Nghiên cứu sử dụng chất kết dính cao phân tử để chế tạo hỗn hợp hoả thuật phát hồng ngoại 3 14um

Luận văn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

TRẦN MINH CÔNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CHẤT KẾT DÍNH CAO PHÂN TỬ ĐỂ CHẾ TẠO HỖN HỢP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC

Hà Nội, 2011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

TRẦN MINH CÔNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CHẤT KẾT DÍNH CAO PHÂN TỬ ĐỂ CHẾ TẠO HỖN HỢP

Chuyên ngành: Hoá hữu cơ

Mã số: 62 44 27 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS Lê Trọng Thiếp

2 TS Phạm Quang Định

Hà Nội, 2011

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

Tác giả

Trần Minh Công

lý kỹ thuật, Phòng Tham mưu - Kế hoạch và Phòng Đào tạo/Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Thuốc phòng - Thuốc nổ/Tổng cục CNQP, đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án

Hà Nội, tháng năm 2011

Tác giả

Trần Minh Công

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt v

Danh mục các bảng vi

Danh mục các hình vẽ, đồ thị, ảnh viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Thuốc hoả thuật phát xạ hồng ngoại 4

1.1.1 Thuốc hoả thuật 4

1.1.1.1 Thành phần của THT 4

1.1.1.2 Phản ứng toả nhiệt và điều kiện xảy ra phản ứng cháy THT 8

1.1.1.3 Đặc trưng kỹ thuật của THT và các yếu tố ảnh hưởng 11

1.1.1.4 Công nghệ chế tạo THT 19

1.1.2 THT phát xạ hồng ngoại 21

1.1.2.1 Các nguồn phát hồng ngoại 21

1.1.2.2 THT sử dụng trong pháo sáng hồng ngoại 24

1.1.2.3 THT phát xạ hồng ngoại cho phương tiện hoả thuật sử dụng làm mục tiêu giả 30

1.2 Hợp chất hữu cơ, cao phân tử dùng làm chất kết dính trong THT phát xạ hồng ngoại .38

1.2.1 Hợp chất hữu cơ, cao phân tử dùng làm chất kết dính trong THT .38

1.2.2 Hợp chất hữu cơ, cao phân tử dùng làm chất kết dính trong THT phát xạ hồng ngoại 47

1.2.2.1 Hợp chất hữu cơ, cao phân tử dùng làm chất kết dính

trong THT phát xạ hồng ngoại dạng nén được 48

1.2.2.2 Hợp chất hữu cơ, cao phân tử dùng làm chất kết dính trong THT phát xạ hồng ngoại dạng đúc được 49

Chương 2: THỰC NGHIỆM 53

2.1 Hóa chất, vật tư, thiết bị, dụng cụ 53

2.1.1 Hoá chất, vật tư 53

2.1.2 Thiết bị, dụng cụ .55

2.2 Phương pháp nghiên cứu .56

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 64

3.1 Tính toán hệ thuốc hỏa thuật 64

3.1.1 Xác định thành phần và yêu cầu kỹ thuật của hệ THT 64

3.1.2 Tính cân bằng ôxy của hệ thuốc .65

3.I.3 Tính toán hiệu ứng nhiệt 68

3.2 Nghiên cứu lựa chọn chất kết dính polime cho thuốc hỏa thuật phát xạ hồng ngoại 70

3.1.1 Khảo sát về đặc trưng năng lượng 70

3.1.2 Khảo sát độ bền hoá lý .76

3.1.3 Khảo sát sự phát xạ hồng ngoại 82

3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng chất kết dính polime 87

3.2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng chất kết dính đến kết cấu các viên (hay hạt) phôi THT .87

3.3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng chất kết dính polime đến các

3.4.1 Ảnh hưởng của khối lượng phân tử PVC đến độ nhớt,

thời gian hoà tan và độ xuyên kim của hỗn hợp 92

3.4.2 Ảnh hưởng của khối lượng phân tử chất kết dính PVC

đến kết cấu các viên (hay hạt) phôi thuốc hoả thuật 94

3.4.3 Ảnh hưởng của khối lượng phân tử PVC đến đến độ hút ẩm

và độ bền nén của THT 96

3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất cháy kim loại 99

3.5.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất cháy kim loại

đến vùng phổ 3÷5µm và 8÷12µm 99

3.5.2 Ảnh hưởng của hàm lượng chất cháy hợp kim Al-Mg

đến cường độ phát xạ hồng ngoại trong vùng sóng 1÷5µm 103

3.5.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần đến đặc trưng hoá lý

3.7 Nghiên cứu ứng dụng hoả cụ phát xạ hồng ngoại 114

3.7.1 Đo đạc, thử nghiệm các chỉ tiêu hóa lý của hỏa cụ PXHN 114

3.7.2 Đo đạc phổ phát xạ hồng ngoại 114

3.7.3 Thử nghiệm khả năng chịu ẩm của hoả cụ 117

3.7.4 Thử nghiệm độ bền rung xóc của hoả cụ 118

3.7.5 Thử nghiệm khả năng bắt cháy và thời gian cháy, nhiệt độ cháy và cường độ phát xạ hồng ngoại của hoả cụ 118

3.7.6 Nghiên cứu ứng dụng hỏa cụ phát xạ hồng ngoại với các cự ly phát xạ khác nhau 120

KẾT LUẬN 124

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO 127

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ABS

CTFE

HTPB

Acrylonitrin butadien Polyclotrifloetylen Cao su butadien có nhóm OH cuối mạch KLPT Khối lượng phân tử

MTV

NBR

Magie-Teflon-Viton Cao su polibutadien – nitryl

DANH MỤC CÁC BẢNG

I

II Bảng 1.1: Tính chất của một số chất oxi hoá 6

III Bảng 1.2: Tính chất của một số chất cháy 7

Bảng 1.3: Nhiệt lượng cháy của một số THT 13

Bảng 1.4: Thể tích sản phẩm phản ứng cháy trung bình của một số THT 14

Bảng 1.5: Quan hệ giữa nhiệt độ cháy với nhiệt lượng cháy của THT 15

Bảng 1.6: Ảnh hưởng của hàm lượng chất kết dính lên độ bền của THT 19

Bảng 1.7: Một số THT dạng đúc 26

Bảng 1.8: Một số THT hồng ngoại dạng nén 28

Bảng 1.9: Tính chất hoá lý của một số chất cháy - kết dính hữu cơ 46

Bảng 3.1: Thông số nhiệt động của các chất trong phản ứng 69

Bảng 3.2: Đặc trưng năng lượng của một số mẫu THT với các chất kết dính – polime khác nhau 72

Bảng 3.3: Nhiệt độ xảy ra phản ứng cháy của hỗn hợp THT xác định theo phương pháp phân tích nhiệt khối lượng TG 73

Bảng 3.4: Độ hút ẩm của THT chứa 2% chất kết dính PVC, NC và PVAc 79

Bảng 3.5: So sánh cường độ phát xạ hổng ngoại cực đại của THT sử dụng chất kết dính PVC, PVAc và NC ở các dải phổ 86

Bảng 3.6: Quan hệ các thông số hóa lý THT với hàm lượng chất kết dính PVC khác nhau 89

Bảng 3.7: Độ nhớt, thời gian hoà tan và độ xuyên kim của các mẫu thử dùng PVC có KLPT khác nhau 93

