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发烟剂 - 豆丁网

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它可以是固态的(如赤磷发烟剂、HCl发烟剂等),也可以是液态的(如TiCl 发烟剂、氯磺酸发烟剂等),可以是无机物质,也可以是有机物质. 在军事上主要用于形成烟幕(气溶胶),起遮蔽隐身作用或眩感干扰作用。 传统的常规发烟剂只能遮蔽可见光0.4~0.76m,但

  它可以是固态的(如赤磷发烟剂、HCl发烟剂等),也可以是液态的(如TiCl 发烟剂、氯磺酸发烟剂等),可以是无机物质,也可以是有机物质. 在军事上主要用于形成烟幕(气溶胶),起遮蔽隐身作用或眩感干扰作用。 传统的常规发烟剂只能遮蔽可见光0.4~0.76μm,但对近1~3μm、中3~5μm、远8~14μm红外和毫米波1~ 10mm的遮蔽基本无效。 随着光电技术的快速发展,现代光电观瞄器材和制导武器的工作波段已由可见光发展至红外和毫米波。 当前,世界各国都在致力于该项技术开发,特别注重于从可见光到红外0.4~14μm直至毫米波1~10mm波段的所谓 “全波段”发烟剂的研究。 9.1对发烟剂的特殊技术要求 良好的发烟剂,除应符合烟火药一般的技术要求外,尚须满足下列特殊技术要求: (1)遮蔽能力应最大由发烟剂所形成的烟幕对所需波段 的遮蔽应具有最大的遮蔽能力。例如对可见光遮蔽应不少 于500m kg-1 ,对3~5μm的红外透过率低于10%,对 8~14μm的红外透过率低于15%。 烟剂所形成的烟幕稳定性是指在一定时间内保持其遮蔽性能,即保持质量浓度或微粒浓度不变的性能。烟幕微粒在 分散介质(空气)中,因运动和气溶胶的凝结作用等,随 着时间推移将消散或沉降掉,为保持一定时间内有较好遮 蔽性能,所以必须要有足够的稳定性。显然,烟幕持续时 间愈长,对目标的掩护遮蔽愈有利。 (3)燃烧型发烟剂燃烧时不产生火焰火焰的出现,意味 着发烟剂燃烧温度过高,这将造成不该分解的发烟物质分 解,使得烟幕效应降低。此外,火焰的出现也不利于隐身。 (4)燃烧型发烟剂残渣产物应是疏松多孔状燃烧型发烟 剂残渣产物只有疏松多孔状,才可能使下层燃烧反应的发 烟生成物顺利通过,从而获得最佳烟幕效果。 (5)烟幕形成时间应尽量短烟幕形成时间是指烟幕将所 有目标遮蔽而观测不到目标所需时间。鉴于现代战争的快 速反应,战术使用时无论是遮蔽可见光还是遮蔽或干扰红 外、激光或微波,都希望烟幕形成时间愈短愈好。 (6)无毒、无刺激、无腐蚀大量使用的烟幕主要用于遮 蔽自己,为了不损害自己人员的身体健康和自身装备不受 腐蚀,也为了人类生存的环境保护,则要求烟幕“三无”, 即无毒、无刺激、无腐蚀作用。 9.2 烟幕概述 烟幕作为一种人工气溶胶,其形成的基本原理与一般气溶胶没有本质上的差异。 通常是由物理过程的机械分散方式和物理化学过程的凝集方式而形成的。 两种形成方式的区别在于:分散是使原物系的比表面积增大了,而凝集则与之相反,使比表面积减小了。 如果将分散方式和凝集方式综合成一体,那么烟幕形成的方法可以有三种,即分散法、凝集法和综合法。综合法在 原理上仍属物理过程和物理化学过程二者的综合。 (1)分散法它是以机械力将固体或液体发烟物粉碎成细 小粒子分散到空气中去。机械粉碎固体发烟物是利用研磨、 碾磨或挤压等形式缓慢地施力于固体;也可用高压气体及 气流磨或高能撞击体碰撞的形式迅速的施力于固体。缺点 是分散度不高,不易形成稳定的气溶胶。 液体分散则是利用空气压力,将液体从细管中喷出或将液体冲击到固体或液体表面上,或者通过液体流与气体流相 碰撞。缺点是同样存在分散度不高,且耗能大,并须使用 笨重喷射装置。 (2)凝聚法该种方法分散相的形成分为两个阶段:先形 成过饱和蒸气,而后过饱和蒸气再凝集成烟。 可以有两种方法获得过饱和蒸气,即冷却热蒸气和利用化学反应形成蒸气物质后使空间蒸气过饱和。 