相对湿度与石墨超细粉体红外干扰特性的关系研究_彭文联.pdf

收稿日期：2022-07-15第37卷第6期2022年12月光电技术应用ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGYAPPLICATIONVol.37，No.6December，2022烟幕作为一种人工制造的气溶胶体系，通过衰减电磁辐射达到遮蔽干扰的作用效果，是提高己方目标防护能力的重要手段1-3。超细粉体由于独特的尺寸效应，可以形成具有优异的悬浮性能和消光特性的气溶胶，因此其是烟幕材料的重要存在形式，如超细铜粉4-5、纳米空壳材料6、超细石墨材料7等。超细粉体比表面积大，易于吸附环境中的水分子8，吸湿会影响气溶胶中的颗粒性质和状态，导致烟幕颗粒粒径、密度和遮光度等发生变化，且会显著影响烟幕颗粒的凝并、沉降等行为，继而影响烟幕的作用时间和干扰特性。开展相对湿度（RH）对 光电器件与材料 相对湿度与石墨超细粉体红外干扰特性的关系研究彭文联，于照亮，张彤，张兴高，代晓东，刘清海*（军事科学院防化研究院功能材料研究所，北京）摘要：烟幕作为提高己方防护能力的重要无源干扰手段，其作用效能与相对湿度（RH）密切相关。基于湿度可控的烟幕箱实验系统，测定了不同RH下烟幕材料对35 m和814 m红外的衰减率、沉降速度、质量消光系数，揭示了RH对石墨超细粉体的红外干扰特性的影响规律。在RH较低时，石墨超细粉体烟幕表现出更高的红外衰减率，且红外衰减率随时间减小更慢；随着RH的增大，石墨烟幕颗粒的沉降速率先增大后减小，在RH为50%时沉降速率达到峰值1.0410-3ms-1；实验测得的石墨超细粉体烟幕的质量消光系数随着RH增大总体表现出下降的趋势，RH为28%时35 m、814 m的质量消光系数分别为2.12 m2g-1、1.41 m2g-1，与RH为70%时的相应数值相比分别提高了11.12%和10.05%。关键词：相对湿度；烟幕；红外；超细粉体；光电对抗中图分类号：TQ567.5文献标识码：A文章编号：1673-1255（2022）-06-0063-04Relationship between Relative Humidity and Infrared ExtinctionCharacteristic of Ultrafine Graphite PowderPENG Wenlian,YU Zhaoliang,ZHANG Tong,ZHANG Xinggao,DAI Xiaodong,LIU Qinghai*(Functional Materials Department of Chemical Defense Institute,Academy of Military Science,Beijing,China)Abstract:The effect of smoke screen,which is an important passive jamming means to improve the protectionability,is closely related to relative humidity(RH).The attenuation rates to 35 m and 814 m,settling velocities,and mass extinction coefficients of ultrafine-graphite-powder-based smoke screen under different RH are respectively measured on a humidity-controllable smoke-box experimental system,which revealed the impact of RHon the infrared interference characteristics of smoke screen.At lower RH,ultrafine-graphite-powder-based smokescreen exhibits a higher infrared attenuation rate,and a slower decrease of attenuation rate over time.With the increasing of RH,the settling velocities of smoke particles initially increase and then decrease,with a maximum settling velocity of 1.0410-3ms-1at 50%RH.The