Bảng 3.8: Độ hút ẩm và độ bền nén của các thỏi THT dùng PVC có KLPT khác nhau 97 Bảng 3.9: Nhiệt lượng cháy và nhiệt độ cháy của THT có hàm lượng chất oxi hoá và chất cháy kim loại khác nhau 99

Bảng 3.10: Cường độ phát xạ hồng ngoại của THT phát xạ hồng ngoại

mẫu 3, 4 và 5 104

Bảng 3.11: Đặc trưng của một số THT phát xạ hồng ngoại có tỷ lệ

chất oxy hoá - chất cháy khác nhau 106

Bảng 3.12: Thời gian cháy của thuốc hoả thuật hồng ngoại chứa bột hợp kim

Al-Mg có cỡ hạt khác nhau 110

Bảng 3.13: Ảnh hưởng của áp lực ép đến thời gian cháy, đặc trưng của hoả cụ 111 Bảng 3.14: Tỷ lệ thành phần của thuốc hoả thuật phát xạ hồng ngoại 112 Bảng 3.15: Khả năng bắt cháy và thời gian cháy của THT trong hoả cụ

qua thử nghiệm gia tốc nhiệt ẩm 117

Bảng 3.16 : Thời gian cháy và nhiệt độ cháy của hoả cụ phát xạ hồng ngoại

đo ngoài thực địa 119

Bảng 3.17: Cường độ phát xạ hồng ngoại của hoả cụ phát xạ hồng ngoại 119 Bảng 3.18: So sánh cường độ phát xạ của hỏa cụ phát xạ hồng ngoại ở các

khoảng cách đo khác nhau giữa tính toán và thực tế 124

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Độ dài bước sóng bức xạ ở những nguồn nhiệt khác nhau 11 Hình 1.2: Sơ đồ sản xuất THT và hoả cụ 21 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo nhiệt độ bùng cháy 61 Hình 3.1: Biểu đồ phân tích nhiệt TG của THT sử dụng các chất kết dính

Hình 3.6: Sự biến thiên độ hút ẩm của THT sử dụng chất kết dính-polime

khác nhau theo chu kỳ thử ẩm 80

Hình 3.11: Biểu đồ biến thiên nhiệt lưọng cháy, thể tích sản phẩm khí, nhiệt

độ bùng cháy của các mẫu THT có hàm lượng PVC khác nhau 90

Hình 3.12: Phổ hồng ngoại của các mẫu THT có hàm lượng PVC khác nhau 91

Hình 3.13: Ảnh kính hiển vi điện tử quét của hạt phôi THT với chất kết

dính PVC có KLPT khác nhau 95

Hình 3.14: Phổ hồng ngoại của THT có hàm lượng chất oxi hoá, chất cháy

kim loại khác nhau 102

Hình 3.15: Phổ nhiệt phát xạ hồng ngoại của các mẫu chứa hàm lượng bột

hợp kim Al-Mg khác nhau dải sóng 1,0-2,3µm 104

Hình 3.16: Biểu đồ biến thiên nhiệt lưọng cháy, thể tích sản phẩm khí,

nhiệt độ bùng cháy của các mẫu THT có hàm lượng KClO4 khác nhau 107

Hình 3.17: Biểu đồ biến thiên nhiệt lưọng cháy, thể tích sản phẩm khí, nhiệt độ

bùng cháy của các mẫu THT có hàm lượng bột hợp kim Al-Mg

khác nhau 107

Hình 3.18: Biểu đồ phân tích cỡ hạt hợp kim Al-Mg 109 Hình 3.19: Sơ đồ tiến trình công nghệ chế tạo THT và hoả cụ phát xạ

hồng ngoại theo công nghệ bán ướt 113

Hình 3.20: Phổ hồng ngoại của mẫu thuốc HN-07 trong vùng 3-5µm và 8-14µm 115

Hình 3.21: Phổ hồng ngoại gần của mẫu thuốc hoả thuật HN-07

trong vùng 1-5µm 116

Hình 3.22: Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng của cự ly quan sát đến cường độ

phát xạ hồng ngoại 121

THT là một hỗn hợp cơ học của chất oxi hoá, chất cháy và chất kết dính Trong công nghệ chế tạo THT, người ta có thể sử dụng các hợp chất hữu cơ, cao phân tử với các vai trò khác nhau nhưng quan trọng nhất là dùng làm chất cháy - kết dính Các hợp chất hữu cơ, cao phân tử phải đáp ứng được các yêu cầu riêng tuỳ theo mục đích sử dụng Việc nghiên cứu bản chất hoá học của các hợp chất hữu cơ, cao phân tử có ý nghĩa quan trọng, xác định được khả năng đáp ứng của từng chất khi sử dụng, phục vụ cho việc thiết kế hỗn hợp THT [74]

Trên thế giới, nghiên cứu THT phát xạ hồng ngoại đã được bắt đầu từ những năm 50 của thế kỷ trước [15] nhưng mãi đến những năm 1990 mới được nghiên cứu rộng rãi, có nhiều thành quả Tuy nhiên, các công trình chủ yếu mang tính chất quân sự, công bố hạn chế, không chi tiết về các nghiên cứu chuyên sâu, đặc biệt là những công trình nghiên cứu sử dụng hợp chất cao phân tử làm chất kết dính trong các THT phát xạ hồng ngoại

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu về THT nói chung mới bắt đầu được tiến hành tại một Viện nghiên cứu của quân đội vào những năm 80 của thế kỷ trước THT phát xạ hồng ngoại nói riêng mới chỉ được nghiên cứu trong vài năm trở lại đây ở dạng đề tài nghiên cứu phát triển

Phòng chống chiến tranh công nghệ cao và phục vụ cứu hộ, cứu nạn là những vấn đề quan trọng Trong đó, hoả cụ trên cơ sở THT phát xạ hồng ngoại dải sóng 3-5µm và 8-14µm được quan tâm nhiều nhất, đặc biệt trong

quân sự để chế tạo mục tiêu giả phục vụ huấn luyện và thử nghiệm tên lửa có đầu tự dẫn hồng ngoại Trong THT, thành phần cao phân tử đóng vai trò vừa

là chất kết dính vừa là chất cháy Việc lựa chọn chất kết dính, tỷ lệ thành phần, chế độ công nghệ để chế tạo ra hoả cụ phát xạ hồng ngoại là những vấn

đề được nhiều chuyên gia quan tâm nghiên cứu

Mặt khác, nghiên cứu sử dụng chất hữu cơ, cao phân tử một cách hệ thống, cơ bản trong THT phát xạ hồng ngoại ở trong nước chưa có công trình nào công bố

Chính vì vậy, đề tài luận án: “Nghiên cứu sử dụng chất kết dính cao

phân tử để chế tạo hỗn hợp hoả thuật phát hồng ngoại 3-14µm” được lựa

chọn là vấn đề cấp thiết hiện nay

Mục đích: Nghiên cứu lựa chọn chất kết dính cao phân tử phù hợp và

nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất, đặc trưng năng lượng và công nghệ chế tạo THT khi cháy phát ra hồng ngoại vùng 3-5µm và 8-14µm

Nội dung nghiên cứu:

