作者：周遵宁 编著
出版社：北京理工大学出版社
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光电对抗材料基础试读：
前言
光电对抗技术是能够与不断发展中的先进光电器材相抗衡的一门新技术，是交叉性很强的边缘性学科，其与雷达对抗和通信对抗共同组成电子对抗。光电对抗材料是光电对抗技术的核心，涉及物理学、材料学、化学、光学、电磁学、环境科学等诸多领域，具有多学科性特点。光电对抗材料干扰效能的实现与其应用结构组成和使用方式密切相关，因而又具有多工程性特点。
当前，军用光电子器件正以史无前例的速度向前发展，新技术和新装备不断涌现，性能水平持续提高，远远超出了对其形成有效干扰的光电对抗材料的研发和工程应用的需求。主要原因在于：一是光电对抗材料的创新性、多学科性、多工程性等特点，大大增加了研发难度；二是系统论述光电对抗材料的专业性教材的匮乏；三是缺乏专业性和工程应用性兼备的光电对抗材料研发人才。
近年来，我校相继开设了与光电对抗相关的本科生和研究生课程，引起了学生浓厚的学习兴趣，同时也对专业性教材提出了迫切需求。本书作为光电对抗领域的一部基础性、专业性书籍，是在总结归纳光电对抗材料发展历史和性能特点，并结合几十年的工程实践经验基础上，较全面地阐述了光电对抗材料设计的基础知识和干扰效能的评估方法，主要论述了与光电对抗新体制和新技术密切相关的新型光电对抗材料的设计及发展趋势。
全书共分7章：第1章概述了光电对抗材料的概念、范畴、特点及分类等；第2章和第3章分别阐述了主要光电对抗材料设计的相关基础知识，包括烟火药的设计及气溶胶物理；第4章至第7章分别讲述了衰减型、光辐射型、隐身型、压制性光电对抗材料的设计、制备、效能评估方法以及各自的新体制和新技术发展现状。
在本书撰写和修改过程中，得到了曾庆轩教授、张建国教授、乔小晶教授的大力支持，他们对课程规划设想提出了很好的建议，也促使我更仔细地考虑课程结构以及课程内容的工程应用性。在写作过程中，李石川博士为本书6.2节提供了相关书稿素材，汤润泽博士和魏学宾硕士参与编写了本书的第2章和第4章的部分内容，崔玉玲、金华等高工对光电对抗材料的工程应用提供了相关素材，陈永鹏硕士和姚凯访问学者为本书纠正了很多错误，在此一并表示诚挚的感谢。
本书尝试对光电对抗材料的相关理论和技术做出总结，以期对该领域的发展起到抛砖引玉的作用，也诚挚地希望本书能对从事该领域研究的基础研发和工程技术人员提供帮助。但由于作者的水平有限，加之光电对抗材料是一个富有挑战性和创新性的研究领域，书中难免有一些缺点和不足，真诚希望读者不吝赐教，提出宝贵的改进意见。北京理工大学周遵宁2016年10月第1章绪论
材料、信息和能源被认为是现代文明的三大支柱，而材料是工程技术的基础与先导。现代社会的进步，在很大程度上都依赖于新材料的发现与发展。无怪乎历史学家将材料作为文明社会进化的标志，将历史划分为石器时代、青铜器时代、铁器时代等。20世纪80年代出现的新技术革命把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。
材料的发展最早是从结构材料（structural materials）开始的，结构材料是反映能承受外加载荷而保持其形状和结构稳定的材料，如建筑材料、机器制造材料等。功能材料（functional materials）的概念是美国Morton J A于1965年首先提出来的，是指具有优良的物理、化学和生物或相互转化的功能，用于非承载目的的材料，又分为一次功能材料和二次功能材料。一次功能材料指的是向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时，材料起到能量传输部件的作用。二次功能材料指的是向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式时，材料起能量转换部件的作用。有人认为这种材料才是真正的功能材料。功能材料是能源、计算机、通信、电子、激光等现代科学的基础，在未来社会发展中具有重大的战略意义，因而新型功能材料的研究在近年来得到了突破性的进展。1.1 材料光电磁现象起源
电磁现象是由带电荷的基本粒子之间的相互作用引起的。电荷是基本粒子的内禀性质，实际上讨论一个基本粒子的电荷，比讨论它的质量更精确。这是因为根据相对论的质能原理，一个粒子的质量在不同环境中可以是不一样的。例如，核子的平均质量在中等原子质量的元素中是最小的，这也是在不违背能量守恒定律的前提下，裂变和聚变核反应能进行的基本原因。基本粒子的电荷却是非常稳定的，基本粒子组成的微观物体或宏观物体，其总电荷在任何物理过程中都是守恒的。在宏观物体中往往正负电荷互相抵消，呈现为中性，此时电相互作用很小，不容易被人察觉。自然界中虽然不存在严格的质量守恒，却存在严格的电荷守恒（conservation of charge）。电荷守恒的意思是，在任何物理过程中，正负电荷之和是个守恒量，任何相互作用都不会改变这个守恒量。这是富兰克林最早提出的假设，后来经过无数实验的验证而无误。
