圓片直徑的關(guān)系

計算不同直徑的石墨圓片粒子（厚度取直徑的1/10）對4mm和10mm紅外輻射的消光性能，結(jié)果如圖2和圖3，對應(yīng)有效粒徑的球形粒子的消光系數(shù)如圖4。從圖中可以看出，消光效率因子隨直徑增加迅速增加，隨后基本保持不變。片徑1～2mm的粒子對4mm紅外輻射的消光系數(shù)最大，片徑3～4mm的粒子對10mm紅外輻射的消光系數(shù)最大，綜合考慮對中遠紅外輻射的消光性能，片徑3～4mm的粒子對中遠紅外的消光性能較好。圓片粒子的消光性能明顯好于對應(yīng)有效粒徑的球形粒子的消光性能。片徑大于3mm時，對10mm紅外輻射的散射作用大于吸收作用，片徑大于1.5mm時，對4mm紅外輻射的散射作用大于吸收作用。

圖1 效率因子和消光系數(shù)與波長的關(guān)系曲線

2.3 消光性能與石墨圓片厚度的關(guān)系

計算不同厚度直徑為5mm石墨圓片粒子對4mm和10mm紅外輻射的消光性能，結(jié)果如圖5和圖6。

圖2 消光效率因子與石墨圓片直徑的關(guān)系曲線

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

從圖中可以看出，隨著圓片厚度變薄，消光系數(shù)增加，并逐漸趨于最大值。厚度大于0.15mm時，散射作用大于吸收作用。

3 結(jié)論

本文采用離散偶極子近似（DDA）方法計算了圓形鱗片石墨粒子對紅外輻射的消光性能，結(jié)果表明：①片徑3～4mm的圓形鱗片石墨粒子（厚度為直徑的1/10）對中遠紅外的消光性能較好，散射作用大于吸收作用；②圓形鱗片石墨粒子的消光性能明顯好于對應(yīng)有效半徑的球形粒子的消光性能；③圓片厚度越薄，消光系數(shù)越大，并逐漸趨于最大值。

圖3 消光系數(shù)與石墨圓片直徑的關(guān)系曲線

圖4 對應(yīng)有效半徑的球形粒子的消光系數(shù)

圖5 消光效率因子與石墨圓片厚度的關(guān)系曲線

圖6 消光系數(shù)與石墨圓片厚度的關(guān)系曲線

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

[1] 李秀燕, 楊志林, 周海光. 金納米球吸收光譜特性研究[J]. 漳州師范學(xué)院學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2004, 17(2): 31-34.

[2] 喬利鋒, 張永明, 謝啟源, 等. 火災(zāi)煙顆粒的分形結(jié)構(gòu)形狀模擬與光散射計算[J]. 物理學(xué)報, 2007, 56(11): 6736-6741.

[3] 阮立明, 齊宏, 王圣剛. 采用DDA方法分析非球形粒子輻射特性[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2008, 40(3): 413-418.

[4] 類成新, 張化福, 劉漢法. 隨機分布煙幕凝聚粒子對激光的消光特性研究[J]. 紅外技術(shù), 2009, 31(9): 528-531.

[5] 王麗. DDA在粒子散射特性研究中的應(yīng)用[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2009.

[6] 類成新, 劉漢法，張化福. 隨機取向煙塵團簇粒子的光學(xué)截面的數(shù)值計算[J]. 原子與分子物理學(xué)報, 2010, 27(1): 183-186.

[7] 王紅霞, 馬進, 周戰(zhàn)榮, 等. 隨機取向納米石墨橢球粒子的紅外消光特性[J]. 光散射學(xué)報, 2010, 22(4): 339-343.

[8] 王紅霞, 竹有章, 馬進, 等. 納米石墨凝聚粒子紅外消光特性研究[J]. 功能材料, 2011, 42(4): 616-623.

[9] 劉亞鋒, 黃朝軍, 婁本濁. 紅外波段氣溶膠粒子光學(xué)特性的數(shù)值計算[J].紅外與激光工程, 2012, 41(6): 1605-1609.

[10] 郭艷芳. 金屬納米顆粒光學(xué)性質(zhì)的離散偶極近似計算[D]. 濟南: 山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院, 2012.

[11] 黃朝軍, 吳振森, 劉亞鋒. 復(fù)合氣溶膠粒子光學(xué)特性的數(shù)值計算[J]. 原子與分子物理學(xué)報, 2012, 29(6): 1077-1081.

[12] 黃朝軍. 分形煙塵簇團粒子的消光特性研究[J]. 原子與分子物理學(xué)報, 2013, 30(1): 143-148.

[13] 黃朝軍, 劉亞鋒. 隨機取向氣溶膠凝聚粒子光學(xué)特性研究[J]. 原子與分子物理學(xué)報, 2013, 30(5): 833-837.

[14] U.S. Army Edgewood Chemical Biological Center (ECBC). Carbon Fiber Obscurant: Enhancing Warfighter Effectiveness While Meeting Environmental Regulations[R]. Aberdeen Proving Ground: ECBC, 2006.

[15] Purcell E M, Pennypacker C R. Scattering and absorption of light by nonspherical dielectric grains[J]. Astrophys. J., 1973, 186: 705-714.

[16] Draine B T, Goodman J J. Beyond clausius-mossotti: Wave propagation on a polarizable point lattice and the discrete dipole approximation[J]. Astrophys. J., 1993, 405: 685-697.

[17] Goodman J J, Draine B T, Flatau P J. Application of fast-Fourier- transform techniques to the discrete-dipole approximation[J]. Optics Letters, 1991, 16(15): 1198-1200.

[18] Draine B T. The discrete-dipole approximation and its application to interstellar graphite grains[J]. Astrophys. J., 1988, 333: 848-872.

[19] Draine B T, Flatau P J. Discrete-dipole approximation for scattering calculations[J]. J. Opt. Soc. Am., 1994, 11: 1491-1499.

[20] West R A. Optical properties of aggregate particles whose outer diameter is comparable to the wavelength[J]. Applied Optics, 1991, 30 (36): 5316-5324.

[21] Draine B T, Flatau, P J. DDSCAT 7.3(CP)[EB/OL]. http: //code. google.com/ p/ddscat/.

[22] Draine B T. Scattering by interstellar dust grains. I. optical and ultravi- olet[J]. Astrophys. J., 2003, 598: 1017-1025.

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.

繆云坤（1963-），男，江蘇張家港人，研究員，碩士，主要從事發(fā)煙劑及發(fā)煙裝備的研究。