- Tính toán hệ THT để đạt yêu cầu cho phát xạ hồng ngoại

- Nghiên cứu lựa chọn chất kết dính cao phân tử

- Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng chất kết dính cao phân tử đến các tính chất THT

- Nghiên cứu lựa chọn khối lượng phân tử của chất kết dính PVC tới chế

độ công nghệ

- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất cháy kim loại

- Nghiên cứu công nghệ chế tạo hoả cụ trên cơ sở THT phát xạ hồng ngoại vùng 3-5µm và 8-14µm

- Nghiên cứu ứng dụng của hoả cụ phát xạ hồng ngoại

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

- Nghiên cứu một cách hệ thống sử dụng hợp chất cao phân tử trong hệ vật liệu nổ ở dạng hỗn hợp hoả thuật

- Tạo ra được vật liệu nổ dạng THT mà phản ứng hoá học xảy ra dưới dạng cháy phát xạ bức xạ hồng ngoại có bước sóng 3-5µm và 8-14µm đáp ứng yêu cầu thực tiễn

Bố cục của luận án: Luận án chia làm 3 chương chính, mở đầu, kết

luận và tài liệu tham khảo

Chương 1 Tổng quan: Phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về THT phát xạ hồng ngoại và hợp chất hữu cơ, cao phân

tử làm chất kết dinh trong THT phát xạ hồng ngoại

Chương 2 Thực nghiệm: Phân tích những phương pháp sử dụng trong nghiên cứu, đo đạc, thử nghiệm THT phát xạ hồng ngoại

Chương 3 Kết quả và thảo luận: Khảo sát, phân tích, đo đạc các đặc trưng của THT phát xạ hồng ngoại để lựa chọn chủng loại, hàm lượng và khối lượng phân tử của hợp chất hữu cơ, cao phân tử làm chất kết dính cho THT phát xạ hồng ngoại Đồng thời cũng phân tích lựa chọn được chất cháy, công nghệ chế tạo và đo đạc, thử nghiệm các đặc trưng hóa lý, xạ thuật cơ bản của THT, tạo cơ sở cho việc sử dụng THT

Điểm mới của luận án:

- Nghiên cứu chọn được chất kết dính PVC với hàm lượng 5÷7%, KLPT 80000 dùng để chế tạo THT phát xạ hồng ngoại có bức xạ bước sóng cần thiết

- Xác định hàm lượng hợp kim Al-Mg 40 PKL, cỡ hạt lọt qua rây 120mesh ÷ 140mesh là tối ưu cho thành phần THT có chất lượng mong muốn

- Đưa ra được tiến trình công nghệ trong phòng thí nghiệm chế tạo hoả thuật, hoả cụ phát xạ hồng ngoại vùng 3-5µm và 8-14µm đạt chất lượng đáp ứng yêu cầu

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Thuốc hoả thuật phát xạ hồng ngoại

1.1.1 Thuốc hoả thuật

1.1.1.1 Thành phần của THT

Thuốc hoả thuật (THT) là hỗn hợp những cấu tử khi cháy tạo ra hiệu ứng ánh sáng, nhiệt, khói, âm thanh hoặc phản lực, dùng trong quân sự cũng như dân sự

Theo lĩnh vực ứng dụng, THT có thể chia thành các loại: chiếu sáng, quang ảnh, vạch đường, tín hiệu đêm, khói màu, nhiên liệu hoả thuật rắn, nguỵ trang, mồi cháy…

THT cũng có thể được phân loại theo đặc điểm của quá trình cháy bao gồm: hỗn hợp tạo lửa, hỗn hợp tecmit, hỗn hợp tạo khói, các chất và hỗn hợp cháy cần oxi không khí

Yêu cầu cơ bản đối với các THT là:

- Đạt hiệu ứng chuyên dụng tối đa, tiêu thụ chất ít nhất;

- Cháy đồng đều với tốc độ xác định, có thể khống chế được;

- Có độ bền hoá lý cao khi bảo quản lâu dài;

- Có độ nhậy thấp với xung cơ học và xung nhiệt;

- Có tính chất nổ tối thiểu đối với những hỗn hợp cần thiết;

- Có quá trình công nghệ sản xuất an toàn;

- Không chứa những cấu tử khan hiếm;

- Không có những chất gây ngộ độc cho cơ thể người

Thành phần của THT: bao gồm chất cháy, chất oxi hoá, chất kết dính, chất tăng hoặc giảm tốc độ cháy, chất giảm nhạy, phụ gia công nghệ Ngoài

ra có thể đưa các chất tạo màu, chất tạo khói… Trong một số trường hợp, một cấu tử có thể đóng những vai trò khác nhau: Chất tạo màu lửa đóng vai trò chất oxi hoá trong hỗn hợp lửa màu Chất kết dính có thể đóng vai trò chất cháy hoặc là chất giảm tốc độ cháy [24]

Chất oxi hoá: Là cấu tử quan trọng không thể thiếu được trong THT,

cùng với chất cháy, nó tạo nên nhiệt lượng cháy cần thiết để tạo hiệu ứng đặc trưng tương ứng của hỗn hợp Một trong những yêu cầu cơ bản của chất oxi hoá là chứa hàm lượng oxi cao, dễ dàng tách oxi khi cháy THT và không hút ẩm

Người ta thường sử dụng các hợp chất chứa oxi làm chất oxi hoá trong THT, ví dụ như các loại muối nitrat, clorat, peclorat, cromat kim loại, các oxit, peroxit kim loại… Tuy nhiên cũng có thể sử dụng các hợp chất không chứa oxi như các chất hữu cơ chứa clo, flo (hecxacloetan, polytetrafloetylen…) làm chất oxi hoá Ví dụ THT chứa hecxacloetan và kẽm trong hỗn hợp khói trắng có phản ứng như sau:

ẩm [78]

Bảng 1.1: Tính chất của một số chất oxi hoá

Công thức

Trọng lượng phân tử

Tỷ trọng (g/cm3)

Nhiệt

độ nóng chảy,

Nhiệt phân huỷ (Kcal/mol)

Độ tan trong

(g/100ml)

Tỷ lệ oxi hoạt hoá (%)

Lượng chất oxi hoá cần

để tách ra 1g oxi (g)

ứng dụng

KClO3 123 2,3 360 + 10 7,1 39 2,65 Khói, lửa tín hiệu KClO4 139 2,5 610 + 1,2 1,7 46 2,17 Mồi cháy, lửa tín hiệu NaNO3 85 2,2 308 - 121 87,5 47 2,13 Chiếu sáng, lửa vàng KNO3 101 2,1 336 - 151 31,6 40 2,53 Bắt cháy

Sr(NO3)2 212 2,9 645 - 89 70,5 38 2,65 Vạch đường, lửa đỏ

Ba(NO3)2 261 3,2 592 -104 8,7 30 3,27 Chiếu sáng, vạch đường, lửa vàng

Fe3O4 232 5,2 1527 - 266 Không tan 28 3,34 Tecmit, giữ chậm

MnO2 87 5,0 (>530) - 125 Không tan 37 2,72 Tecmit, giữ châm

BaO2 169 5,0 700 - 17 Không

Bắt cháy

Chất cháy: Chất cháy được lựa chọn sao cho nhiệt lượng cháy bảo

đảm hiệu ứng đặc trưng của THT tốt nhất, sản phẩm oxi hoá có tính chất lý hoá phù hợp, dễ dàng oxi hoá, không hút ẩm, có độ bền tốt khi bảo quản Ngoài ra chất cháy cần chọn sao cho lượng oxi để cháy là tối thiểu Có thể sử dụng các chất vô cơ và hữu cơ làm chất cháy như: các kim loại nhiệt cao (Mg,