冷却热蒸气法是基于温度的降低,饱和蒸气压及其空间的蒸气浓度亦降低,再进一步的冷却即产生过饱和蒸气,其 间过剩的蒸气在大气中凝集成许多悬浮的微粒即成烟。 化学反应形成蒸气物质而使蒸气过饱和的过程在本质上是燃烧成烟过程,通过燃烧化学反应产生的气态物质,经在 气体介质中冷却后形成过饱和蒸气,然后过饱和蒸气凝结 (3)综合法它是同时采用分散法和凝集法来制造烟雾。 一部分烟粒是由分散法形成的,另一部分是由凝结法形成的。烟粒的形成是分散和凝集两个过程的综合结果。 爆炸时固体或液体受高压气体冲击被分散到以炸点为中心的球面度空间中去形成烟雾微粒,与此同时,由于爆炸时 的高温,使之形成蒸气与空气混合,经冷却使其所占空间 达到过饱和状态,进而凝集成烟。 烟幕对可见光、红外、激光、微波的遮蔽和干扰作用的特性,通常用烟幕浓度、粒度分布、总遮蔽力、透过率、消 光系数、色度、持续时间和烟幕形成的遮蔽长、宽、高等 物理量来表征。 烟幕浓度 ):单位体积内烟幕微粒的质量。以每立方米的微粒克数(或毫克数)表示(g/m 质量浓度用滤膜计重法或β射线测尘仪测定。滤膜计重法系将已知体积的烟幕通过滤膜过滤器,使微粒阻留在滤膜 上,然后用天平称量,求出滤膜的增重,再按下式计算: ;G——滤膜的质量增量,mg;q——采样流量,m /s;t——采样时间,s。qt ):单位体积内烟幕微粒的数目。以每立方米的微粒个数表示(个/m )。微粒浓度可以用电子显微镜测量滤膜收集的微粒尺寸和个数,并进行分级统 计,也可以用光散射式粒子计数器直接测量。表1为几种 烟幕的浓度数据。 几种烟幕的浓度名称 质量浓度 /gcm-3 微粒浓度C 微粒个数cm-3 微粒平均直径 d/cm 氧化锌 0.2~0.7 110 510-5 硫酸 0.1~0.15 410 410-5 ~810 -5 磷酸 0.2~1.7 1.010 110-5 ~510 -5 氯化铵 2以下 110 2.510-5 粒度分布 用显微镜法测定时,所用分布基准为质量基准分布,即测定每种粒度的微粒质量占总质量的百分比。 总遮蔽力 总遮蔽力与发烟剂性质、燃烧反应性能、烟幕浓度、微粒大小和几何形状,以及环境条件等因素有关。 /kg;Cm——烟幕的质量浓度,kg/m 某些烟幕的总遮蔽力烟幕名称 总遮蔽力TOP/m kg-1 黄磷烟 1042 NH +HCl烟567 TiCl 430SiCl 340SO HCl烟317 透过率 光透过烟幕后的光强与透过前的光强的比值称透过率。又称透射率或透射系数。按下式计算: 它是表征烟幕对可见光、红外、激光、微波等电磁辐射衰减的能力大小。 美国通用研究公司报导过黄磷、赤磷、FS、HC、雾油及蒽烟的平均质量消光系数(m 几种烟幕的平均质量消光系数可见光 (0.7~1.2)μm (8~12)μm黄磷、赤磷、 FS 3.32 2.3 0.32 0.36 HC 4.91 3.00 0.31 0.10 4.003.40 0.20 <0.10 6.323.00 0.18 0.05 烟幕色度 对于信号用的有色烟来说,色度将直接影响信号的识别准确性和识别距离。 某色光的色度包括色纯度、主波长及亮度。色纯度表示色光饱和程度。 烟幕色度测量可用轻便色差计测定烟幕的反射光,由测得的反射光可得出光三刺激值,再在色度图上标出色度值。 持续时间 烟幕的持续时间是由烟幕传播、烟幕沉降等动力学性质和烟幕微粒特性所决定的。 烟幕受风力作用在大气中产生漂移,受重力作用向地面沉降,小于0.1μm的粒子作布朗运动,以及烟幕的凝并作用 等都影响烟幕的持续时间。 烟幕长、宽、高 它表征着烟幕制品在实际应用中形成的烟障大小。9.3常规发烟剂 我们把已应用于工程上的主要遮蔽可见光的发烟剂统称为常规发烟剂。 它包括吸湿性发烟剂(硫酸酐与发烟硫酸、氯磺酸与硫酸酐的混合物,金属四氯化物)、磷烟(黄磷、塑态黄磷、 赤磷)和燃烧型混合物发烟剂等。 9.3.1吸湿性发烟剂 某些发烟剂的蒸气与大气中的水分作用形成烟,这种发烟剂称为吸湿性发姻剂。 