电相互作用的精确规律是在1785年由法国人库仑（Charles Augustin Coulomb）发现的，因而把在任何两个带电荷的粒子或物体之间都有的电相互作用力称为库仑力（Coulomb force）或静电力（electrostatic force），也证明了电相互作用是直接与电荷联系在一起的。
电和磁现象的联系，首先是由丹麦人奥斯特发现的。在1820年左右，奥斯特发现的电流对磁针的作用力和安培精确测量的两根带电流的导线间的作用力，显示了磁相互作用力与运动电荷有关。奥斯特对电磁学的发现促进了安培对电磁力的研究，这两人的工作也导致了毕奥-萨伐尔定律（Biot-Savart law）的发现，并由此导致了应用广泛的电磁铁的出现。后来法拉第得到了更广泛的关于电和磁关系的观念，并设计了很多实验，证明电流和磁倾向于彼此环绕。安培受到菲涅耳的启示，提出“磁在本源上是由于电流的作用，在磁体中的每个粒子都有一种产生磁极的赤道圈式的电流”，这就是著名的安培分子电流观念，其推广了法拉第的电与磁的环绕关系。20世纪原子物理和量子力学建立以后，证明原子磁矩是由绕核电子的轨道角动量和电子自旋共同贡献的，这使得安培分子电流假说有了实在的内容。
法拉第是19世纪电磁领域最伟大的实验家。1831年10月，他将永磁体插入与电流计连接的螺线管中，结果电流计的指针发生跳动，他清楚地认识到，这不是来自伏打电池的电流，应该是感生电流，这就是著名的法拉第电磁感应定律（Faraday’s law of electromagnetic induction）的发现。法拉第创造了一种电场或磁场中的“力线”符号（图1.1），并用“力线”符号代替了数学分析，从而把问题分析很清楚。法拉第通过思辨和实验验证，导出“光与磁之间存在某种直接联系”这一重大结论。1845年，法拉第使线偏振光通过一片放置在强大磁场中的“重玻璃片”，然后发现光波通过该材料以后光的波前发生扭曲。法拉第并没有做仔细的理论分析，但是足以使他深信光与电磁现象是有关系的，他的这个思想直接影响了麦克斯韦。图1.1 法拉第用来分析电场的“力线”
1861—1862年，麦克斯韦发表了题为On Physical Lines of Force的论文，开始把法拉第的实验思想翻译成数学语言。麦克斯韦认识到电磁场的能量存在于电介质与导体之中。法拉第曾经对电介质在电磁感应中的作用做过讨论，他认为电介质在外加交流电场中会发生类似“受迫振动”的行为。麦克斯韦改变了法拉第的术语，他认为电位移的变化是一种电流，被称为“位移电流（displacement current）”，位移电流也会感应出周围的磁场，与导体中的传导电流的作用是类似的。更重要的是麦克斯韦认识到介质中的电位移会产生一种波速接近光速的波，这就开启了电、磁、光现象统一的美妙数学理论的大门。麦克斯韦提出此观点的时候，并没有扎实的实验证据，但是其建立的方程组却预言了电磁波的存在，后来被赫兹用电磁波实验证实了。
赫兹用莱顿瓶（Leyden jar）作为电磁波的发生源。莱顿瓶在电学发展史上是个重要的实验设备，实际就是一个电荷存储装置。图1.2中显示的间距被调节到很小的两对铜球，分别是1887年赫兹实验的发射器（transmitter）和接收器（receiver），发射器连着变压器和莱顿瓶，接收器则用一个圆形导线连接起来。当实验室中一边的莱顿瓶发生振荡放电的时候，另一边接收器中的两个黄铜球之间会产生细微的电火花（electric spark）。当时赫兹非常激动，因为这个凌空产生的电火花就证实了电磁波（electromagnetic wave）确实在空间发生了传播。赫兹还使用大的薄锡板作为电磁波反射镜，使电磁波发生反射、折射、衍射和偏振，还让电磁波在水中发生折射等。赫兹讲：“这些实验的目的就是要验证法拉第-麦克斯韦理论的基本假说，而实验的结果证实了这个理论的基本假说的正确性。”后来科学家的实验证明：单位时间内，受光照作用的金属板释放出来的电子数和入射光的发射强度成正比；电子的初动能随入射光的频率线性增强，与入射光的光强度无关；光电子的发射时间与光的强弱无关，光电子的逸出几乎是在光照到金属表面上即时发生的。图1.2 赫兹实验的基本框架：莱顿瓶、发射器、接收器
由赫兹实验开始，电、磁、光现象都被统一在电磁波这个概念下，同时电磁波谱（electromagnetic spectrum）的概念开始建立。实际上，人类现在已经能充分运用电磁波谱的各个波段，在自然科学、工学的很多领域进行基础研究，并在信息电子有关的工业领域进行商业化应用。
电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效地传递能量和动量。由物质中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。电磁波在空间传播过程中所携带的能量，称为电磁辐射能。