Al, Zr, Ti ) [39], hợp kim (Mg-Al, Al-Si, Zr-Ni…), kim loại có nhiệt lượng cháy trung bình (Zn, Fe…), phi kim (P, C, S, Si…), các sunfua , photphit, cacbua, hidro cacbon, đường, tinh bột…

Những tính chất hoá lý của chất cháy cần quan tâm khi sử dụng trong THT là: Tỷ trọng, nhiệt độ bắt cháy, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, nhiệt lượng tạo ra khi cháy, lượng chất cháy cháy được nhờ 1g oxi… [78]

Bảng 1.2: Tính chất của một số chất cháy

Chất cháy

Tỷ trọng (g/cm 3 )

Nhiệt độ nóng chảy ( o C)

Nhiệt

độ sôi ( o C)

Nhiệt lượng tạo ra khi cháy, Kcal/g

Lượng chất cháy (g) cháy nhờ 1g oxi

Đối với các THT năng lượng cao như THT phát sáng phải có nhiệt độ

phản ứng cao để có cường độ phát xạ mạnh nên thường dùng magiê Các hạt

sản phẩm cháy MgO nóng sáng sẽ tạo ra cường độ phát xạ mạnh [18, 40] Có

thể sử dung hợp kim magie - nhôm 50/50 thay cho Mg do hợp kim này bền

hơn so với nhôm kim loại khi kết hợp với các muối nitrat và phản ứng với axit

yếu chậm hơn magie kim loại, tạo ra độ bền vật liệu cao hơn

độ bền nén cũng như tăng thời hạn bảo quản của THT [14, 33] Thường chỉ sử

dụng các chất cao phân tử làm chất kết dính Các chất kết dính cao phân tử

cũng đóng vai trò chất cháy trong hỗn hợp Nếu không có chất kết dính, các

nguyên liệu có thể bị chia tách ra trong quá trình sản xuất hoặc khi bảo quản

do sự khác nhau về tỷ trọng và cỡ hạt Quá trình tạo hạt, trong đó chất oxi hoá, chất cháy và các cấu tử khác được trộn với chất kết dính (thường sử dụng dạng dung dịch) để tạo ra những hạt thuốc hoả thuật đồng nhất, là một bước quyết định trong quá trình sản xuất [24, 78] Dung môi được làm bay hơi khi tạo hạt, làm khô và trộn đều các nguyên liệu Chất kết dính được lựa chọn sao cho tạo ra thành phần đồng nhất, sử dụng lượng hợp chất cao phân tử ít nhất

Phụ gia làm chậm: Những loại THT có tốc độ cháy cao thường sử

dụng vật liệu để giảm tốc độ phản ứng mà không ảnh hưởng tới các hiệu ứng của thuốc Đó là các vật liệu phân huỷ tại nhiệt độ cháy có hấp thụ nhiệt như: canxi cacbonat, magie cacbonat và natri bicacbonat [78]

1.1.1.2 Phản ứng toả nhiệt và điều kiện xảy ra phản ứng cháy THT

THT là một trong những vật liệu nổ nhưng đặc trưng biến đổi hoá học của nó là cháy (chỉ trong những điều kiện nhất định mới chuyển thành nổ) Để một phản ứng hoá học xảy ra dưới dạng cháy (hoặc nổ) phải thoả mãn các điều kiện sau: toả nhiệt, sinh khí, tốc độ lớn và tự truyền lan Toả nhiệt, tốc độ lớn, sinh khí là những yếu tố quyết định khả năng truyền cháy [2]

- Toả nhiệt: Tính toả nhiệt của phản ứng phải dựa vào việc phân huỷ các hợp chất thu nhiệt và tạo thành các hợp chất toả nhiệt

- Khả năng tự truyền lan: Khả năng tự truyền lan phản ứng hoá học trong hỗn hợp hoả thuật do sóng nhiệt được truyền đi trong hỗn hợp cháy theo kiểu dẫn nhiệt (hay dưới dạng sóng xung kích) và tiếp tục gây ra phản ứng hoá học ở những lớp tiếp theo Yếu tố quyết định sự xuất hiện và truyền lan của sóng nhiệt là cường độ (tức nhiệt độ) đạt được

- Tốc độ phản ứng hoá học: Tốc độ phản ứng hoá học càng lớn thì thời gian phản ứng càng ngắn, hiệu ứng mất nhiệt càng nhỏ, nhiệt độ đạt được càng cao

- Sinh khí: Sự sinh khí là điều kiện rất quan trọng cho quá trình truyền nhiệt Nếu năng lượng toả ra dưới dạng nhiệt, năng lượng được truyền bằng truyền nhiệt sẽ có tốc độ truyền lan nhỏ Khi có áp suất lớn (sinh khí tại vùng nhiệt độ cao đó), sự truyền lan có tốc độ vô cùng lớn, tốc độ phản ứng hoá học được truyền lan nhanh hơn [2]

Quá trình cháy, nổ trong vật liệu nổ nói chung và THT nói riêng là không cần oxi không khí mà chính vật liệu là một hệ oxi hoá - khử hoàn chỉnh Chính vì vậy, khi hình thành một hệ vật liệu nổ cần phải tính toán cân bằng oxi (hệ số α), nghĩa là phải đủ các nguyên tố đóng vai trò oxi hoá ứng với các nguyên tố đóng vai trò khử

THT phát xạ hồng ngoại là một hệ vật liệu khi cháy phát ra bức xạ hồng ngoại và người ta phải hiệu chỉnh sao cho nó phát xạ đúng vùng bước sóng yêu cầu Bởi vậy, nhiệt phản ứng cao quá sẽ phát ra vùng ánh sáng trắng (vùng nhìn thấy) hoặc ánh sáng tím (vùng tử ngoại) nhưng nhiệt độ thấp quá thì bức xạ rơi vào vùng vi sóng, sóng vô tuyến [8]

Trong THT phát xạ hồng ngoại, hai yếu tố cần quan tâm là bước sóng

và cường độ phát xạ hồng ngoại [24] Bước sóng, cường độ bức xạ có mối quan hệ với nhiệt lượng, nhiệt độ, được thể hiện trong hai định luật sau:

Định luật Stefan-Boltzmann: Vật càng nóng thì năng lượng bức xạ càng

lớn và tuân theo công thức sau:

W =εδT⁴ Trong đó:

W – Năng lượng bức xạ tính bằng W/cm²

ε – Hệ số phát xạ (độ phát xạ)

δ – Hằng số Stefan – Boltzmann

T – Nhiệt độ K

Trong hoả thuật, nhiệt lượng, nhiệt độ của nguồn hồng ngoại phải đủ lớn để tạo đúng bước sóng cần thiết và truyền đi trong không khí đến được đầu thu hồng ngoại [34]

Quy luật dịch chuyển Wien: Độ dài bước sóng tại nguồn năng lượng

cực đại bức xạ sẽ càng ngắn nếu nhiệt độ càng cao và tuân theo biểu thức:

λ max = 2,89.10³ [µm K]/T Trong đó:

λ max - Độ dài sóng cực đại, µm

Trên hình 1.1 trình bày giản đồ sự phụ thuộc bước sóng bức xạ vào nhiệt độ của các nguồn nhiệt khác nhau [88]

Hình 1.1: Độ dài bước sóng bức xạ ở những nguồn nhiệt khác nhau 1.1.1.3 Đặc trưng kỹ thuật của THT và các yếu tố ảnh hưởng

a Nhiệt lượng cháy: Nhiệt lượng cháy là lượng năng lượng toả ra khi cháy

một khối lượng xác định THT

Nhiệt lượng cháy được tính trên cơ sở định luật Hess: Hiệu ứng nhiệt biến đổi hoá học của một hệ chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và cuối của nó chứ không phụ thuộc vào trạng thái trung gian

Q1 – 3 = Q1 – 2 + Q2 – 3

Các chỉ số 1, 2, 3 chỉ trạng thái đầu, trung gian và cuối

Q1 – 2 là nhiệt toả ra hoặc hấp thụ khi chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 (từ nguyên tố tạo ra các hợp chất - hợp phần)

Bước sóng, µm

Q2 – 3 là nhiệt chuyển từ trạng thái 2 sang trạng thái 3 (cháy)

Q1 – 3 là nhiệt chuyển trực tiếp từ trạng thái 1 sang trạng thái 3 (từ nguyên tố sang sản phẩm cháy)

Tuỳ theo các đặc trưng nhiệt động đã biết (nhiệt sinh các thành phần thuốc hoả thuật, các sản phẩm cháy ) ta có thể tính được nhiệt cháy của cả hệ dựa vào phương trình cháy [78]

Áp dụng định luật Hess đối với phản ứng hóa học:

Q = - ∆H

∆H: Nhiệt tạo thành (nhiệt sinh)

Q: Nhiệt phân hủy (đôi khi trùng với nhiệt cháy)

Đối với nguyên tố thì ∆H = 0

Ví dụ: ∆H Al = 0

Trong phản ứng: Al + O2 = Al2O3

Nhiệt phản ứng chính là nhiệt cháy của Al, bằng nhiệt sinh của Al2O3

và cũng bằng nhiệt phân hủy của Al2O3

Nhiệt lượng cháy của hệ THT có thể tính toán hoặc xác định bằng thực nghiệm (dùng nhiệt lượng kế)

Bảng 1.3: Nhiệt lượng cháy của một số THT [43]

Nhiệt lượng cháy, Kcal/g

Tỷ lệ thành

phần,% Theo tính toán Thực nghiệm

Tên gọi THT

Nhiệt lượng cháy của THT được quyết định chủ yếu bởi hỗn hợp chất

oxy hoá - chất cháy Tuy nhiên chất kết dính cũng ảnh hưởng đến nhiệt lượng

cháy của THT Với việc thêm chất kết dính vào THT, trong nhiều trường hợp

nhiệt lượng cháy của hỗn hợp bị giảm đi do chất kết dính cao phân tử đóng

vai trò chất cháy nhưng thường có nhiệt lượng cháy nhỏ hơn so với các chất

cháy khác, đặc biệt ỏ những THT dùng chất cháy kim loại [18]

b Thể tích sản phẩm cháy dạng khí: Là một đặc trưng cơ bản đối với hầu hết

các dạng THT Thể tích sản phẩm cháy dạng khí được xác định bằng thực

nghiệm khi đốt cháy THT trong bom nhiệt lượng kế hoặc được xác định bằng

tính toán dựa trên phản ứng cháy của THT [78] Ví dụ về thể tích sản phẩm

cháy dạng khí của một số THT nêu trong bảng 1.4

Bảng 1.4: Thể tích sản phẩm phản ứng cháy trung bình của một số THT

Thể tích sản phẩm cháy dạng khí

v o , cm 3 /g

Trọng lượng khí tính ra

% trọng lượng THT

Trong các THT giữ chậm cháy trong điều kiện kín, chất kết dính cao phân tử được sử dụng với hàm lượng rất nhỏ hoặc phải lựa chọn những chất tạo sản phẩm cháy dạng khí ít hơn Ngược lại, với những THT cần tạo nhiều sản phẩm cháy dạng khí như hỗn hợp khói, hỗn hợp tạo tín hiệu lửa, cần sử dụng với tỷ lệ cao chất kết dính là những chất tạo nhiều sản phẩm khí [39]

c Nhiệt độ cháy: Nhiệt độ cháy của THT có ý nghĩa lớn, nó cho phép ta đánh

giá về nhiệt động của THT và là cơ sở để thiết kế thành phần THT Nhiệt độ cháy của THT có thể được xác định bằng hai cách: Tính toán lý thuyết hoặc thực nghiệm (nhờ hoả quang kế hoặc cặp nhiệt) [43]

Nhiệt độ cháy của THT có liên quan đến nhiệt lượng cháy Thông thường THT có nhiệt lượng cháy càng lớn thì nhiệt độ cháy càng cao [78] Điều này cần phải chú ý đặc biệt khi thiết kế các THT phát sáng (xem bảng 1.5)

Bảng 1.5: Quan hệ giữa nhiệt độ cháy với nhiệt lượng cháy của THT

Tên thuốc hoả thuât Nhiệt lượng cháy, Kcal/kg Nhiệt độ cháy, o C

Hỗn hợp chiếu sáng 1 200 – 2 000 2 500 – 3 000 Hỗn hợp vạch đường 1 200 – 2 000 2 500 – 3 000

Hỗn hợp lửa tín hiệu 600 – 1 200 1 200 – 2 000

d Tốc độ phản ứng cháy: Quá trình cháy của THT có thể chia ra làm 3 giai

đoạn khác nhau: Mồi cháy, bùng cháy và cháy Trong nhiều trường hợp, tốc

độ bùng cháy của THT lớn hơn rất nhiều so với tốc độ cháy Tốc độ cháy của THT có thể tính theo tốc độ cháy tuyến tính (tính ra mm/s) và tốc độ cháy khối (tính ra g/mm2.s) Khi biết tốc độ cháy tuyến tính u và mật độ của THT d

ta có thể tính được tốc độ cháy khối uM theo công thức: uM = 0,1 u d

Tốc độ cháy tuyến tính của các THT rất khác nhau, có giá trị 0,1mm/s (đối với thành phần khói) cho đến 20-30mm/s (đối với THTchiếu sáng cháy nhanh) [78]

Điều kiện truyền nhiệt ở áp suất và nhiệt độ bên ngoài thay đổi cũng như sự thay đổi của mật độ THT, độ mịn của các cấu tử sẽ gây ra sự sai lệch

của nhiệt độ tại các cùng phản ứng khác nhau Từ đó nó sẽ gây nên ảnh hưởng đến quá trình cháy và tốc độ cháy của THT Qua thực nghiệm, những THT có nhiệt độ ngọn lửa cao nhất là những THT có sự cháy đồng đều nhất và nhanh nhất Tuy nhiên nhiệt độ ngọn lửa cao cũng chỉ là một yếu tố quyết định tốc

độ cháy của THT [30]

