由许多离散的凝聚相颗粒组成的Al-Li基合金火焰的燃烧与辐射特性

《Fuel》：Combustion and radiation characteristics of the flame of an Al-Li-based alloy composed of many discrete condensed phase particles

Al-Li和Mg-Al合金作为红外诱饵燃料的燃烧特性及辐射特性研究，通过高速摄影、红外成像、辐射测量和XRD分析发现Al-Li合金中远红外辐射比值为3.0-3.5，显著低于Mg-Al合金的4.5-5.2，其燃烧产物以高温凝聚物为主且燃烧温度更低，Al-Si-Li合金在远红外波段发射增强，为优化红外诱饵光谱匹配提供新策略。

　　本文主要探讨了在红外诱饵配方中使用合金作为可燃成分的特性，以及其在提升红外辐射效果方面的潜力。研究团队设计了两种基于铝-锂（Al-Li）合金和三种基于镁-铝（Mg-Al）合金的配方，并对其燃烧行为和红外辐射特性进行了系统分析。实验结果显示，Al-Li合金在中波至远波红外波段的辐射强度比值为3.0至3.5，而Mg-Al合金则为4.5至5.2。这表明，Mg-Al合金在红外辐射表现上优于Al-Li合金，尤其是在远波红外波段的辐射增强效果更为显著。

研究团队采用多种实验手段来揭示Al-Li合金在中波至远波红外波段辐射强度较低的原因。通过高速摄影、高速红外成像、辐射计和X射线衍射（XRD）技术，他们发现Al-Li合金在燃烧过程中主要产生高温凝结产物，而相比之下，Mg-Al合金的燃烧产物则以气态为主。此外，Al-Li合金的燃烧温度相对较低，这进一步影响了其在远波红外波段的辐射表现。特别地，Al-Si-Li合金在远波红外波段表现出显著的特征辐射，从而大幅提升了该波段的辐射比例。

在引言部分，研究团队指出金属粉末因其高热值、反应活性、热导率以及优异的红外辐射性能，常被用作烟火配方中的燃料。例如，镁粉是MTV（镁/四氟乙烯/维通）配方中的主要燃料，因其出色的红外发射特性而广受关注。同样，铝粉由于其高能量密度，也被广泛用于热剂混合物和点火剂中。然而，纯金属燃料在红外诱饵配方中的燃烧效率通常较低，且其燃烧特性具有固定性，这严重限制了整体配方性能的提升。因此，研究团队认为，通过合金化纯金属，可以有效增强其反应活性，并通过元素配比的调控，实现多元素燃料粉末燃烧特性的定制化，从而提升红外诱饵配方的整体性能。

在引入合金化燃料的研究背景时，研究团队引用了多项已有研究。例如，Shen等人发现，使用铝-硅（Al-Si）合金作为铝热剂的燃料，能够实现更稳定的燃烧过程、更强的点火能力、更高的能量释放和更好的反应活性。Blackman和Diez则研究了铝-锂合金在空气中的燃烧机制，发现锂的低熔点和沸点会在颗粒内部引发沸腾现象，从而导致颗粒的破碎和雾化，进而促进更完全的燃烧。此外，Dreizin指出，铝-锂合金在推进剂中的应用显著提升了其热释放能力，并降低了点火温度。这些研究结果表明，合金化燃料在提升燃烧性能和红外辐射效果方面具有重要价值。

随着光电对抗技术的进步，现代红外诱饵需要更精确地模拟被保护目标的红外光谱特征。典型被保护目标，如飞机和装甲车辆，在中波红外（β波段，3–5微米）和长波红外（γ波段，8–14微米）波段具有显著的辐射特征。然而，传统烟火诱饵的燃烧过程主要产生近波红外（α波段，1–3微米）范围内的辐射。例如，Trung等人通过在MTV型诱饵配方中使用镁-铝合金粉末替代纯镁，发现改进后的配方在中波红外波段的辐射强度显著增强。Koch等人则研究了镁硼（MgB?）和镁硅（Mg?Si）合金的燃烧和辐射特性，发现虽然镁硼的燃烧速度较慢，但其在中波红外波段的辐射强度更高，而镁硅则燃烧更快，整体红外辐射效果更优。这些研究结果进一步支持了合金化燃料在提升红外诱饵性能方面的潜力。

