(防化研究院功能材料研究所，北京 102205)

煙幕作為一種高效費比的戰(zhàn)場保障和非對稱作戰(zhàn)手段，在多次戰(zhàn)爭中發(fā)揮了重要的作用[1-3]。在未來高技術戰(zhàn)爭中，作戰(zhàn)雙方大量使用雷達、紅外、激光等偵察、監(jiān)視及攻擊系統(tǒng)，反雷達、反紅外、反激光的煙幕器材必將伴隨科學技術的發(fā)展以嶄新的面貌出現(xiàn)在現(xiàn)代戰(zhàn)場上，發(fā)揮其獨特的作用[4-6]。發(fā)煙劑是形成煙幕的化學物質，根據(jù)物質形態(tài)和使用方式可分為多種類型，固體粉末型發(fā)煙劑便是其中很重要的一種類型，廣泛應用在各種發(fā)煙裝備之中。粉末型發(fā)煙劑是一種特殊的粉體，粒度一般處于幾百納米至十幾微米之間，屬于超細粉體范疇[7]。在研究和使用這些微納粉體發(fā)煙材料時我們發(fā)現(xiàn)，它們在儲存過程中容易結塊，流動性明顯變差，分散性能下降；將其施放到煙幕箱后，干擾效果也會隨著時間的延長快速下降，干擾時間短。產生這些現(xiàn)象的根本原因在于：在超細粉體中，顆粒尺寸小，比表面積大，表面能急劇增加，使其成為一個不穩(wěn)定的熱力學體系，顆粒之間有自發(fā)聚集以降低系統(tǒng)自由焓的趨勢，逐步變大形成二次顆粒構成軟團聚，使粉體的分散性下降[8]；分散到空氣中的微納顆粒，也會在漂浮的過程中相互碰撞發(fā)生凝并和團聚，粒徑變大，沉降加快，進而影響其干擾性能。鑒于此，針對一種新型的超細粉體發(fā)煙劑——納米復合干擾發(fā)煙劑，采用添加流動性輔助劑的方法，對其流散性進行改性研究，提升它的分散性能和干擾性能。

1 實驗

1.1 實驗儀器

實驗采用的主要儀器設備的型號、 規(guī)格如表1所示。

表1 儀器設備列表

1.2 發(fā)煙劑

實驗研究對象為一種新型的發(fā)煙劑——納米復合干擾發(fā)煙劑，該發(fā)煙劑的主要成分為一種硫化物半導體材料，該材料顆粒呈中空結構，宏觀尺度在微米級(約0.5～5 μm)，空殼壁厚在納米級(幾十納米)，表觀密度小(約0.2～0.3 g/cm3)。該發(fā)煙劑具有超細粉體的典型特征，質輕、漂浮性好，在存儲和使用過程中易發(fā)生團聚現(xiàn)象。

1.3 煙箱實驗

煙箱實驗室中儀器布設示意圖如圖1所示，基本實驗步驟如下：

1)按照圖1所示的位置架設好儀器設備，進行光學儀器的設置和調試，激光的初始接收能量設置為500 mW，紅外靶標的溫度設置為40 ℃，調試完成后進入實驗準備狀態(tài)。

2)稱取20 g發(fā)煙劑樣品，將其放入氣流分散裝置的儲料罐中。

3)一切準備就緒后，激光測試裝置和紅外熱像儀開始進行測試，記錄空白背景的數(shù)據(jù)10 s以上，然后將發(fā)煙劑噴撒到煙箱中。

4)將樣品噴撒完畢后，打開煙箱內風扇，攪拌20 s，使煙幕分布均勻。

5)測試過程中，紅外熱像儀和激光測試裝置一直處于測試狀態(tài)，測試數(shù)據(jù)被實時采集并保存到計算機硬盤上。采樣裝置有2個采樣頭進行平行采樣，采樣次數(shù)、采樣時間根據(jù)需要進行設置。