experimental results ma nifested that a decrease trend in mass extinction coefficients of ultrafine-graphite-powder-based smoke screen is associated with increased RH.The massextinction coefficients of such smoke screen to 35 m and 814 m infrared at 28%RH are 2.12 m2g-1and1.41 m2g-1,which are higher than those of at 70%RH by 11.12%and 10.05%,respectively.Key words:relative humidity;smoke screen;infrared;ultrafine graphite powders;electro-optical countermeasure光电技术应用第37卷超细粉体红外干扰特性的影响规律研究，对于提升烟幕性能、研发新型烟幕材料具有重要的指导意义。对于湿度与烟幕干扰性能之间的关系，王玄玉等测试了不同湿度条件下红磷烟幕9和HC烟幕10对10.6 m激光的质量消光系数；此外，王玄玉等11测试了不同湿度条件下石墨气溶胶的粒度分布，并理论计算了不同粒径的石墨粒子对814 m红外的消光效率因子。但目前尚缺乏石墨超细粉体干扰性能与湿度关系的直接实验研究以及系统深入的理论分析。以石墨超细粉体为研究对象，基于湿度可控的烟幕箱实验系统，测定了不同RH下烟幕材料对红外的衰减率、沉降速度、质量消光系数，探索了湿度对石墨超细粉体的红外干扰特性的影响规律。1实验1.1试剂和仪器石墨超细粉体购自北京鸿跃。扫描电子显微镜，日本Hitachi SU8020；Mastersizer 3000激光粒度分析仪，英国Malvern公司。1.2红外消光性能实验1.2.1实验系统测试在光程3 m、有效容积6 m3烟幕箱实验系统中进行（实验系统构型如图1所示）。其中包含烟幕发生单元（高压气瓶和喷射器）、红外干扰性能测试单元（黑体和 35 m、814 m红外热像仪）、湿度控制单元（加湿、除湿，控制精度1%RH），此外，烟幕箱内还有两个风扇，用于均匀箱内气体，更快地获得想要的湿度。1.2.2实验步骤（1）实验前先将烟幕箱调整至特定湿度；（2）将2 g烟幕材料装入喷射装置中；（3）调整黑体靶标温度为60 （室温28.3 29.2），对红外测试仪器进行对焦、校准、调零；（4）开启红外干扰性能测试系统（3 5 m、8 14 m），测试空白5 s以上；（5）启动气动喷射装置将样品通过气动喷嘴施放至烟箱中，期间衰减特性测试仪器不间断地记录数据，并基于滤膜浓度采样系统进行两次烟幕质量浓度采样；（6）测试结束后，打开烟箱门，启动排烟装置，将烟箱内残余烟幕抽空。2结果与讨论2.1石墨超细粉体的理化性质图2为石墨超细粉体的扫描电镜照片。可见石墨为片状结构，横向尺寸约为几个微米，粒径分布较窄，但部分粒子处于聚集状态。从图中可见该材料的尺寸小、比表面积大，利于空气中水汽的吸附，适合用于开展湿度影响的相关实验。图3为使用激光粒度分析仪表征的石墨超细粉体的粒径分布。石墨超细粉体表现出很好的对数正态分布，粒径位于0.31414.5 m范围内，中值径Dv（50）为 2.70 m，Dv（90）为 6.98 m，较小的尺寸使之在空气中有较好的悬浮性，适于作为长时间遮蔽干扰的烟幕材料。HumidificationunitDehumidificationunitStirring fanBlack bodyBlack bodySpray deviceStirring fanGay cylinderInfrared thermalImager(35 m)Infrared thermalImager(814 m)图1 湿度可控的烟幕箱实验系统示意图图2 石墨超细粉体的SEM照片64第6期2.2湿度对石墨超细粉体的红外干扰特性的影响规律图4展示了不同RH下石墨超细粉体烟幕的红外衰减率曲线（各曲线根据其最右端数据的大小顺序与箭头右侧标注的湿度对应）。可见湿度可显著影响烟幕的衰减率，无论是对35 m还是814 m红外，RH 为 28%的衰减率均高于其他 4 个 RH（35%、50%、60%、70%）对应的衰减率。为了更好地对比不同湿度下的衰减率，选取3060 s时间段的衰减率求平均值，其与RH的关系如图5所示。可见随着RH增大，无论是对35 m还是814 m红外，3060 s时间段的衰减率平均值近线性地单调下降，即石墨超细粉体烟幕在低RH时表现出更高的平均衰减率。