照明剂的配制原理详解

照明剂主要是由氧化剂和可燃剂组成的混合物，其他成分（包括增强力学性能与化学安定性的黏结剂，以及改善照明剂的燃烧性能的附加物等）总含量一般不超过10%～15%。

合理地选择氧化剂、可燃剂和其他成分，并确定最佳比例，将决定着照明剂的性能。

7.1.5.1　氧化剂的选择

照明剂氧化剂的选择有以下两个原则：

（1）含氧量丰富，在较高温度下易于分解，分解热不大。只有这样的氧化剂配制出的照明剂才具有较大的热效应和稳定的燃烧性能。

（2）分解生成物应呈灼热的固体或液体微粒，并应能产生对人眼敏感的黄绿色光谱。选择氧化剂的重要依据之一，是看其所配制的二元混合物的发光示性数。几种不同的氧化剂所配制的二元混合物的发光示性数见表7.5。

表7.5　几种氧化剂二元混合物的发光示性数（照明炬直径ϕ=24 mm，纸质壳体）

续表

从上表可以看出，对于同一可燃剂，用钾盐和铵盐作为照明剂的氧化剂是不合适的，因为由它们配制的二元混合物的质量光量较小。钡盐和钠盐配制的照明剂具有较好的发光示性数，因而被选用。

氧化剂选择是否合适的另一个重要依据是含氧量的多少、分解难易程度及其生成热的大小。钡盐氧化剂的这方面性能见表7.6。

表7.6　几种钡盐的特性及与Mg的二元混合物热效应

从上表可看出，所列钡盐含氧量都相当高。但由于它们在分解时所消耗的热量不同，它们与金属可燃物作用时放出的热量有着很大差异。例如BaSO4分解吸热过多，致使BaSO4+Mg的混合物热效应较小，故BaSO4不能选用。Ba（ClO3）2+Mg的混合物虽然热效应高，但其机械敏感度太高，实际上也不选用。钡盐氧化剂中唯Ba（NO3）2性能佳，因此获得广泛应用。

应当指出，在相同的装药条件下，含NaNO3的钠盐照明剂较含Ba（NO3）2的钡盐照明剂发光强度高，燃烧时间长，照明效果好。但由于NaNO3易吸湿，在防潮密封问题未解决好之前，除需要黄光照明外，白光仍优先选用Ba（NO3）2做氧化剂。

7.1.5.2　可燃剂的选择

可燃剂是照明剂燃烧时产生照明效应的燃料，选择时必须注意两点：

（1）具有尽可能高的燃烧热值；

（2）其燃烧生成物为高熔点和高沸点物质，以促使火焰中含有更多的固体或液体的灼热微粒。

具有较大燃烧热值的可燃剂有Be、Al、B、Li、H、Mg、Ca、Si、Ti、V、P、C、Zr。由于H是气体，P在空气中燃烧温度不超过1 500℃，C发光效率低，Be价格高，V热效应低，B、Zr机械敏感度高且发光效率也不理想，Li、Ca腐蚀性大，Si燃烧缓慢，所以工程应用上实际选用的是Al、Mg及其合金作可燃剂。鉴于Mg易燃性好，且其燃烧生成物MgO具有高熔点（2 800℃）、高沸点（约3 100℃），大多数情况下使用Mg作照明剂的可燃剂。

7.1.5.3　黏结剂的选择

照明剂中的黏结剂应选择一些既起黏结作用又具有燃烧特性的可燃物质。选择的原则是：

（1）保证照明剂有足够的机械强度；

（2）生成热要小，燃烧热要大；

（3）有较高的熔点；

（4）能改善药剂的化学安定性。

照明剂常用的黏结剂有清油、松香、松脂酸钙、酚醛树脂、环氧树脂、虫胶、亚麻油、向日葵油、蓖麻油等。随着新型黏结剂不断出现，一种不饱和聚酯树脂（Laminac）已经被用于照明剂中。

由于清油（C16H26O2）作黏结剂的照明剂制备工艺简单，机械敏感度小，生产安全，并能获得较好的照明效应，迄今很多照明剂中仍选用之。

黏结剂性能不同，对照明剂发光性能的影响不一。不同种类的黏结剂对发光强度和燃速的影响见表7.7，其配方为：硝酸钡50%，镁粉46%，黏结剂4%。

表7.7　不同黏结剂对发光强度和燃速的影响

7.1.5.4　附加物的选择

为了改善照明剂性能，需要在照明剂中加入少量的附加物。例如，为改善火焰光谱能量分布，选用氟硅酸钠、氟铝酸钠；为增加气相产物扩张火焰面积，选用六次甲基四胺；为延长燃烧时间，选用氯化聚醚等。氟硅酸钠和氯化聚醚加入照明剂中后，其发光强度和燃烧时间的变化情况见表7.8和表7.9。