Tốc độ cháy của THT phụ thuộc vào sự có mặt của các cấu tử dễ nóng chảy hoặc dễ bay hơi Các chất hữu cơ có nhiệt độ nóng chảy thấp như nhựa, parafin, stearin,… khi đưa vào hỗn hợp chất oxy hoá – chất cháy kim loại sẽ làm giảm mạnh tốc độ cháy của hỗn hợp này Tuy nhiên, tốc độ cháy của THT được xác định là tốc độ của quá trình phân huỷ chất oxy hoá [24]

Trong các yếu tố vật lý, mật độ của thành phần là một trong những yếu

tố ảnh hưởng đến tốc độ cháy Khi tăng áp lực nén ép hỗn hợp THT đến giá trị giới hạn, mật độ của hỗn hợp tăng lên, tốc độ cháy của hỗn hợp THT giảm

do giảm khả năng chuyển khí cháy vào bên trong hỗn hợp THT và giảm tốc

độ quá trình bắt cháy vào các lớp tiếp theo [89] Ví dụ: tốc độ cháy thay đổi theo áp suất nén ép THT chiếu sáng:

Áp suất nén (kG/cm3): 1000 2000 3000 4000 Tốc độ cháy (mm/s): 5,0 4,2 3,8 3,6 Các THT có sử dụng chất kết dính hữu cơ có khả năng chịu nén ép tốt hơn và do vậy sẽ có thể thay đổi tốc độ cháy theo yêu cầu với việc thay đổi áp suất ép trong một giới hạn nào đó

Độ mịn của các hạt nguyên liệu cũng có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ cháy Các hạt trong hỗn hợp THT càng mịn thì tốc độ cháy của hỗn hợp càng lớn Đặc biệt là những hỗn hợp THT chứa bột nhôm, ành hưởng này lại càng lớn [84, 87]

Một trong những yếu tố vật lý khác ảnh hưởng nhiều đến tốc độ cháy là

độ ẩm của THT THT khi ẩm có tốc độ cháy giảm đi nhiều Đó là một trong

những lý do cần thiết phải sử dụng chất kết dính trong THT Chất kết dính trong THT trong những trường hợp này có tác dụng ngăn ngừa ẩm vật lý xâm nhập vào bên trong THT gây ra sự thay đổi tốc độ cháy của hỗn hợp trong quá trình bảo quản [2]

Tóm lại, tốc độ cháy của THT phụ thuộc vào: bản chất hóa học của hệ (nhiệt lượng cháy của hệ), kích thước các cấu tử tham gia, chế độ gia công (nén ép), điều kiện môi trường (đặc biệt ảnh hưởng đối với hệ cháy hở) và phụ gia

e Biến đổi vật lý và hoá học của THT

Khi bảo quản, THT có sự thay đổi vật lý và hoá học, thông thường đó

là sự thay đổi không mong muốn Do vậy cần phải xác định được các thay đổi đặc trưng của THT cũng như các yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ của quá trình thay đổi của THT

Biến đổi vật lý: Thường gặp nhất là sự hút ẩm của hỗn hợp THT xảy ra

trong quá trình bảo quản Khi đó sẽ xảy ra sự hoà tan từng phần cấu tử, thay đổi mật độ và hình dạng của thành phần dạng nén ép

Độ hút ẩm của hỗn hợp THT phụ thuộc cơ bản vào sự hút ẩm của các cấu tử cũng như vào mật độ và bề mặt của hỗn hợp chịu tác động của độ ẩm không khí Về nguyên tắc, các hỗn hợp ở dạng nén hút ẩm từ không khí nhỏ hơn đáng kể so với các hỗn hợp dạng bột Độ hút ẩm của hỗn hợp khi bảo quản ở điều kiện bình thường sẽ tăng lên với sự tăng mức độ nghiền mịn của các cấu tử của hỗn hợp [78]

Để bảo quản lâu dài chống lại tác động của độ ẩm không khí khi không

có khả năng bao kín các chi tiết, các hạt của THT hoặc các cấu tử đưa vào THT thường được bao phủ bởi các màng chất hữu cơ dẻo hoặc các dầu khoáng, stearin và stearat kim loại, parafin, gôm lắc trên cơ sở nhựa tự nhiên

và nhựa nhân tạo…Tác dụng của nhựa thường tốt nhất khi đưa vào trong

thành phần ở dạng lắc Nhựa ở dạng khô (ở dạng bột ) bảo vệ THT kém hơn với tác động của ẩm [12, 14, 39]

Biến đổi hoá học: Biến đổi hoá học của THT xảy ra rất đa dạng và phụ

thuộc chủ yếu vào các cấu tử hấp phụ nhiều trong hỗn hợp Với các THT đã được nén ép, trong một số trường hợp, sự biến đổi hoá học nhanh hơn so với THT dạng bột mặc dù THT dạng bột hút ẩm mạnh hơn [2, 78]

Các biến đổi hoá học trong THT sẽ quyết định tới độ bền hoá học của THT Ở những kho chứa hoả cụ khi bảo quản, biến đổi hoá học của THT làm cho hoả cụ có thể không dùng được nữa và đôi khi còn gây nguy hiểm Do vậy, trong bảo quản phải chú ý kho tàng, hòm hộp bảo quản để cách ly với ẩm

và định kỳ kiểm tra, phân loại tránh nguy hiểm, cháy nổ xảy ra [2, 24]

f Độ bền cơ học của THT

Để có độ bền cơ học, THT có thể được nhồi nạp hoặc tạo hình bằng nhiều phương pháp khác nhau như ép, nhồi xoáy vít, đúc…Các phương pháp này có những ưu nhược điểm khác nhau Tuỳ thuộc bản chất của các cấu tử, tính chất của THT và điều kiện công nghệ hiện có mà có thể áp dụng từng phương pháp Ví dụ với THT tạo khói màu có độ nhạy với xung cơ học nhỏ hơn và tương đối dẻo, phương pháp nhồi nạp khi đó có thể sử dụng là nhồi xoáy vít Với những hỗn hợp chứa trên 20% chất hữu cơ trong hỗn hợp thuốc phóng thì có thể sử dụng phương pháp đúc Tuy nhiên phương pháp thường

sử dụng nhiều nhất trong nhồi nạp thuốc hoả thuật là phương pháp ép Các chi tiết từ các THT dạng ép cần có độ bền cơ học cao, không bị vỡ vụn ra khi cháy do vậy cần phải nén ép dưới áp suất cao trong giới hạn Ngoài ra, độ bền

cơ học của THT phụ thuộc nhiều vào việc đưa chất kết dính vào thành phần [43, 78]

Về lý thuyết, độ bền của THT dạng ép phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Bản chất hóa học của hỗn hợp chất oxy hoá - chất cháy;

- Tính chất và khối lượng của chất kết dính trong hỗn hợp;

- Độ mịn của các cấu tử;

- Phương pháp đưa chất kết dính vào hỗn hợp (dạng khô hay dung dịch)

và công nghệ chế tạo hỏa cụ;