如硫酸酐、氯磺酸与金属四氯化合物等。(1)硫酸酐(SO 液体硫酸酐分散到空气中后很快挥发成蒸气,并与空气中的水分作用生成硫酸蒸气,尔后很快冷凝成硫酸微粒,继 续吸水后成为硫酸水溶液的微粒,这样便构成较浓的白色 烟雾。发烟硫酸是由其溶液中的硫酸酐的挥发而成烟。 )在(20~45)温度范围内为无色透明液体。这种液体在25以上才是稳定的。若长时间低于25 时,液体硫酸酐(α型硫酸酐)即变成固态的β型硫酸酐 [(SO ]。但它经过汽化过程时仍可变为α型硫酸酐。α型硫酸酐是无色液体,在14.3时为针状透明结晶,极易 挥发。常温和无湿气时,硫酸酐对金属(尤其是铁)不起 作用。而在高温时,有显著的腐蚀作用。 硫酸酐的遮蔽能力很强,仅次于黄磷,施放时损失量很小,利用率高。它所形成的白色烟幕,能强烈地散射可见光, 并且烟幕稳定。 硫酸酐凝固点是17左右,常温时不能用喷洒方法来施放,单独使用比较困难。液态硫酸酐避免与皮肤接触,它可引 起不易治愈的烧伤。 含有硫酸酐的硫酸溶液为发烟硫酸,通常工业发烟硫酸含18%~25%的SO 。发烟硫酸粘度大,流动缓慢,不易分散,凝固点也较高,因此不能运用喷洒方法施放。发烟硫 酸中的硫酸不易蒸发,其内的SO 在发烟时也不能全部发挥作用,故它的遮蔽能力较小。它具有的优点是价廉。 (2)氯磺酸(HSO Cl)及其与硫酸酐的混合物(SO 这类发烟剂可以用机械喷洒法或汽化法分散成烟。硫酸酐与氯磺酸的混合物又称FS发烟剂。 氯磺酸是由气体三氧化硫与氯化氢化合而成的,工业品通常呈黄色或褐色液体,较易流动与挥发,能在空气中强烈 发烟,有刺激气味,凝固点为-80,沸点152.7。 氯磺酸在大气中分散时,蒸发较慢,水解很快。往往液滴还没有完全蒸发,表面上就生成硫酸,包住了液滴,障碍 了蒸发,使液滴不能充分发挥作用,故利用率低。 其次,氯磺酸蒸气水解后生成的氯化氢起不到遮蔽作用,遮蔽能力不高,目前不单独使用。 含有45%氯磺酸和55%的三氧化硫的FS发烟剂是无色易流动的液体,凝固点为-83.6。 FS中氯磺酸沸点较高,挥发较慢,且总有一部分不易挥发出来,利用率不高。 FS发烟剂的遮蔽能力比硫酸酐小,但比氯磺酸要大,所形成的白色烟幕较稳定,但对呼吸器官有刺激作用。 (3)金属四氯化物 四氯化物都是较易挥发的液体,其中四氯化钛、四氯化硅和四氯化锡可用作发烟剂。 )是无色或淡黄色的透明液体,熔点为-23,沸点为135.8。TiCl 液体在空气中分散时与空气中水作用,生成Ti(OH) 蒸气而形成白烟,其反应历程如下: 发烟剂的遮蔽能力是随相对湿度的增大而增大(相对湿度为30%时遮蔽质量为0.88g/m ),相对湿度为90%时,则为0.44 微粒具有吸水性。 发烟剂又称FM发烟剂,它在-23时即凝固,低温时不能喷洒。为此,可通入HCl(约为10%),使凝固点 降至-48。 )都是无色或淡黄色的液体,它们的性能与四氯化钛相似,与水能发生反应, 在空气中能发烟,都能腐蚀有机物质,无水分时不与金属 作用。 的77%。由于这些发烟剂价格贵,并有刺激性与腐蚀性,故使 用受到限制。 9.3.2磷发烟剂 磷与空气中氧相互作用生成五氧化二磷,吸收空气中水分后即形成磷酸烟雾。 磷烟是目前遮蔽可见光性能最佳的发烟剂。(1)黄磷发烟剂 黄磷是无色或带有淡黄色的块状结晶体,熔点为44.3,沸点为280.1。黄磷剧毒,口服0.1g可致命,吸入其蒸气也会 引起坏疽。被黄磷烧伤的肌肤很难治愈。固体黄磷密度:在 0时为1.8368g/cm3,13时为1.827 g/cm3,20时为 1.8233 g/cm3,40时为1.8068 g/cm3。液体黄磷密度与温 度关系式为: 黄磷化学性质活泼,遇空气自燃。黄磷燃烧时发出明亮的黄色火焰,当氧充足生成P ),供氧不足时,生成P 黄磷弹爆炸分散在空气中的磷粒愈小,与空气中氧结合燃速则愈快。