表7.8　氟硅酸钠含量对发光强度与燃烧时间的影响

表7.9　氯化聚醚含量对发光强度和燃烧时间的影响

7.1.5.5　各成分含量的确定

照明剂各成分含量可以采用经验（试验）方法和理论计算方法来确定。

照明剂一般都是由多种成分组成的，而氧化剂和可燃剂仍是其成分的基础。在用计算方法确定多成分照明剂各成分含量时，可以将多成分视为由数个同一氧化剂的二元混合物所构成。(www.xing528.com)

照明剂燃烧时，既可以利用氧化剂中的氧燃烧，又可以部分借空气中的氧进行燃烧。从提高照明剂有效装药载荷和提高发光效率考虑，希望药剂中的氧化剂含量尽量少，而可燃剂尽可能多（部分可燃剂借空气中氧燃烧）。基于这一点，确定各成分含量时，配方设计以负氧平衡为原则。负氧差的大小一般要兼顾到发光强度和燃速。根据实践经验，通常氧差n取值为-19～-27 g为宜。

照明剂的负氧差在一定范围内是随负氧差的绝对值增大而发光强度提高，燃烧时间变长；反之，发光强度下降，燃烧时间缩短。这是负氧差大时照明成分中的可燃剂相应的含量高的缘故。照明剂中氧化剂和可燃剂含量的确定要充分注意到其含量不同时所带来的热效应和发光示性数的变化。Ba（NO3）2和Mg组成的二元混合物随Ba（NO3）2和Mg含量不同所获得的试验结果见表7.10。

表7.10　Ba（NO3）2+Mg的不同配方与其发光示性数

由上表可知，一定程度上（n≤-30 g）随Mg可燃剂含量增大和Ba（NO3）2氧化剂含量的减少，发光强度、质量光量均提高。低沸点的Mg（沸点为1 100℃）作为照明剂的可燃剂时，在一定负氧差范围内，负氧差越大，质量光量越好。这是过量的Mg气化后与空气中氧产生二次燃烧作用的结果。

照明剂各成分含量除用经验确定外，多采用计算的方法确定。但必须指出，照明剂的燃烧反应过程相当复杂，不仅与各原材料及其配比有关，还与燃烧时的环境压力、温度等因素相关，以致计算结果往往不够准确。因此，经计算获得的各成分含量尚需通过性能试验后才能确定。具体计算方法如下：

例7.1　试计算硝酸钡、镁粉、清油和石墨组成的照明剂配方（取氧差n=-23 g）。

解：将照明剂分成由硝酸钡与镁粉、硝酸钡与清油、硝酸钡与石墨构成的三个二元混合物。清油和石墨在照明剂中的比例很小，故根据经验确定为清油5%、石墨2%。

（1）各成分的燃烧反应式：

（2）查氧化剂、可燃剂和黏结剂性能表知：

放出1 g氧需3.27 g的硝酸钡；

1 g氧能氧化1.52 g的镁粉；

1 g氧能氧化0.36 g的清油；

1 g氧能氧化0.38 g的石墨。

（3）氧化5%的清油需用硝酸钡的质量：

（4）氧化2%的石墨需用硝酸钡的质量：

（5）借空气中氧燃烧的镁粉质量：

（6）在100 g照明剂中，硝酸钡和能够被其氧化的镁粉质量：

其中：

硝酸钡3.27×30.5/（3.27+1.52）=20.8（g）

镁粉1.52×30.5/（3.27+1.52）=9.7（g）

（7）硝酸钡总质量：

（8）镁粉总质量：

（9）硝酸钡与镁粉的质量比：

硝酸钡83.3×（100-5-2）/（83.3+44.7）=60.6（%）

镁粉44.7×（100-5-2）/（83.3+44.7）=32.4（%）

即该照明剂各成分的含量确定为：

硝酸钡61%；镁粉32%；清油5%；石墨2%。

现役白光（钡盐）、黄光（钠盐）照明弹照明剂的各成分含量见表7.11和表7.12。表7.12中的1号成分是迫击炮照明弹用的黄光照明剂，它与同样配比的表7.11中的2号钡盐照明剂相比，光度高一倍，燃烧时间长1/4左右。

表7.11　白光照明剂配方

表7.12　黄光照明剂配方