Trong các yếu tố trên, thành phần chất kết dính, tỷ lệ sử dụng và nồng

độ chất kết dính là các yếu tố quan trọng mà chất kết dính hữu cơ ảnh hưởng

lên độ bền của THT [44] Tuy nhiên như trên đã đề cập, tỷ lệ chất kết dính

đưa vào THT thường không quá 10 – 12% (trừ nhiên liệu tên lửa) để bảo đảm

tốc độ cháy của THT Sở dĩ như vậy vì chất kết dính hữu cơ đưa vào THT còn

đóng vai trò chất cháy nên nó đòi hỏi cần lượng chất oxy hoá cần thiết Khi

đưa thêm chất kết dính, như nhựa thông hay resinat canxi, tốc độ cháy của

THT giảm đáng kể [14, 78] Mặt khác, khi tăng hàm lượng chất kết dính đến

giới hạn đó, độ bền của THT cũng tăng không nhiều (Xem bảng 1.6) Chất kết

dính sẽ có ảnh hưởng tốt nhất nếu được đưa vào ở dạng dung dịch với dung

- Chuẩn bị các thành phần (mở thùng đựng, sàng kiểm tra bột kim loại, tán vụn, sấy và nghiền các chất ôxy hoá, tán nhỏ và nghiền các chất kết dính

- Lắp ráp các hoả cụ và bao gói

- Chế tạo các chi tiết vỏ bọc, thân và bao gói bằng giấy, chất dẻo hay kim loại

- Thử nghiệm các hợp phần, các hoả cụ, các liều, các khối thuốc đã được tạo hình, và sản phẩm hoàn chỉnh

Sơ đồ công nghệ chế tạo THT và hoả cụ xem hình 1.2

Chất cháy Chất ôxy hoá Chất kết dính và phụ gia công nghệ

Xuất xưởng sản phẩm

hoàn chỉnh

Thử nghiệm kiểm tra

sản phẩm

Hình 1.2: Sơ đồ sản xuất THT và hoả cụ

1.1.2 THT phát xạ hồng ngoại

1.1.2.1 Các nguồn phát hồng ngoại

Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng nhìn thấy nhưng ngắn hơn bức xạ vô tuyến [88]

Dải sóng hồng ngoại thường được chia thành:

• Hồng ngoại gần (NIR): từ 0.7 đến 1.0µm;

• Hồng ngoại sóng ngắn (SWIR): từ 1.0 đến 3µm;

• Hồng ngoại sóng trung (MWIR): từ 3 đến 5µm;

• Hồng ngoại sóng dài (LWIR): từ 8 đến 12µm (hoặc từ 7 đến 14µm);

• Hồng ngoại sóng rất dài (VLWIR): từ 12 đến khoảng 30µm [21, 34]

a Các nguồn phát hồng ngoại tự nhiên

- Bức xạ mặt trời: Mặt trời được coi là nguồn phát hồng ngoại cường

độ cao, gần một nửa năng lượng mặt trời bức xạ ở vùng phổ hồng ngoại, 40%

- vùng nhìn thấy (0,4 – 0,7 µm) và 10% ở vùng cực tím và Rơnghen

- Trái đất và mây: Bức xạ hồng ngoại của Trái đất tạo ra từ hai thành

phần: Bức xạ nhiệt riêng và phản xạ phát xạ mặt trời

Mây: Mây trên bề mặt Trái đất là vật phản xạ hữu hiệu bức xạ hồng

ngoại Mặt trời và Trái đất

- Mặt trăng và các hành tính: Bức xạ hồng ngoại từ mặt trăng và hành

tinh tương tự bức xạ từ Trái đất, bao gồm bức xạ riêng và bức xạ phản xạ

b Nguồn hồng ngoại quân sự [88]

Các senso trinh sát, dò tìm bám bắt mục tiêu thường chế tạo nhạy với các vùng sóng 0,7 ÷ 1,5µm, 1 ÷ 2µm, 3 ÷ 5µm, 8 ÷ 14µm vì các mục tiêu quân sự đều phát ra bức xạ hồng ngoại cũng nằm trong những vùng đó Cụ

thể một số nguồn hồng ngoại quân sự như sau:

- Xe cô: Các phương tiện (như ôtô, xe tăng, xe thiết giáp, xe môtô) đều

phát ra nguồn hồng ngoại chủ yếu 8 ÷ 14µm ở các bộ phận: đầu máy, ống xả, lốp ma sát với đường, thùng xe có người ngồi… , dễ bộc lộ trên khí tài ảnh

nhiệt

- Vũ khí: Nguồn hồng ngoại phát ra từ vũ khí (như: miệng nòng súng,

pháo, đuôi phụt của tên lửa…) có nhiệt độ cao nên phổ hồng ngoại nằm trong vùng 3 - 5µm

- Cơ thể người: Phát ra trên 50% năng lượng bức xạ trong vùng 8 -

14µm, năng lượng cực đại phát ra ở 9,3µm

- Máy bay: Bức xạ của khí xả nóng là nguồn chủ yếu tạo ra tín hiệu

hồng ngoại, đặc trưng phổ có 2 cực đại trong vùng 3,2 - 4,8µm

- Hạm tàu: Nguồn bức xạ có bước sóng 3 - 5µm của tàu chủ yếu là nguồn bức xạ của ống khói và lưỡi lửa hình bán cầu của khí thải

Phần lớn các mục tiêu quân sự đang chuyển động như máy bay, tên lửa, tên lửa đạn đạo… đều có bộ phận phát ra bức xạ hồng ngoại Vỏ máy bay, tên lửa,… khi cọ sát với không khí sinh ra nhiệt cũng là nguồn phát xạ hồng ngoại

Nói chung, các nguồn hồng ngoại trong quân sự chủ yếu ở những chỗ phát nhiệt của các trang, thiết bị, máy móc, phương tiện nằm trong vùng 0,7

÷1,5µm, 1 ÷2µm, 3 ÷5µm và 8 ÷14µm [31]

c Nguồn hồng ngoại nhân tạo

Nguồn phát hồng ngoại nhân tạo gồm: Máy phát hồng ngoại; Mục tiêu giả nhiệt độ cao

- Máy phát hồng ngoại là nguồn nhiễu hồng ngoại sử dụng nhiều lần

Nhiệm vụ chính của máy phát hồng ngoại là làm biến điệu bức xạ hồng ngoại nhằm mục đích làm mất khả năng bám hoặc tăng sai số bám (nhầm lẫn) Thường sử dụng đèn Xesi (Cs) làm nguồn bức xạ tạo ra tín hiệu hồng ngoại trong dải bước sóng 1,38 – 3,8µm, cường độ bức xạ 1,5 – 3 kW/cp [88]

- Mục tiêu giả nhiệt độ cao là nguồn bức xạ nhiệt và bức xạ nhìn thấy

nhân tạo, đặc trưng năng lượng và đặc trưng phổ của nó gần hoặc cao hơn so với đặc trưng tương tự của mục tiêu trên không (tên lửa, máy bay ) Nhiệm

vụ chủ yếu của mục tiêu giả nhiệt độ cao là làm mất khả năng bám của đầu tự

dẫn hồng ngoại tới mục tiêu và phá huỷ chức năng của đầu tự dẫn Mục tiêu giả nhiệt độ cao được bung ra từ mục tiêu trên không theo phương pháp hoả thuật hoặc sử dụng khí nén, sử dụng nguồn phát xạ là THT phát xạ hồng ngoại cho mục tiêu giả nhiệt độ cao Ngoài ra có thể sử dụng bom phát sáng

và nguồn bức xạ hình cầu được phóng ra trên dù, sử dụng THT phát xạ hồng ngoại cho pháo sáng [36, 37, 72]