电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等（图1.3）。只要是本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射。按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。图1.3 电磁波谱
电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性；而电磁波是由密集的光子微粒组成的，其在与物质相互作用时，主要表现为粒子性，因此电磁波具有波粒二象性。波粒二象性是微观世界物质运动的基本规律。电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。频率越低，光的波动性越显著；频率越高，粒子性越显著。电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性。
人眼可接收到的电磁辐射，波长在380~780 nm之间，称为可见光。可见光是人类自然而然就认知到的，其他波段的电磁波，却是在赫兹的电磁波实验以后才逐渐为人类所知，并逐渐应用到生活领域。赫兹最早发现的是无线电波，这可能通过振荡电路（resonant circuit）的方法获得。赫兹发现阴极射线能穿过金属箔，而不是反射。他的实验过后没多久，在1895年，德国维尔茨堡的医生伦琴发现克鲁斯阴极射线管发射的一种辐射引起一张涂有氰化钠钡的屏幕闪闪发光，而且他发现这种射线能穿透普通光线不能穿透的纸、木头、铝，甚至人体。伦琴命名这种射线为X射线（X-rays），意思是未知的，他用这种射线拍摄的一张人体全身骨架照片，配合上主人公同时衣冠楚楚的照片做对比，登载在报纸上，在德国和欧洲造成轰动。1912—1913年，劳厄、布拉格父子等终于使用X射线实现了对晶体微观结构的实验观测，同时证明了X射线是电磁波以及晶体确实具有完美的周期结构，这是物理学和其他学科有重要影响的衍射学的开端。同样在1895年，德国的Lummer、Pringsheim和Kurbolm测定了在给定温度下的辐射强度。他们证实了热辐射是电磁波引起的，而且其辐射强度（radiation strength）在某个波长上有极值。1900年，普朗克在讲课时为了解释这个现象，发现必须把光的能量量子化，再使用玻尔兹曼的统计物理的方法，才能得到符合实验的理论曲线，拉开了20世纪伟大的量子物理的序幕。
爱因斯坦从普朗克的能量量子化假设中得到了启发，认为普朗克的理论只考虑了辐射物体上谐振子能量的量子化，即谐振子所发射或吸收的能量是量子化的，他则提出辐射能本身也是量子化的，也就是说光在空间传播时，也具有粒子性，粒子（现称为光子）的能量E=hν，其与光的频率成正比。爱因斯坦提出的“光子说”成功地解00释了光电效应的实验结果，使得人们第一次对同一客体使用两种图像来描述：光虽然确定是一种电磁波，但同时亦是由光子组成的粒子流。
依据光子理论，当金属中一个自由电子从入射光中吸收一个光子后，就获得能量hν，如果hν大于电子从金属表面逸出时所需的逸出功A时，这个电子就可从金属中逸出。由能量守恒定律可知，其最大初动能与光子频率有关。这个理论于1916年被密立根的实验所证明。同样由光子理论可得出，当一个光子被吸收时，全部能量立即被吸收，不需要积累能量的时间，说明了光电效应的瞬时发生的问题。
1916年，爱因斯坦又提出，在电磁辐射同物质粒子相互作用时，每个光量子在传递一份能量hν的同时，还传递一份大小为p=h/λ的动量。1923年前后，这个假设被康普顿散射实验所证实（图1.4）。其利用特殊实验装置发现了散射光谱中除有与入射线波长λ相0同的射线外，还有波长λ>λ的射线。这也有力证实了光子理论，说明0了光子具有一定的质量、能量和动量，同时也证实了在微观粒子相互作用的基元过程中，也同样严格地遵守着能量守恒定律和动量守恒定律。图1.4 康普顿散射示意
由光的波粒二象性的提出可以看出，在光子论提出之前，人们过于重视波动的研究而忽视粒子规律的研究。那么在原子结构的理论方面，是否是过于重视粒子规律的研究？由此，1923年法国年轻的物理学家德布罗意（L. de Broglie）大胆假设实物微粒也应像光子一样具有波粒二象性，即：任何运动着的物体都会有一种波动伴随着，因此不可能将物体的运动同波动的传播分拆开来，这种波动称为“相位波”。
德布罗意认为，质量为m的粒子以速度υ匀速运动时，具有能量E和动量p；从波动性方面来看，其具有波长λ和频率ν，这些量之间的关系也和光的各量之间的关系一样。2E=mc=hνp=mv=h/λλ=h/p=h/mv
需要指出的是，德布罗意并不是简单地套用光量子的概念，而是进行过一种以相对论和量子论为基础的具体推导。
1927年，戴维逊（Davisson）和革末（Germer）采用54 eV的电子束在镍单晶上进行反射实验，测得的入射电子束的波长与计算值吻合得很好，从而证实了电子束德布罗意波的存在。同时，汤姆逊（Thomson）父子的电子衍射实验也证实了电子的运动具有波粒二象性。随后，人们进一步测定了其他基本粒子（如原子、分子和质子等）的德布罗意波长。1.2 电子战与光电对抗
