在低压环境下对镁铝基烟火材料的燃烧特性及红外辐射特性的实验研究

《Infrared Physics & Technology》：Experimental investigation on combustion and infrared radiation properties of magnesium-aluminum-based pyrotechnic compositions under low-pressure environments

　　**摘要**
为了阐明低压环境对镁铝基烟火成分（MATV，Mg4Al3/PTFE/Viton）的燃烧和红外辐射性能影响的潜在机制，准备了六种具有不同氧气亏缺量（n = 0, -25, -50, -75, -100, -125）的MATV样品。通过扫描电子显微镜（SEM）对原材料以及n = 0和n = -100的样品进行了形态学表征。在101 kPa和5 kPa的压力下，对所有六种配方进行了热重分析-差热分析（TG-DTA）。由于n = 0和n = -25的配方在40 kPa以下的压力下无法维持稳定的燃烧，因此在5–101 kPa的压力范围内对四种选定的配方（n = -50, -75, -100, -125）进行了低压燃烧和红外辐射测试。系统地研究了环境压力（5–101 kPa）对红外辐射光谱、燃烧特性和推进剂反应动力学的影响。

**光谱分析结果**显示，对于给定的配方，MATV在所有波长范围内的光谱轮廓和辐射强度都随环境压力的降低而降低。相反，在恒定环境压力下，光谱轮廓和辐射强度随着氧气亏缺量的减少而增加。值得注意的是，关键产物AlF3的特征峰从大气压力下的发射峰在5 kPa时转变为吸收峰。这种“从发射到吸收的逆转”归因于在低压条件下燃烧温度降低引起的AlF3从气态向凝聚相气溶胶的相变。

**燃烧性能**：压力降低导致燃烧速率下降、燃烧辐射温度降低以及火焰形态变得细长。这种现象是由于气相反应强度减弱和在低压条件下对流热量损失加剧所致。辐射表面积呈现出随压力变化先减少后增加的非线性趋势，反映了压力引起的火焰物理压缩与氧化反应增强之间的竞争机制。

**反应动力学分析**表明，随着压力的降低，氧化反应的表观活化能从120.64 kJ·mol?1显著增加到492.78 kJ·mol?1，而氟化反应的活化能从237.26 kJ·mol?1增加到318.80 kJ·mol?1。相应地，反应优先级从大气压力下的“氧化主导”转变为低压条件下的“氟化主导”。本研究阐明了压力、成分和燃烧-辐射特性之间的内在相关性，为镁铝基烟火成分在低压环境中的设计和应用提供了实验证据和理论支持。

**引言**
随着航空航天技术、精确制导武器和红外诱饵系统的快速发展，现代国防科学和技术对适用于广域空域和跨空域操作的特种能源材料的性能提出了前所未有的要求。特别是在近太空的低压环境中，设备的红外辐射特性直接决定了其在稀薄氧气环境和极低密度空气大气中的生存能力和操作有效性。然而，传统的红外辐射成分通常受到“低压效应”的影响，如在亚大气压或接近真空条件下燃烧稳定性差、辐射强度显著衰减甚至在燃烧过程中熄灭，这已成为限制高空操作设备性能提升的关键瓶颈。

目前广泛使用的MTV成分（镁/聚四氟乙烯/Viton，Mg/PTFE/Viton）是一类典型的红外诱饵成分[1] [2] [3] [4]。由于它们具有较高的燃烧热值和以气相火焰为主的辐射机制，在常规环境下表现出优异的红外辐射性能。然而，这些成分的能量释放过程严重依赖于空气中氧气的扩散和参与。在低压和低氧环境中，气相燃烧反应受到严重抑制，导致火焰辐射温度降低和辐射强度波动加剧，从而难以维持连续稳定的红外辐射输出，无法满足低压环境下辐射源的严格可靠性要求[5] [6] [7] [8]。

作为红外辐射成分的能源，燃料剂的发热值和反应性在成分的能量输出中起着决定性作用。在MTV（镁/聚四氟乙烯/Viton）成分中，金属镁具有较低的熔点和沸点（熔点：650℃，沸点：1117℃）和良好的反应性，但其发热值（质量发热值：24.7 kJ·g?1，体积发热值：43.0 kJ·cm?3）相对较低。相比之下，铝具有更高的发热值（质量发热值：31.1 kJ·g?1，体积发热值：83.9 kJ·cm?3），被认为是更理想的燃料剂。然而，铝粉在空气中的点燃温度比镁高250℃以上，使其更难以点燃；此外，金属铝表面容易形成致密的氧化铝膜，进一步阻碍燃烧。因此，具有较高发热值（质量发热值：27.6 kJ·g?1，体积发热值：70.4 kJ·cm?3 [9] [10]）和更易点燃性的镁铝合金Mg4Al3逐渐被引入烟火配方中。此外，一些研究[11] [12] [13]将AlB2和MgB2等材料引入高能材料中，以替代镁在各种应用中的使用。