此时瞬间内放热量大,造成烟云温度迅速升高, 从而产生强烈朝上的热气流,易形成柱状烟云,俗称“蘑 其三是在黄磷中附加机械增强物(如采用钢丝绒、石棉、合成纤维、毡垫、泡沫塑料、塑料或金属管以及金属网 等),使之爆炸分散时不至于粉碎的太细。 此外,近年来,采用塑态黄磷亦可有效地减小“蘑菇云”。(2)塑态黄磷发烟剂 将黄磷制成小颗粒,然后与天然或人工合成的橡胶液制成胶状物。 将水弄湿的粒状黄磷,用丙酮洗涤三遍后置入混合锅内,在供氮气的条件下搅拌。 当粒状黄磷和液态塑性材料混匀后中断供氮,即制得“胶囊”黄磷。 使其装填于各类发烟器材内,在常温或适当温度下固化即可。这种工艺制得的塑态黄磷能改善黄磷烟幕弹飞行稳定 性,提高了射弹的密集度。 (3)赤磷(红磷)发烟剂 赤磷是细粒结晶体,密度为2.3g/cm ,无明显熔点,在464时升华。 化学上赤磷是比较稳定的。它在空气中缓慢燃烧,燃点240,无毒性。 它的成烟过程与黄磷相同。赤磷发烟剂的遮蔽能力次于黄磷,但其它性能又优于黄磷。 +1.67510 黄磷赤磷 9.3.3燃烧型混合物发烟剂 燃烧型混合物发烟剂其混合物有两种形式:其一,混合物组分中含受热即升华的发烟物质,如氯化铵、萘、蒽等这样的 物质,它的成烟机理是发烟剂燃烧后因产生热而使发烟物质 升华生烟,我们可以将其定义为受热升华发烟剂; 其二,混合物组分中并无受热即升华的发烟物质,它是靠燃烧反应产生出发烟物质,这一类最典型的是金属氯化物发烟 剂,它主要是由氯有机化合物(氧化剂)、金属粉(可燃物)和 一些起辅助作用的物质组成。 (1)受热升华发烟剂 该发烟剂混合物至少有三种成分组成,它们中的某些成分同时具有双重功能。如氧化剂既起供氧作用,其还原生成物也 可作发烟物质;升华物质既起发烟物质作用,它也可起供热 的可燃剂作用。 35%、C14 1042%、NH Cl23%。其中C 14 10在燃烧时部分升华作发烟物质,部分被燃烧起可 燃剂作用NH 10燃烧反应所放出的热作用而 升华,在空气中冷却后则产生白色烟雾。 Cl另外的功能是使药剂机械敏感度降低。这类发烟剂由于含有易升华物质(如NH Cl升华温度250、C14 10升华温 度约200),为防止升华物质被发烟剂燃烧反应的高温引燃, 所以发烟剂的反应温度不能过高。 该类发烟剂遮蔽能力约为黄磷的1/7。(2)金属氧化物发烟剂 该发烟剂中含有有机氯化物和金属粉等,通过燃烧反应产生金属氯化物蒸气,在空气中冷凝后成烟。HC发烟剂即 为该类发烟剂的典范。 1920年法国陆军上尉柏格(Berger)发明了金属粉和有机卤化物组成的目前称之为HC的烟幕剂。 1941年以后则加以改进又有了HC—A型、HC—B型、HC—C型、HC—D型、HC—E型、HC—FH型和HC—GC 型烟幕剂。 HC—A型是1941年美国对HC烟幕剂的改进,其组成为:Zn粉、六氯乙烷(C 和C微粒,并大量放热,造成反应温度过高,而且燃速太快。 除能帮助烟幕冷却外,尚能中和在混合和贮存时生成的酸,以防自燃。 HC—A型存在着自行着火的问题,于是所有A型烟幕剂又被英国的HC—B型烟幕剂代替。 。虽然HC—B比HC—A安全,但不能暴露在湿空气中,它一旦遇湿空 气则会放出气体。为了寻找比CaSi 更安全的还原剂来还原ZnO,导致使用Al还原剂。 因此出现HC—C型烟幕剂。典型配方为:六氯乙烷45.5%、氧化锌47.5%、铝粉7.0% 在HC-C型烟幕剂研制后不久,以同样的研究方法用六氯苯代替了六氯乙烷,而出现了HC—D型烟幕剂。 。它适用于能够密封的弹体中装填。它制成稠状物,装填时能象牙膏似的从 一根管子中挤入弹体内。 HC—FH型和HC—GC型是对HC—A型的改进。它们能产生白色烟云,火焰温度低,在夜间6.1m以外看不到发烟处 的火源。 HC—FH型:锰13.0%,氧化锌37.8% ,六氯乙烷 49.2 ,火焰温度884; HC—GC型:锰8.5% 氧化锌42.5%, 四氯化碳 49.0 火焰温度723

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