在我国习惯称电子战为电子对抗，而西方国家则称之为电子战（electronic warfare, EW），其诞生于20世纪初。随着电子战技术、装备和战术的发展，电子战的内涵也不断发展，定义几经修改（图1.5）。海湾战争后，美国参谋长联席会议又对电子战做了重新定义：利用电磁能或定向能控制电磁频谱或攻击敌军的任何军事行动。它由电子攻击（EA）、电子防护（EP）和电子战支援（EWS）三部分组成。该定义实际上是对电子战概念的又一次扩展，即将定向能武器的攻击也列入电子战范畴，而且对敌方的攻击也不仅限于敌方电磁频谱的使用。图1.5 电子战概念发展历程
光电对抗（electro-optical countermeasure）是电子战的一个重要组成部分，是电子战中光波段（紫外、可见光、红外波段等）的抗争，是为了削弱、破坏敌方光电设备的使用效能，保护己方光电设备正常发挥效能而采取的各种措施和行动的统称。具体来说，就是指利用光电设备和器材对敌方光电武器进行侦察告警并实施干扰，使敌方的光电武器（主要是各类光电制导武器、光电侦察设备等）削弱、降低或丧失作战效能，或通过采取光电隐身、光电假目标、光电防护等反侦察、反干扰措施，避免己方武器装备或作战人员受到敌方光电武器设备的侦察和干扰，从而有效地保护己方光电设备和人员，提高其战场生存能力和作战效能。
光电对抗是否有效，必须符合如下四个基本特征：光电频谱匹配性、干扰视场相关性、最佳距离有效性和干扰时机实时性。随着现代光电子技术的发展，光电武器装备日趋增多，光电对抗也日趋激烈。光电对抗基本形式如图1.6所示。图1.6 光电对抗的基本形式1.3 光电对抗材料特征及分类
当今世界，以新材料和信息技术为核心的高新技术的迅猛发展和广泛应用，使得多种军用光电武器与装备在情报侦察、夜间作战、远程打击等作战行动中发挥了极其重要的作用，因此与之相抗衡的光电对抗技术也逐渐引起重视，并走上快速发展的道路。
光电对抗技术发展的关键是光电对抗材料技术的发展。光电对抗材料是通过材料本身结构和组成实现对电磁波的吸收、散射、反射、发射等功能，属于功能材料，严格意义上讲是属于二次功能材料。其可以是单质，也可以是化合物，可以是导体、半导体或绝缘体，还可以由化学反应产生相应的光电对抗效应，大多数情况下，光电对抗材料以粒子的状态发挥对抗效应。但光电对抗材料不是光电材料。光电材料是能把光能转变为电能的一类能量转换材料，主要包括光电子发射材料、光电导材料和光电动势材料三种。
随新材料和新型加工、制备技术的发展，光电对抗材料的应用范围更宽，作用效率更高，武器装备的作战效能也将得到大幅度提升。与结构材料相比，光电对抗材料有如下特征：（1）光电对抗材料最本质的特征是其功能对应于材料的微观结构和微观物质的运动。（2）光电对抗材料的聚集态和形态非常多样化，除晶态外，还有气态、液态、非晶态、准晶态、混合态、等离子态等。除三维体相材料外，还有二维、一维和零维材料。除了平衡态外，还有非平衡态。（3）光电对抗材料是以元件形式为最终产品，即材料元件一体化。（4）光电对抗材料采用许多先进的新工艺和新技术，如超纯、薄膜化、纳米化、集成化、智能化以及精细控制和检测技术。（5）光电对抗材料是利用现代科学技术，多学科交叉的知识密集型产物。
光电对抗材料的种类繁多，为了研究、生产和应用的方便，常把它分类。由于着眼点不同，分类的方法也不同，目前主要有以下六种分类方法。（1）按对抗波段分类，分为可见光对抗材料、红外对抗材料、激光对抗材料等。（2）按功能分类，可分为发（辐）射型、衰减型、压制型、屏蔽型、隐身型等光电对抗材料。（3）按化学成分分类，可分为金属、无机非金属、有机、高分子和复合材料等。（4）按形成方式分类，可分为化学反应型和物理型光电对抗材料。（5）按材料形态分类，可分为气溶胶、纤维、膜等光电对抗材料。（6）按聚集态分类，可分为气态、液态、固态以及混合态光电对抗材料。
光电对抗材料学是一门多学科交叉的边缘学科，与其相关的学科很多，比较紧密相关的有固体化学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学、结构化学、光电子学、大气物理学、材料学、电磁学、辐射度学等，以及光、电、磁、热等现代技术类学科和分析测试类学科。
由此可见，光电对抗材料学的内容繁多，涉及领域很广。但光电对抗技术的发展主要与光电子技术和新材料技术的发展有关。在设计光电对抗材料时，除考虑材料自身的合成、制备、提纯、改性、储存、使用技术、加工工艺以及材料特征功能的测试技术和表征外，还应考虑对抗目标的工作原理及使用方式；被保护目标的光电特征及所处环境特性；光电对抗材料的应用方式和环境，如采用气溶胶应用方式时，应考虑环境的温度、湿度、风速、风向、大气压等气象条件；还要考虑光电对抗系统总体设计对材料所提出的相关要求，如装填密度、装填结构等要求。当然，材料设计时，也应对相应结构设计提出相关的使用要求，二者是相辅相成、统筹考虑的。第2章烟火药设计基础