研究团队在实验设计中，充分利用了Al-Li合金和Mg-Al合金在燃烧特性上的优势。他们将不同类型的合金粉末引入红外诱饵配方的设计中，以研究其燃烧行为，包括火焰特征、燃烧温度和辐射强度。为了评估合金粉末的形态特性，研究团队使用了扫描电子显微镜（SEM）进行表征。同时，他们通过同步热重分析和差示扫描量热分析（TGA/DSC）技术，分析了合金粉末的热性能。此外，燃烧过程的记录采用了高速可见光成像和高速红外热成像技术，而红外辐射强度的量化则通过专门的红外辐射计完成。通过对这些数据的对比分析，研究团队能够全面评估不同合金在燃烧和辐射特性上的表现。

研究团队还特别关注了合金粉末在燃烧过程中的形态变化。实验结果显示，经过加工的合金粉末具有不同的粒径分布，其中Al-Li合金的中位粒径（D50）为106.2微米，而Al-Si-Li合金的中位粒径为41.31微米。Mg-Al合金的中位粒径为64.85微米，Mg-Al-Si合金为41.96微米，Mg-Al-Sr合金为40.21微米。这些数据表明，不同合金粉末在粒径分布上存在差异，这种差异可能会影响其燃烧特性和红外辐射效果。为了确保实验的一致性和减少系统误差，研究团队在样品制备过程中使用了标准化的筛网对原始合金粉末进行筛分，以获得更均匀的粒径分布。

研究团队的结论指出，通过分析Al-Li合金和Mg-Al合金的燃烧产物，结合高速可见光和红外成像以及辐射计的实验数据，他们发现Al-Li合金在提升红外诱饵的光谱性能和降低中波至远波红外辐射比方面具有显著优势。此外，研究团队还强调了合金化燃料在提升红外诱饵性能方面的广阔前景。通过合理设计合金成分和配比，可以有效调控燃烧特性和红外辐射效果，从而实现更精准的红外诱饵模拟。这些研究结果不仅为红外诱饵配方的优化提供了理论依据，也为未来相关技术的发展奠定了基础。

在作者贡献声明中，研究团队明确了每位作者在项目中的具体角色。Yuyang Zeng负责撰写和编辑论文、可视化、验证和数据整理；Feipeng Lu参与了验证和实验设计、数据整理；Chengchen Zhang和Qian Huang也参与了验证和实验设计；Yikai Wang和Mingxing Zhang则负责验证、实验设计和形式分析；Wenlong Ren和Dehao Xiong同样参与了验证和实验设计；Chenguang Zhu则负责论文的撰写和编辑以及项目监督。这些分工表明，研究团队在实验设计、数据分析和论文撰写等方面具有高度的专业性和协作性。

在利益冲突声明中，研究团队表示他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究的客观性。这表明研究团队在进行实验和数据分析时保持了独立性和公正性，确保研究结果的真实性和可靠性。此外，研究团队还对本研究提供了资助信息，指出本研究得到了国家自然科学基金（项目编号51676100）和国家应用物理化学重点实验室开放项目基金（项目编号WDYX22614260204和WDYX22614260205）的支持。这些资助信息表明，研究团队的工作得到了国家层面的认可和支持，为后续研究提供了良好的基础。

综上所述，本文通过系统的实验设计和数据分析，探讨了不同合金在红外诱饵配方中的应用效果。研究结果表明，合金化燃料在提升燃烧效率和红外辐射特性方面具有显著优势，尤其是Mg-Al合金在远波红外波段的辐射表现更为突出。同时，研究团队也指出了Al-Li合金在中波至远波红外波段的辐射强度比值较低的原因，这主要与其燃烧产物的性质和燃烧温度有关。通过合理的合金设计和配比，可以有效调控燃烧特性和红外辐射效果，从而实现更精准的红外诱饵模拟。这些研究结果不仅为红外诱饵技术的发展提供了新的思路，也为相关领域的科研人员提供了有价值的参考。