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水基泡沫的多波段消光特性研究及消光机理探索

作　者: 赵军
导　师: 潘功配
学　校: 南京理工大学
专　业: 军事化学与烟火技术
关键词: 无源光电干扰水基泡沫泡沫结构吸收反射多波段
分类号: E951.4
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

水基泡沫是一种有别于传统气溶胶烟幕的新型无源光电对抗介质,其持久高效的多波段消光效果、使用安全、配方调节方便的特点,使其具有良好的军事应用前景。研究了水基泡沫的制备原理,确定了起泡剂、稳泡剂和添加剂的筛选方法,制备了用于试验研究的水基泡沫,研究了其理化性质。采用傅立叶变换红外光谱仪和非制冷红外焦平面热成像仪测试了水基泡沫的中远红外透过率,计算获得了质量消光系数～波长关系图,并利用发射率对热成像仪测定透过率的方法进行了修正,两种方法获得了一致的结果。采用瞬变光源分光测试系统测试水基泡沫的0.4～1μm波段可见光及近红外的透过率;并采用RCS测试系统和毫米波可变衰减器分别对水基泡沫的3mm和8mm波透过率进行了测试,并计算获得了其衰减分贝数;依次分析了各波段消光的影响因素。以上试验结果显示,水基泡沫具有良好的多波段消光特性。基于试验结果,利用几何光学原理和电磁波传播理论,建立了水基泡沫三种状态下的消光模型,通过理论分析和数值模拟,研究了单层界面无吸收、双层界面无吸收、有吸收和含导电性固体不溶物情况下的光线传播规律,从光线传播方向和能量的变化方面,揭示了水基泡沫消光的机理及其对目标探测和甄别的影响。结果表明,水基泡沫的特殊球面体结构或多面体结构是造成光线强烈衰减的重要原因,其中空结构不仅增强了这种效应,而且起到了较好的隔热、吸热作用;水基泡沫体系中的表面活性剂、O₂、CO₂和H₂O是主要的光线吸收物质;而添加剂是调节或增强水基泡沫吸光特性的重要环节。该研究为认识和理解水基泡沫的消光特性提供了有力的理论支持。研究过程中,建立了水基泡沫液体体积分率与初始液体体积分率、排液时间和泡沫层高度之间的计算式,解决了液体体积分率值难于确定的问题。试验并计算研究了泡沫导电性随时间变化的规律、不同高度泡沫电导率值和相应的毫米波透过率变化规律。分析研究了泡沫结构、复折射率、入射角度、泡沫直径、泡沫层厚度、导电性等因素对水基泡沫消光效果的因素程度,为水基泡沫的设计和优化提供了理论依据。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
1 绪论  11-16
  1.1 研究背景及意义  11-12
  1.2 国内外水基泡沫消光研究现状  12-14
    1.2.1 国内外水基泡沫光电对抗应用及其消光特性研究现状  12-13
    1.2.2 国内外水基泡沫消光机理研究现状  13-14
    1.2.3 国内外相关研究中存在的主要问题  14
  1.3 本文的主要研究工作  14-16
2 水基泡沫制备及其理化性质  16-33
  2.1 水基泡沫的制备  16-20
    2.1.1 起泡原理和方法  16
    2.1.2 起泡剂及稳泡剂的选择  16-17
    2.1.3 基本起泡溶液的制备  17-18
    2.1.4 添加剂的筛选  18
    2.1.5 水基泡沫发生装置  18-20
  2.2 水基泡沫的理化性质  20-28
    2.2.1 水基泡沫的状态  20
    2.2.2 水基泡沫的结构  20-23
    2.2.3 水基泡沫的表面张力  23
    2.2.4 水基泡沫的粘度  23-24
    2.2.5 水基泡沫的直径分布  24-25
    2.2.6 水基泡沫的液体体积分率  25-26
    2.2.7 水基泡沫的导电性  26-28
    2.2.8 水基泡沫的折射率  28
  2.3 影响水基泡沫稳定的因素  28-31
    2.3.1 表面电荷  29
    2.3.2 表面活性剂的分子结构  29
    2.3.3 表面张力  29-30
    2.3.4 表面粘度  30
    2.3.5 重力  30
    2.3.6 气体的扩散  30
    2.3.7 温度和压力  30-31
  2.4 本章小结  31-33
3 水基泡沫的中远红外消光特性试验研究  33-54
  3.1 红外光谱试验研究  33-38
    3.1.1 测试仪器及设置  33-34