烟火药是多数情况下能在隔绝外界空气的条件下燃烧，并产生光、热、烟、声或气体等不同效应的弱爆炸性机械混合物。通常由氧化剂、可燃剂和黏结剂组成，有的还有附加物。军事上用来装填燃烧弹、照明弹、发烟弹和信号弹等各种弹药；民间用于制造焰火、爆竹等。其中氧化剂和可燃物是烟火药的基本组分，而黏结剂和添加剂是根据烟火制品实际性能需要添加的组分。2.1 烟火药设计的一般要求
安全性是设计烟火药时要优先考虑的问题，特别是烟火药制备和贮存时的安全性，与烟火药的设计密切相关。烟火制品的结构、应用环境和应用形式是设计烟火药时应考虑的又一问题。设计烟火药时要考虑的第三个问题是目标特性，包括对抗目标和被保护目标的特性。研究清楚以上问题后，可开展烟火药设计的核心问题，即烟火药材料组分的选择。在本书中重点关注烟火药材料组分的选择和设计。
烟火药中材料的选用一般应考虑材料的纯度、水分、挥发分、粒度、外观、吸湿性、真空安定性、相容性、机械感度、热感度和静电感度等因素，并且应优先选用质量稳定，来源丰富的国产材料。在保证烟火制品性能的条件下，烟火药组分、材料的品种和规格应尽量减少，并最大限度地采用已定型烟火药配方中的材料的品种和规格，以提高烟火药剂的工艺性能、贮存稳定性和经济性，降低药剂的制造成本。此外，烟火药成分的选用一般还应符合下列通用要求：（1）消耗最小量的烟火药能产生最大的烟火特种效应，如声、光、热、烟等；（2）能以一定的燃烧速度均匀地燃烧，在反应区域中没有压力剧烈上升的现象；（3）应具有最小的机械敏感度和爆炸性质，确保制造和使用时安全；（4）应具有合适的热敏感度，确保制造和使用过程中不发生意外发火；（5）不含对人体有毒成分，燃烧产物也不应含有对环境和人员有害的物质；（6）工艺简单，成本低廉，经济性好；（7）用烟火药加工成的烟火制品应具有足够的机械强度。
因此，要制取符合上述要求的烟火药，在设计烟火药时，必须根据各种药剂的用途，合理地选择氧化剂、可燃剂和黏结剂等。2.2 烟火药组成及分类2.2.1 烟火药组成
1）氧化剂
烟火药一般都含有氧化剂，可以是含氧氧化剂，如常用的有氯酸盐、高氯酸盐、硝酸盐、过氧化物、氧化物等，也可以是非含氧氧化剂，如聚四氟乙烯、四氯化碳等。氧化剂在烟火药中的作用是，在高温下分解出氧，使可燃物氧化燃烧，产生各种烟火效应，一般电负性大的元素都可作氧化剂。选择烟火药的氧化剂除应满足对烟火药成分的一般要求外，还应根据以下原则：（1）应为熔点不低于60℃的固体，并在±60℃温度范围内保持稳定；（2）应含有大量的有效氧（>30%），且燃烧时易释放；（3）吸湿性小，受水作用不分解；（4）制成的烟火药的机械感度和热感度低，安全可靠。
烟火药常用氧化剂的性能如表2.1所示。表2.1 烟火药常用氧化剂的理化性能
2）可燃剂
烟火药的可燃剂可分为三类：金属可燃剂、非金属可燃剂和有机化合物可燃剂。
常用的金属可燃剂有镁粉、铝粉、镁铝合金粉、钛粉等。Mg是很活泼的金属可燃剂，熔点是649℃，沸点是1 107℃，燃烧热为-124.7 kJ·g。Mg的沸点低，易于蒸发汽化，当烟火药中有过量的Mg时，蒸发汽化的金属Mg能借空气中的氧产生二次燃烧作用，生成MgO，释放出一定的能量，从而获得额外的能量而提高烟火效应。MTV诱饵干扰剂就是利用了Mg的这一性能。另外，Mg易与烟火药中的微量水分反应生成Mg（OH）和氢气，因而由Mg作为可燃剂的烟2火药，在制成烟火制品时，通常对制品采用浸蜡密封处理，以阻止大气中的水汽进入烟火制品中，同时也有助于释放由烟火药慢反应产生的氢气。常用金属可燃剂性能如表2.2所示，非金属可燃剂性能如表2.3所示。表2.2 常用金属可燃剂性质表2.3 常用非金属可燃剂性质
有机化合物可燃剂在燃烧时除提供热量外，还产生大量的CO和2HO等气体产物，这对形成火焰十分有益。常用的有机化合物可燃剂2有酚醛树脂（CHO）、虫胶（CHO）、淀粉（（CHO）13122162456105）、乳糖（CHO）、松脂酸钙（（CHO）Ca）、石蜡n122412202922（CH）、萘（CH）等，以及硝化纤维素、聚乙烯醇、硬脂酸、2654108乌洛托品、煤油、环氧树脂和不饱和聚酯树脂等。有机化合物往往在具有可燃剂功能的同时还具有黏结剂功能。
可燃剂选择以获得最佳烟火效应为前提，同时要兼顾其经济性和实用性。除要符合烟火药成分的共同要求外，烟火药中的可燃剂还应符合下列基本要求：（1）具有足够的热效应，以保证烟火药能达到最佳的特种效应；（2）具有极易被氧化剂或空气中的氧气氧化的性能，且燃烧时需氧量最小；（3）燃烧时产生的氧化生成物，要能保证达到最佳的特种效应；（4）在±60℃温度范围内具有足够的化学和物理安定性，当受弱酸或弱碱溶液作用时，应尽可能仍保持稳定；（5）有一定的粒度；（6）水分含量应极低，最多不能大于1%。
例如，照明剂以产生高发光强度的光效应为前提。基于热辐射原理，照明剂的可燃剂应选择燃烧热值高的金属粉，且该金属粉燃烧产物为高熔点和高沸点物质，以促使其火焰中具有固体和液体的灼热微粒发射体。具有较高燃烧热值的可燃剂有：Be、Al、B、Li、Mg、Ca、Si、Ti、V、P、C、Zr等。
3）黏结剂