多项研究已经验证了低压环境对MTV的低压燃烧和辐射性能的影响。Koch等人[14]使用热力学软件计算了零氧平衡下MTV的绝热火焰温度与压力之间的关系，发现绝热火焰温度与压力呈正相关，表明压力降低对燃烧不利。Zhang Kangkang等人[15] [16]结合实验研究和数值模拟，研究了压力降低对富燃料MTV烟火燃烧和红外辐射特性的影响。他们的结果表明，MTV烟火的燃烧性能高度依赖于与大气O2的燃烧后反应；随着压力降低，大气O2的分压急剧下降，严重限制了低压环境下燃料Mg的燃烧，导致高温火焰区域缩小，气相和颗粒相的辐射输出能力恶化，以及燃烧速率随压力降低而单调下降。Zhang Kangkang等人[17]研究了MTV在高空操作环境中的燃烧特性，实验结果表明低压环境限制了镁的氟化和氧化反应速率。Li Yifan[18]研究了MTV在低压下的燃烧性能，发现当环境压力降至0.03 MPa时，MTV无法维持稳定的燃烧。上述研究表明，在低压和低氧的双重作用下，MTV的燃烧特性和辐射性能在低压环境下显著减弱。因此，有必要提高MTV在低压条件下的燃烧和辐射性能。

相关研究[19] [20] [21]系统研究了MTV烟火成分在低压条件下的性能，同时也报告了MTV在大气压下的燃烧和辐射特性的改善。然而，关于环境压力对MATV燃烧和辐射特性及其在低压环境下反应动力学影响的研究仍然较少。因此，在本研究中，使用了热重分析仪来分析MTV烟火成分在低压下的反应机制，并计算了它们的反应活化能，表明环境压力的降低改变了MATV的固有反应路径。此外，通过选择不同的压力梯度，系统地探讨了环境压力变化对MTV燃烧和辐射性能的影响。

**总结**
本研究通过以下原创贡献加深了对MTV烟火配方在低压条件下性能的理解：（1）环境压力变化引起的反应路径切换；（2）AlF3的光谱发射-吸收逆转；（3）辐射面积的非线性压力依赖性；（4）建立了定量压力-辐射相关性，为预测MTV型烟火在低压环境中的性能提供了理论框架。本研究的结果为不同压力条件下镁铝基烟火成分的设计和应用提供了实验基础和理论支持。

**术语说明**
**氧气亏缺（n）**定义为100克烟火成分中所有可燃组分完全氧化所需的氧气量与该成分中固有氧气含量之间的差值[22]。此处，“氧气含量”是指分解或消耗1克氧气所需的氧化剂或可燃物的质量，计量单位为克（g）。因此，氧气亏缺也以克（g）表示，作为定量指标。

**实验样品的组成细节和样品制备协议**
每个实验样本的组成规格在表2中列出。在样品制备之前，Mg4Al3镁铝合金粉末通过120目筛子筛分，以确保原材料的颗粒尺寸分布一致。由于每种配方中都是通过外部添加方法加入粘合剂，因此氧化剂和燃料的最终比例各不相同。

为了研究环境压力对MTV烟火红外辐射性能的影响规律，对具有不同氧气亏缺比（n = -50, -75, -100, -125）的MTV配方在不同环境压力下进行了实验测试。测量了这些配方在三个典型红外大气窗口（1.3–3 μm、3–5 μm和8–14 μm）的辐射强度和光谱特性。经过标准黑体源校准后……

**结论**
CO2（4.3 μm）和H2O（2.6–2.7 μm）的光谱在压力降低时从吸收峰转变为发射峰，这归因于低压环境下H2O和CO2分子浓度的降低，从而改变了辐射传输路径。相比之下，AlF3的特征峰在大气压下为发射峰，但在5 kPa时转变为吸收峰。这种“发射-吸收的逆转”现象归因于……

**作者贡献声明**
Tianyu Ren：撰写——原始草稿；Chengkuan Shi：概念化；Zefeng Guo：数据管理；Jun Huang：正式分析；Yichao Liu：资金获取；Chengkun Cai：研究；Kai Chen：方法论；Hua Guan：监督。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

**作者列表**
Tianyu Ren | Chengkuan Shi | Zefeng Guo | Jun Huang | Yichao Liu | Chengkun Cai | Kai Chen | Hua Guan
南京科技大学化学与化学工程学院，南京，江苏210094，中国