6)實驗結束時，停止紅外熱像儀和激光測試裝置的測試，打開煙箱門，啟動抽風系統(tǒng)，清除煙箱中的煙幕材料后準備下一次實驗。

圖1 煙箱測試儀器布設示意圖Fig.1 Instrument layout diagram of smoke box

1.4 野外試驗

圖2是野外試驗場地布設示意圖，主要分成幾個區(qū)域，即儀器架設區(qū)1(主要布設黑體、激光發(fā)射裝置等)，儀器架設區(qū)2(主要布設中長波熱像儀、激光接收裝置、攝像機等)、煙幕施放點、氣象測量點(布設溫濕度計和風速風向儀)。煙幕施放方向與主導風向一致，盡量使光路與風向垂直?；驹囼灢襟E如下：

1)架設并調試好儀器設備進入準備狀態(tài)，激光的初始接收能量仍然設置為500 mW，紅外靶標的溫度設置為40 ℃；

2)熱像儀和激光測試裝置開始持續(xù)記錄數(shù)據(jù)，記錄10 s空白數(shù)據(jù)后開始噴撒發(fā)煙劑；

3)發(fā)煙劑噴撒完畢后，停止記錄數(shù)據(jù)，結束本次試驗。

圖2 野外試驗場地布設示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of field experiment

1.5 發(fā)煙劑流散性測試

發(fā)煙劑流散性測試采用卡爾指數(shù)法[9-12]，利用粉體綜合特性測試儀，測試得到發(fā)煙劑的休止角θr、壓縮率Cp、抹刀角θs和凝聚度Ch等參數(shù)，并將這些參數(shù)指數(shù)化后利用式(1)得到流動性指數(shù)Fw：

Fw=θr+Cp+θs+Ch。

(1)

同樣地，利用粉體綜合特性測試儀，測試得到發(fā)煙劑的崩潰角θf、差角θd、分散度Ds和流動性指數(shù)Fw等參數(shù)并將其指數(shù)化，利用式(2)得到噴流性指數(shù)Fd：

Fd=Fw+θf+θd+Ds。

(2)

在計算以上指數(shù)過程中需要的粒度參數(shù)利用馬爾文MS3000型激光粒度儀采用濕法[13]測試得到。

1.6 數(shù)據(jù)處理

1.6.1 紅外干擾數(shù)據(jù)處理

在煙箱或野外測試得到的紅外圖像，可按下式處理后得到煙幕對紅外輻射的衰減率[14-16]:

(3)

式中，h0、h1分別為施放煙幕前目標和背景的灰度值，h0(t)和h1(t)分別為施放煙幕后目標和背景隨時間變化的灰度值。

1.6.2 激光干擾數(shù)據(jù)處理

激光測試裝置的測試結果，可按下式計算得到煙幕對激光的衰減率[17]：

(4)

式中，I0為施放煙幕前激光強度，I為施放煙幕后的激光強度。

2 結果與討論

2.1 流散劑對發(fā)煙劑流散性的影響

為了改善發(fā)煙劑的流散性，我們在超細粉體發(fā)煙劑中添加了流散劑。流散劑為疏水型的無機納米粉體，尺寸在幾十納米。將添加流散劑后的發(fā)煙劑采用三維混合機混合均勻，利用卡爾指數(shù)法測定其安息角、崩潰角、差角、抹刀角等參數(shù)，然后按照公式計算得到表征粉體流散性的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)。表2是添加一定比例的流散劑前后發(fā)煙劑流散性參數(shù)的對比。從表中可見，加入流散劑后，發(fā)煙劑的各項流散性指標均有不同程度的提高。流動性指數(shù)的提高，意味著發(fā)煙劑的流動性更好，更加有利于粉體的輸送操作。噴流性也稱飛揚性[18]，是指粉體物料在處理過程中，由于自動充氣而流化形成類似流體的性質，添加流散劑后，發(fā)煙劑的噴流指數(shù)明顯提高，達到了83，說明該發(fā)煙劑非常有利于在大氣中噴撒形成有效氣溶膠煙幕。