烟火药中常用的黏结剂有虫胶、松香等天然树脂和酚醛树脂等合成树脂，还有糊精以及油类等。酚醛树脂分热固性型和热塑性型两种。热固性型是含有可进一步反应的羟甲基活性基的树脂，在加热或在酸性条件下就可交联固化。热塑性型是加入固化剂（如六亚甲基四胺）后才可反应形成具有三维网络结构的固化树脂。使用黏结剂的目的是使各组分易黏结在一起，增强药剂的机械强度，改变药剂的燃烧速度，降低药剂的机械感度，并起到改善烟火药剂的物理化学安定性等作用。选择用于烟火药的黏结剂，一般应遵循以下原则：（1）黏合力强，抗腐蚀性能好；（2）含氧量多，有较高的燃烧热；（3）燃烧时不影响烟火制品的特种效应；（4）吸湿性小，易溶于通用的酒精、汽油等溶剂；（5）相容性好，制成的烟火制品具有良好的长贮安定性。
多数情况下，在烟火药中过多地使用黏结剂是不适宜的。一方面当药剂中黏结剂含量超过10%时，制品强度不再增强；另一方面过多的黏结剂会破坏烟火药氧平衡，使烟火效应受到显著影响。实际使用时，一般以不大于10%为宜。在有色发光剂中加入黏结剂时，应选用在燃烧时仅产生无色火焰的那些黏结剂，以使火焰保持较好的比色纯度。含氧量超过50%的有机物，在空气中燃烧时，其火焰几乎是无色的。含氧量低的有机物在空气中燃烧时，由于产物中未燃尽的游离碳的存在，会使火焰呈黄色。因此，有色发光剂中的黏结剂应选择含氧量高的有机化合物。常用黏结剂如表2.4所示。表2.4 常用黏结剂物理化学性质
由于烟火药中使用的黏结剂种类很多，其酸度会影响烟火药的安定性和化学物理性质，因此要求黏结剂的pH值控制在6~9。
4）功能添加剂
烟火药组分中的功能添加剂主要包括使火焰着色的染焰剂、加快或减缓燃速的调速剂、增强物理化学安定性的安定剂、降低机械敏感度的钝感剂以及增强各自烟火效应的添加物质等。如为了降低燃速，有时在烟火药中添加CaCO、MgCO和NaHCO：333因为它们在高温下可吸热分解，从而降低了反应温度，使燃速减缓。2.2.2 烟火药分类
GJB 5471—2005《烟火药设计手册》中将烟火药按效应分为以下五类：（1）光效应烟火药，包括可见光照明剂、红外照明剂、闪光照明剂、可见光曳光剂、红外曳光剂、红外诱饵剂、发光信号剂。主要用途包括夜间照明、航空摄影或电影摄制、远距离信息传递和联络、遇险求救或险情预报、弹道指示及跟踪、提高光学器材视距、诱骗或干扰光学探测器等。（2）气溶胶效应烟火药，包括常规发烟剂（赤磷型发烟剂、受热升华型发烟剂、金属氯化物型发烟剂）、抗红外发烟剂（赤磷型抗红外发烟剂、碳烟型抗红外发烟剂、红外辐射型抗红外发烟剂）、彩色发烟剂。主要用于遮蔽/干扰电磁波（可见光、红外、激光、毫米波等）的传输、传递信号、指示目标等。（3）热效应烟火药，包括纵火剂、燃烧剂、引燃剂。其作用一是对易燃目标起纵火作用；二是起引燃作用，造成目标易燃物的二次燃烧。民用上用于烟火冶炼、切割、焊接和用作其他加热源。（4）声效应烟火药，包括爆震剂、笛音剂。军事上用于制造啸声模仿器材，以及供训练时模仿枪炮声和各种弹药的爆炸声响。民用上主要是用于烟花及爆竹制品，供娱乐和庆典用。（5）气体动力效应烟火药，包括气体发生剂、底部排气剂。民用上用于制造各种不同用途的气体发生器和充气装置，如救生筏、汽车安全气囊等；军事上用于固体火箭冲压发动机装药。
当然，也可根据烟火药燃烧过程的特点来分类。它可以分成火焰剂、高热剂、发烟剂和借空气中氧燃烧的物质及混合物等。
需要指出，有些药剂的应用并不局限于某一用途，如照明剂也可用作曳光剂，有色发烟剂除用作昼用信号外亦可用作日间目标指示和弹道示踪。此外，很多药剂都可用来模仿教练器材。2.3 烟火药配方试验设计
烟火药作为机械混合物，由多种组分构成。烟火药配方设计一般分为三步：①确定烟火药组分；②通过烟火药能量平衡计算，确定每种组分在药剂中的质量比例；③开展相关性能试验验证。在本节中，主要讲述前两步，相关性能试验在其他章节中表述。
选定烟火药的组分后，确定组分间比例的原则是：一是药剂中的可燃剂借氧化剂中的氧全部或部分燃烧；二是可燃剂燃烧所释放的能量与达到特种烟火效应所需要的能量相当。2.3.1 化学平衡计量法
选定烟火药的组分之后，必须确定每种组分在药剂中的质量比例。传统的方法是在理论计算的基础上，建立化学反应平衡方程式，并通过实验调整确定配比。计算的原则是药剂中的可燃剂借氧化剂中的氧全部或部分燃烧。该方法虽然费时费力，但对于组成简单的二元或三元组分的烟火药，还是比较适用的，如HC型遮蔽可见光发烟剂。
按下列反应配制化学当量混合物：2Al+3ZnO+CCl→AlO+3ZnCl+2C+Q26232这种发烟剂用于特种弹药，反应太快，温度过高，而且反应产物中有炭粒子生成，因而所得烟雾为深灰色。而下列吸热反应：ZnO+C→CO+Zn-Q约在1 000℃以上发生。因而，理论上分析将反应温度提高到使ZnO本身能与C反应生成CO，这样可以使烟雾变白，而且此反应又是吸热反应，从而可起到降温的作用。拟定出以下简单反应：