与其他烟幕材料类似，图4中的所有衰减率曲线均表现出随着时间增大衰减率减小的趋势，这是源于烟幕颗粒的不断沉降导致烟幕衰减性能减弱。但图4中，不同RH下的衰减率曲线表现出不一样的减小速率。为了更好地说明这一现象，分别求取了图4中各衰减率曲线中3060 s时间段的衰减率平均值、330360 s时间段的衰减率平均值，将后者除以前者得到比值，该比值在一定程度上可以反映衰减率曲线随时间的减小速率，其与RH的关系如图6所示。（由于图4中的814 m红外衰减率曲线波动较大，此处只对35 m红外衰减率曲线进行分析）。86420f/（%）0.010.11101001 000Particle size/m图3 石墨超细粉体的粒径分布（激光粒度分析仪）8482807876Attenuation rate/（%）0100200300400500600Time/sRH：28%50%60%35%70%（a）35 m706866646260Attenuation rate/（%）0100200300400500600Time/sRH：28%60%50%35%70%图4 不同相对湿度下石墨超细粉体烟幕的红外衰减率曲线（b）814 m1009080706050Attenuation rate/（%）35 m814 m203040506070Relative Humidity/（%）图5 不同相对湿度下石墨超细粉体烟幕在3060 s时间段的红外衰减率平均值1.000.990.980.970.960.95Ratio203040506070Relative Humidity/（%）图6 不同相对湿度下石墨超细粉体烟幕在330360 s时间段的红外衰减率平均值与3060 s时间段的红外衰减率平均值的比值彭文联等：相对湿度与石墨超细粉体红外干扰特性的关系研究65光电技术应用第37卷（下转第89页）可见随着RH增大，该比值近线性地单调下降，即石墨超细粉体烟幕在低RH时，红外衰减率曲线随时间减小更慢，将会有更长的作用时间。衰减率曲线随时间的减小速率与烟幕颗粒的沉降行为密切相关。沉降速率可有效表征烟幕粒子的沉降性能，烟幕的沉降速率Vd可依据如下公式计算Vd=ht2-t1lnc1c2（1）式中，h为烟幕高度（1.33 m）；t1，t2为采样时间点（分别为120 s、390 s）；c1，c2为采样烟幕浓度。根据式（1），计算的石墨超细粉体烟幕的沉降速率与RH的关系如图7所示。可见湿度对石墨烟幕颗粒的沉降速率具有显著影响，最大值（1.0410-3ms-1）为最小值（9.2310-5ms-1）的11.3倍，充分说明了湿度会显著影响石墨超细粉体的沉降行为。随着RH的增大，石墨烟幕颗粒的沉降速率先增大后减小，在RH为50%时表现出最大值，可能是源于随着湿度增大，烟幕颗粒粒径增大11，导致沉降增强，而另一方面，过大的湿度对于烟幕可能存在一定的稳定作用，从而表现出如图7所示的影响规律。值得注意的是，湿度对烟幕颗粒的沉降速率的影响规律（见图7），与湿度对衰减率曲线随时间减小速率的影响规律（见图6）不一样，说明湿度除了影响颗粒沉降行为，可能还会对烟幕颗粒本身的消光性能产生影响。因此，文中计算了不同RH下石墨超细粉体烟幕的质量消光系数a，计算公式如下=1CmLln1T（2）式中，T为透过率，等于1减去衰减率；Cm为烟幕质量浓度，单位为gm-3；L为光程，单位为m。如图8所示，随着RH增大，无论是对35 m还是814 m红外，石墨超细粉体烟幕的质量消光系数总体表现出下降趋势，在低RH时表现出更高的质量消光系数。RH为28%时对35 m、814 m红外的质量消光系数分别为2.12 m2g-1、1.41 m2g-1，与RH为70%时的相应数值相比分别提高了11.12%和10.05%。3结论（1）湿度可显著影响烟幕的衰减率，在低RH时，石墨超细粉体烟幕表现出更高的红外衰减率，且红外衰减率随时间减小更慢，将导致更长的作用时间。（2）湿度会显著影响石墨超细粉体的沉降行为，随着RH增大，石墨烟幕颗粒的沉降速率先增大后减小，在RH 50%时沉降速率达到最大值1.0410-3ms-1，为RH 28%时沉降速率的11.3倍。（3）随着RH增大，实验测得的石墨超细粉体烟幕的红外质量消光系数总体表现出下降的趋势，RH为28%时对35 m、814 m红外的质量消光系数比RH为70%时的相应数值分别高11.12%和10.05%。（4）鉴于湿度对烟幕性能的显著影响，在烟幕使用性能评价和新型烟幕材料研发中应充分考虑湿度因素。参考文献1WU Xin，ZHANG Jianqi，HUANG Xi，et 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