表2 添加流散劑前后發(fā)煙劑流散性參數(shù)的對比

同時，我們還研究了不同含量的流散劑對發(fā)煙劑流動性的影響規(guī)律，測試結果如表3所示。從表中可以看到，隨著流散劑含量的增加，發(fā)煙劑的流動指數(shù)越來越大，說明發(fā)煙劑的流動性隨著流散劑的含量增加而不斷增強。噴流性指數(shù)也遵循同樣的規(guī)律，其數(shù)值隨著流散劑含量的增加而變大。

在實際應用中，流散劑的含量通常要根據(jù)儲存、 運輸、 分散和干擾的要求來確定。 流散劑太少，會使發(fā)煙劑的流動性和噴流性達不到使用要求，并且容易在儲存、 運輸和使用過程中發(fā)生結塊現(xiàn)象。 流散劑太多，會使發(fā)煙劑的松裝密度大幅下降，同樣的包裝桶裝填的發(fā)煙劑質量會減少，使用包裝桶的數(shù)量增加，加大了運輸量； 另外，過大的噴流性指數(shù)意味著發(fā)煙劑的飛揚性很強，在發(fā)煙劑的封裝、 裝填過程中容易飛揚，增加了對環(huán)境的粉塵污染； 流散劑過多，還會導致有效干擾組分減少，使得發(fā)煙劑的干擾性能下降。 一般而言，通過調整流散劑的用量，使發(fā)煙劑的流動性指數(shù)達到60以上，噴流性指數(shù)達到75以上，就能夠完全滿足實際的使用要求。

表3 不同含量流散劑對發(fā)煙劑流動性和噴流性的影響

2.2 改性發(fā)煙劑的煙箱干擾性能

為了研究添加流散劑對發(fā)煙劑干擾性能的影響，在煙箱中測試了添加流散劑前后發(fā)煙劑對8～14 μm紅外熱像儀的干擾效果，測試結果如圖3所示。 從圖中可以看出，添加流散劑前，發(fā)煙劑對8～14 μm紅外波完全干擾(衰減率達到100%)的持續(xù)時間不到200 s，添加流散劑后，達到了700 s以上。顯然，添加流散劑后，發(fā)煙劑的干擾性能有了明顯的提升，衰減率更高，持續(xù)干擾時間更長。另外，從添加流散劑前后對10.6 μm激光的干擾效果(如圖4所示)來看，添加流散劑后，發(fā)煙劑對激光的衰減效果也明顯增強，持續(xù)干擾時間也更長。

圖3 發(fā)煙劑在煙箱中對8～14 μm紅外熱像儀的干擾效果Fig.3 Jamming effect of smoke agent on 8～14 μm infrared thermal imager

圖4 發(fā)煙劑在煙箱中對10.6 μm激光的干擾效果Fig.4 Jamming effect of smoke agent on 10.6 μm laser light

添加流散劑之所以能夠增強了發(fā)煙劑的干擾性能，在于兩方面的原因。一方面，添加流散劑并經(jīng)過充分的機械混合之后，發(fā)煙材料粒子表面覆蓋了一層不與水結合形成氫鍵的疏水納米材料，起到了一定的空間位阻作用，阻止了臨近粒子因范德華力而相互靠近，發(fā)煙劑的凝并行為得到了一定程度的抑制，具備較好的流動性和噴流性，在儲存過程中不易團聚，在施放過程中也能很好地分散到空中；另一方面，由于表面性質的改變，發(fā)煙劑干擾粒子分散到空中后，相互之間碰撞結團的現(xiàn)象也有所減弱，因此干擾材料在空中的漂浮時間變長，能夠對電磁波形成持續(xù)干擾效果，持續(xù)干擾時間明顯延長。