由此得出515.4 g ZnO和499.8 g CCl，即51%和49%的不变比26例；延长反应过程以减少反应的放热性，可以仅减少铝的总百分数，而不改变ZnO和CCl之比。换句话说，Al的百分数越高，反应热越高，26反之亦然。据此推算5.9%Al和94.1%预混的51/49的ZnO/CCl混合物，26用作发烟装置装药时有适当的燃烧时间。为减少混合不均匀的影响，Al含量需增加到6.2%。当然，在实际应用中，由于环境热交换和产品尺寸等因素的影响，最佳组分比例还是需要通过与具体产品的实际试验来确定。图2.1为HC发烟剂燃烧形成的遮蔽可见光的白色烟雾。图2.1 HC发烟剂形成的白色烟雾2.3.2 均匀试验设计法
对于四元以上组分的烟火药，由于其组分多，组分间的反应复杂，而且各组分间往往有相互反应，因此很难建立起有效的化学反应方程式。尽管国内外借助计算机技术进行了许多配方设计的化学平衡计算，但结果还是不理想，最后仍需通过大量的试验来确定最佳配方。众所周知，这样的试验工作量非常大，而且所需经费又多，因而需要有一种科学的试验方法来快速、准确地设计出烟火药的最佳配方。
20世纪60年代，华罗庚教授在我国倡导与普及的“优选法”，即国外的斐波那契方法，与我国的数理统计学者在工业部门中普及的“正交设计”法都是试验设计方法。这些方法已为广大技术人员与科学工作者所掌握，取得了一系列成就。但是这些方法应用于现代烟火药剂的设计中已显得力不从心了。
现代统计试验设计原理已经提供了许多优化试验设计方法，如D-最优试验设计、随机均匀网格优化法、增强并行均匀序贯寻优方法、DOE法（现代试验设计方法）、均匀设计法等。David Doehlert曾成功地将DOE法应用于含能材料的设计中。
均匀设计法是近几十年发展起来的伪蒙特卡罗方法或数论方法。它适用于多因素、多水平的试验设计场合。其原理就是在试验前，主动地把试验点均匀分布在整个试验域中。试验次数等于因素的水平数，是大幅度减少试验次数的一种优良的试验设计方法。
由于“均匀设计”具有均匀度的标准，所以它的试验点设计得比其他任一种方法都均匀。众所周知，如果把试验点分布得有些地方集中，有些地方稀疏，则在回归分析时得到的结果不会太理想，而利用“均匀设计”的安排，则会使回归分析的精度提高。
传统的正交试验设计，追求的是“均匀分散”性和“整齐可比”性。“均匀分散”性可保证试验点在因子空间内具有充分的代表性，而“整齐可比”性纯粹是为了数据的直观性分析。由于正交试验法的试验量与每个因素的水平数有关，因此试验水平数不宜太多。若在一项试验中有s个因素，每个因素各有q水平，用正交设计安排试验，则ss至少要作q次试验，当q较大时，就难以实现了。
均匀设计法是将数论和多元统计相结合的方法，让试验点在试验范围内充分“均匀分散”，使得试验次数等于因素的水平数，这样就大幅度地减少了试验次数。“均匀设计”和“正交设计”互有其优点，正交设计的特点是“均匀分散、整齐可比”，因此其结果分析相当简单，只要经过一些算术运算就可以得到完整的结果。但正交试验的水平数不宜太多，因为它的试验量随水平数的s（因素数）次方增加，在试验水平数较多而且试验费较为昂贵的情况下，就不适宜采用。“均匀设计”则是加强了均匀分散这一特点，忽略了整齐可比的性质，则使数据处理变得较为复杂，但在当前计算机充分发展的时代，回归分析完全可以利用计算机代替人工演算，可部分地弥补它的缺点，而且回归分析在多因素多水平的试验中，可充分发挥出它的优势。
近年来，许多领域由于应用均匀设计法进行试验设计，从而大大加快了试验研究的进度。下面介绍均匀试验设计用于干扰发烟剂配方设计的主要过程。
构造均匀设计表的方法及步骤：
每一个均匀设计表是一个方阵，设方阵有n行m列，每一行是{1，2，…，n}的一个置换，表的每一行是{1，2，…，n}的一个子集，但不一定是真子集。符合上述条件的均匀设计表的数量很多。在这里选用好格子点法构造均匀设计表，其方法如下：（1）给定试验数n，寻找比n小的整数h，且使n和h的最大公约数为1。符合这些条件的正整数组成一个向量h=（h，h，…，h）。12m（2）均匀设计表的第j列由下法生成u=ih[mod n]ijj（2.1）
若ih超过n，则用它减去n的一个适当倍数，使差落在[1，n]之中。j可用递推的方法生成u：iju=h1jj（2.2）m
用上述步骤生成的均匀设计表用符号U（q）来表示，如图2.2n所示。图2.2 均匀设计表代表符号
向量h称为该表的生成向量，给定n，相应的h就可求得，从而m也就确定，所以m是n的一个函数，这个函数被称为欧拉函数，记为E（n）。该函数告诉人们均匀设计表最多可能有多少列。下面应用数论方法来确定均匀设计表的列。（1）当n为素数时E（n-1）=n-1（2.4）l（2）当n为素数幂时，即n可表示成n=p，这里p为素数，l为正整数，这时（3）若n不属于上述两种情形，这时n一定可以表示为不同素数的方幂积，即
这样由式（2.1）~式（2.7）就可以构造均匀设计表。
设s种原料的试验范围是单纯形T。若拟比较n种不同的配方，这s些配方对应T中的n个点，配方均匀设计的思想就是使这n个点在T中ss散布尽可能均匀，其设计方案可用如下步骤获得：（1）给定s和n，根据均匀设计表的构造方法生成向量（h，h，12…，h），并由这个生成向量产生均匀设计表s-1中的元素。（2）对每个i，计算