1.1.2.2 THT sử dụng trong pháo sáng hồng ngoại

THT cho pháo sáng hồng ngoại là những hỗn hợp khi cháy tạo ra một lượng đáng kể bức xạ hồng ngoại nhưng có ít bức xạ nhìn thấy Những hỗn hợp này cần có tốc độ cháy nhất định, không bị vỡ vụn trong quá trình hoạt động, có tuổi thọ sử dụng cao và nhiệt lượng riêng lớn Những cấu tử cơ bản của THT dạng này gồm chất oxi hoá, chất cháy và chất kết dính, chất kết dính cũng tác dụng như là chất cháy THT phát xạ hồng ngoại có thể được chế tạo

ở dạng đúc hoặc dạng nén [22, 29, 36]

a THT phát xạ hồng ngoại có khả năng đúc được

Theo Daniel B Nielson, có thể tạo ra một loại THT phát xạ nhiều hồng ngoại khi được đốt cháy, có tốc độ cháy cao và tạo ra ít ánh sáng nhìn thấy THT này không bị vỡ vụn, bền khi hoạt động ở nhiệt độ cao và đặc biệt là có thể đúc được [26]

THT phát xạ hồng ngoại dạng đúc bao gồm chất kết dính, chất oxi hoá

và chất cháy Với các công thức THT hồng ngoại đúc được, chất kết dính có thể có tác dụng như là chất cháy Ngoài ra có thể chọn thêm các xúc tác cháy

và phụ gia năng lượng

+ Chất cháy- kết dính: Để giảm phát sinh ánh sáng nhìn thấy cần phải

lựa chọn cẩn thận chất cháy-kết dính Sử dụng các chất cháy - kết dính dạng hiđro cacbon cháy hoàn toàn và tạo ra các hạt sản phẩm cháy không phát sáng, có thể cháy trong môi trường không khí bao quanh thành chùm để tăng

nhiệt thoát ra và tăng kích thước của bề mặt phát xạ Các chất cháy-kết dính này phải tạo cho hỗn hợp có được khả năng đúc được, không vỡ vụn và phù hợp với chất oxi hoá

Các chất cháy-kết dính cao phân tử có khả năng ít sinh muội bao gồm polyeste, polyete, polyamit, polyamin… Đó là các hợp chất cao phân tử với chuỗi mạch cacbon ngắn, xen kẽ với các nguyên tử oxi hoặc nitơ Các hợp chất cao phân tử cấu tạo từ mạch cacbon ngắn (1-6 nguyên tử cacbon nối tiếp) thường được sử dụng làm chất cháy - kết dính trong THT phát xạ hồng ngoại dạng này Các phân tử nói chung không tạo thành muội khi cháy Hơn nữa có thể đạt được các đặc trưng thiết kế khi sử dụng các nguyên liệu này [10]

+ Chất oxi hoá: Các chất oxi hoá thường dùng gồm những chất tạo ra

nhiều phát xạ hồng ngoại khi cháy như kali nitrat, xezi nitrat, rubidi nitrat và hỗn hợp của các chất này Đây là những chất chứa các kim loại có bước sóng bức xạ đặc trưng trong vùng hồng ngoại gần (0.7 đến 0,9 µm) Tỷ lệ giữa các loại muối trên cần phải lựa chọn thích hợp để đảm bảo giá thành, đáp ứng tốc

độ cháy và nâng cao hiệu quả phát xạ hồng ngoại [76] Tốt nhất là sử dụng hỗn hợp kali nitrat với xezi nitrat trong đó tỷ lệ trọng lượng xezi nitrat khoảng 25% đến 90%

+ Xúc tác cháy và phụ gia năng lượng: Sử dụng bo và silic với hàm

lượng nhỏ, có tác dụng như nguồn sinh nhiệt và là xúc tác cháy

Một số THT dạng đúc dã được nghiên cứu và thủ nghiệm được trình bày trong bảng 1.7 [26]

VIS trung bình (mV)

IR/nhìn thấy (mV)

Với các THT có thành phần như trên, bức xạ hồng ngoại phát ra rất lớn,

tỷ lệ giữa phát xạ hồng ngoại so với ánh sáng nhìn thấy là cao, tốc độ cháy của THT đạt được là đủ lớn, bảo đảm được yêu cầu đối với THT phát xạ hồng ngoại cho pháo sáng hồng ngoại

b THT phát xạ hồng ngoại dạng nén

Theo Daniel B Nielson, THT phát xạ hồng ngoại dạng nén cũng bao gồm chất kết dính, chất oxi hoá và chất cháy Chất cháy có thể sử dụng các chất chứa nitơ Các chất khác có thể thêm vào tuỳ theo yêu cầu đặc điểm sử dụng như chất xúc tác cháy và phụ gia năng lượng [27]

+ Chất cháy: Thường sử dụng là các chất mà phân tử chứa chuỗi dị

vòng 3 đến 6 và chứa 1 đến 4 nguyên tử nitơ hoặc oxi trong chuỗi Các muối kim loại kiềm của các chất dị vòng là những chất cháy tốt nhất khi chúng được nối mạch bằng các amin đa vòng Ngoài ra các chất như ure, guanidin, azodicacbonamit và các ankyl mạch ngắn cũng được xem xét làm chất cháy Tất cả các chất cháy này tạo ra rất ít muội trong quá trình cháy hỗn hợp

+ Chất kết dính: Các chất kết dính hữu cơ do có xu hướng tạo nhiều

muội dẫn tới tạo ra lượng ánh sáng nhìn thấy cao Do vậy cần phải chọn các chất có thể cháy hoàn toàn và cháy với khí trong ngọn lửa để làm tăng nhiệt phát ra và tăng kích thước của bề mặt phát xạ Đồng thời các nguyên liệu phải tạo hình cho hỗn hợp có thể ép được, tránh vỡ vụn và phù hợp với chất oxi hoá sử dụng Các chất kết dính cao phân tử có khả năng làm giảm muội bao gồm các polyester, polyete, polyamin, polyamid

+ Các chất oxi hoá: thường dùng trong những THT dạng này là những

chất tạo ra nhiều phát xạ hồng ngoại khi hỗn hợp cháy Các chất oxi hoá như vậy bao gồm kali nitrat, xezi nitrat, rubidi nitrat và hỗn hợp của các chất này Đây là những chất chứa kim loại có đặc trưng phát xạ trong vùng hồng ngoại gần (0,7 – 0,9 µm)

+ Chất xúc tác cháy và phụ gia năng lượng: Trong THT phát xạ hồng

ngoại dạng nén cũng sử dụng các chất xúc tác cháy và phụ gia năng lượng Các chất này phải phù hợp các thông số của hỗn hợp như sinh ra ít ánh sáng nhìn thấy và không tạo ra các đặc trưng không mong muốn khác Hai chất thường được sử dụng là bo và silic Bo thường được thêm vào với tỷ lệ đến 10%, silic sử dụng với tỷ lệ từ 0% đến khoảng 25%

THT phát xạ hồng ngoại dạng nén cũng cần có tốc độ cháy lớn (trong khoảng 0,075 đến 0,375 cm/s và cao hơn), tuổi thọ cao và được tạo hình theo các công nghệ nén ép thông thường

Một số THT phát xạ hồng ngoại dạng nén trình bày trong bảng 1.8 [27]