2.3 改性發(fā)煙劑的野外干擾效果

通過添加流散劑，顯著地改善了納米復合發(fā)煙劑的流散性，我們用改性后的發(fā)煙劑進行了野外氣流分散試驗，并利用儀器測試了干擾效果。

2.3.1 對可見光的干擾效果

在野外試驗時，利用攝像機來測試發(fā)煙劑的可見光干擾效果，目標為一面粉色紅旗，如圖5a所示。 測試時的風速為2～3 m/s，發(fā)煙劑的施放速度為20 g/s。從圖5可見，分散到空中的發(fā)煙材料能夠形成穩(wěn)定的煙幕氣溶膠，說明發(fā)煙劑的分散性和漂浮性良好；當煙幕經(jīng)過光路時，原本清晰可見的紅旗被煙幕完全遮蔽，已經(jīng)無法從攝像機上看見，如圖5b所示，說明納米復合干擾發(fā)煙劑在野外具有良好的可見光遮蔽效果。

a 遮蔽目標前

b 遮蔽目標后圖5 野外試驗中發(fā)煙劑的可見光遮蔽效果Fig.5 Camouflage effect of smoke agent on visible light in field experiment

2.3.2 對激光的干擾效果

圖6為野外試驗中，納米復合干擾發(fā)煙劑形成的煙幕對10.6 μm激光的干擾效果。 測試時風速為0～1 m/s，發(fā)煙劑的施放速率為12 g/s。 試驗時的氣象條件不太理想，風向不太穩(wěn)定，有相當一部分煙幕偏出了光路，但仍然能夠產生90%以上的衰減，說明煙幕對10.6 μm激光有很強的衰減能力。

圖6 野外試驗中發(fā)煙劑對10.6 μm激光的干擾效果Fig.6 Jamming effect of smoke agent on 10.6 μm laser light in field experiment

2.3.3 對紅外的干擾效果

圖7是野外試驗中發(fā)煙劑對3～5 μm紅外熱像儀的干擾效果。 測試時的風速為2～4 m/s，發(fā)煙劑的總施放量為1.8 kg。 從圖中可以看到，在初始1 min內，煙幕對3～5 μm紅外波的干擾效果十分出色，衰減率大都在95%以上，在隨后的施放過程中，由于氣流施放裝置的儲氣瓶氣壓下降，導致單位時間發(fā)煙量下降，成煙稀薄，使得干擾效果有所下降。

圖7 野外試驗中發(fā)煙劑對3～5 μm紅外的干擾效果Fig.7 Jamming effect of smoke agent on 3～5 μm infrared light in field experiment

本次試驗中，發(fā)煙劑對8～14 μm紅外熱像儀的干擾效果如圖8所示。 與3～5 μm波段的干擾效果相類似，這說明發(fā)煙劑對長波熱像儀的干擾效果也很出色。

圖8 野外試驗中發(fā)煙劑對8～14 μm紅外的干擾效果Fig.8 Jamming effect of smoke agent on 3～5 μm infrared light in field experiment

3 結論

針對超細粉體發(fā)煙劑易團聚的特性，通過添加流散劑的方法對其流動性和噴流性進行了改性，并測試了改性后的發(fā)煙劑在煙箱和野外對激光和紅外的干擾性能。研究結果表明：

1)流散劑對納米復合干擾發(fā)煙劑流散性的改善非常明顯，并且流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)均隨著流散劑含量的增加而變大，實際應用中可以根據(jù)需求調整流散劑的含量。

2)煙箱試驗中，經(jīng)過流散性改性后的發(fā)煙劑對紅外和激光的干擾效果都顯著增強，衰減率更大，持續(xù)干擾時間更長；

3)野外試驗中，經(jīng)過流散性改性后的發(fā)煙劑表現(xiàn)出良好的分散性和漂浮性，在野外能夠形成穩(wěn)定的氣溶膠煙幕，對可見光、激光和中遠紅外都具有良好的干擾效果。