最后将产生的满足配方约束条件的均匀分散点集通过线性变换，变到单纯形T上去。s
为节省计算量，对式（2.9）可以用递推的方法计算。算法如下：（1）令g=1，g=0，k=1，…，n；ksk0（2）递推计算（3）计算则{x}即为所求。kj
下面以由富碳化合物x，氧化剂x，可燃剂x，添加剂x组成的1234发烟剂为例按均匀设计试验法进行试验设计，其各组分的用量范围为
考虑到试验条件的允许和精度的要求，选取了均匀设计表中的第1，4，8列。由它们生成的均匀设计通过式（2.8）变换到单位正方体之中，记变换后的点为{（c，c，c），k=1，…，k1k2k3331}。令{（c，c，c），k=1，…，31}为C中的一组分散均匀的点k1k2k3集，由式（2.9）的变换就可获得单纯形T上的一组点，因此{（c，sk1c，c）}应满足式（2.12）的约束，即k2k3
不难求得，由它们所决定的区域，落于单纯形T=[0.091 13，s0.216]×[0.197 53，0.513 61]×[0.116 28，0.930 23]之中，于是将{（c，c，c）}这些点通过式（2.15）的线性变换变到单纯形Tk1k2k3s上去，其变换为
它们的值分别代入式（2.9）中，求得的31组数据分别代入式（2.14）中，得到31组发烟剂配方，这就是所设计的抗红外发烟剂配方均匀设计方案。将这些配方分别与式（2.12）中发烟剂各组分用量范围进行比较，得到7个满足试验条件的配方，其数据列在表2.5中。表2.5 满足条件的抗红外发烟剂配方设计试验方案
按表2.5中的发烟剂配方，分别配制试样并在试验箱内测试每一试样所成烟幕的性能。在对所测得的结果进行综合比较的基础上，优选出最佳发烟剂配方。由此可以看出，对于组分较多，反应较复杂的发烟剂，可采用均匀设计试验方法进行配方筛选。2.4 烟火药的制备
选择好烟火药组分并计算好各组分的配比后，下面要开展的工作是配制烟火药剂。不同的烟火药制备工艺有很大区别，但大体包含下列主要工序：各组分的准备；药剂的混合、造粒及干燥；药剂制品的成型加工。一般烟火药制备主要工艺流程如图2.3所示。图2.3 烟火药制备流程2.4.1 原材料准备
烟火药制造过程中，影响和危及人身、财产安全的因素，除操作人员违章操作外，最重要的是烟火药原材料的质量。烟火药的原材料必须符合有关原料质量标准，并且有产品合格证，进厂后通过化验和工艺鉴定后，方可使用。烟火药生产中所用的化工原料质量虽然有国家标准或行业标准，但可能由于其标准制定时并未充分考虑到烟火药生产的特殊性，即使理化检验时原材料质量指标达到标准规定的要求，但用来制作烟火药时也可能不符合要求，因此化工原料进厂后必须进行工艺鉴定，合格后才可使用，以充分保证烟火药乃至产品制作的质量和安全。在备料和使用过程中不能混入增加烟火药感度的物质。化工原料贮存条件差或贮存时间长时，与空气中的氧、水分缓慢反应就会变质，因此出厂期超过一年的原材料，必须重做检验，合格后方可使用。
1）制备烟火药前对原材料的预处理要求（1）检验：内容包括品种、规格、粒度、杂质含量、纯度等，符合设计要求才允许使用。（2）原材料间相容性测试：只有相互之间相容性好的材料才允许使用。（3）水分及挥发分检测：水分对烟火药性能和贮存稳定性影响比较大，因此水分含量是必须严格控制的。一般要求烟火药原材料的水分含量不大于0.5%，超过此值必须提前进行预干燥。预干燥可在干燥室中进行，也可在专用干燥设备中进行。（4）粉碎：对原材料进行粉碎的目的：一是使烟火药各组分间的粒径相近，提高烟火药的混合均匀度；二是一般情况下，烟火药组分的粒度越小，其燃速越大，反应性越高。因此对原材料进行粉碎是工艺和性能上的双重需要。粉碎的方式有：压碎、击碎、磨碎、分裂等（图2.4）。图2.4 烟火药材料粉碎方式
粉碎应在单独工房进行，粉碎前后应筛选掉机械杂质，筛选时不能使用铁质等产生火花的工具。粉碎时除应考虑原材料的机械性质外，还须注意它们的其他性质。如硫在粉碎时易带静电，故粉碎器具应接地；氯酸盐机械敏感度很高，粉碎应在具有皮内衬的木制器具内进行；有腐蚀性的原材料应使用瓷制器具；蒽、萘、苯酐等易升华材料，应在工作温度低于升华点的粉碎设备中粉碎。烟火药所用的原材料只能分机单独进行粉碎，感度高的物料如氯酸盐应专机粉碎。其他药物共用工房和粉碎机必须在粉碎完一种药物后，将工具和粉碎机清扫干净后，才能再粉碎另外一种药物。最常用的粉碎器具有球磨机（滚筒式、行星式等）、气流粉碎机（主要用于粉碎机械敏感度不高的材料）、轮碾机等。
机械粉碎物料的注意事项：
①粉碎前对设备应进行全面检查，并认真清扫粉尘。
②必须远距离控制，人员未远离机房，严禁开机。粉碎工房与周围工房的安全距离应符合相关危险品设计规范要求。
③进出料前必须断电停机，并应停机10 min，保证充分散热时间，以防机械过热而引发事故。
④粉碎时应注意通风散热，防止粉尘浓度超标。粉尘不但损害工人身体健康，而且粉尘浓度高容易产生粉尘爆炸。
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