    3.1.2 测试及数据处理原理  34-35
    3.1.3 试验结果  35-38
      3.1.3.1 透过率光谱图  35-37
      3.1.3.2 消光系数～波长关系图  37-38
  3.2 热成像试验研究  38-43
    3.2.1 测试仪器及设置  38
    3.2.2 测试及数据处理原理  38-40
    3.2.3 试验结果  40-43
      3.2.3.1 独立气泡的红外热像测试结果  40-42
      3.2.3.2 离散泡沫群的红外热像测试结果  42-43
  3.3 结果对比与分析  43-45
  3.4 误差分析  45
  3.5 红外消光因素分析  45-52
    3.5.1 添加剂种类的影响  45-46
    3.5.2 添加剂浓度的影响  46-47
    3.5.3 泡沫状态及结构的影响  47-48
    3.5.4 内充气体的影响  48-50
    3.5.5 固体不溶物的影响  50
    3.5.6 溶液温度的影响  50-52
    3.5.7 各因素的影响程度  52
  3.6 本章小结  52-54
4 水基泡沫的可见光及近红外消光特性试验研究  54-67
  4.1 仪器及测试原理  54
  4.2 试验方法及步骤  54-55
  4.3 结果与讨论  55-61
    4.3.1 光源及背景特征  55-56
    4.3.2 水基泡沫对光线透射的影响  56-57
    4.3.3 光强和辐射强度变化  57-58
    4.3.4 不同厚度时水基泡沫的光线衰减效果  58-59
    4.3.5 不同液体体积分率泡沫的光线衰减效果  59-60
    4.3.6 不同颜色泡沫的消光效果  60-61
  4.4 水基泡沫的可见光及近红外消光因素分析  61-65
    4.4.1 亮度对比阈值  61-62
    4.4.2 泡沫层亮度  62-63
    4.4.3 颜色对比  63-64
    4.4.5 能见度  64-65
  4.5 本章小结  65-67
5 水基泡沫的毫米波衰减特性研究  67-77
  5.1 试验部分  67-68
    5.1.1 样品准备  67
    5.1.2 测试仪器  67
    5.1.3 测试原理  67-68
    5.1.4 试验步骤及数据处理方法  68
      5.1.4.1 3毫米波透过率测试  68
      5.1.4.2 8毫米波透过率测试  68
  5.2 结果与讨论  68-71
    5.2.1 3 毫米波透过率  68-70
    5.2.2 8 毫米波透过率  70-71
    5.2.3 与其他材料的对比  71
  5.3 水基泡沫毫米波衰减因素分析  71-75
    5.3.1 水基泡沫电导率对毫米波衰减的影响  71-72
    5.3.2 水和泡内气体对毫米波衰减的影响  72-74
    5.3.3 液膜反射对毫米波衰减的影响  74-75
  5.4 本章小结  75-77
6 水基泡沫的消光机理探索研究  77-104
  6.1 水基泡沫的物理模型分析  77-78
  6.2 基本假设  78
  6.3 独立气泡的消光模型  78-89
    6.3.1 单层界面无吸收的情况  78-84
      6.3.1.1 光线能量变化  78-83
      6.3.1.2 光线传播方向变化  83-84
    6.3.2 双层界面无吸收的情况  84-88
      6.3.2.1 光线能量变化  84-86
      6.3.2.2 光线传播方向变化  86-88
    6.3.3 存在吸收时的情况  88-89
  6.4 离散气泡群的消光模型  89-91
  6.5 粘连泡沫群的消光模型  91-97
    6.5.1 光线传播方向变化  91-92
    6.5.2 光线能量变化  92-93
    6.5.3 含导电性固体不溶物时的情况  93-97
  6.6 结果与讨论  97-102
    6.6.1 透过率随折射次数变化的规律  97-99
    6.6.2 反射率随入射角的变化规律  99
    6.6.3 散射光强与入射角的关系  99-101
    6.6.4 光线偏移面积及能流密度变化  101-102
  6.8 本章小结  102-104
7 结束语  104-107
  7.1 主要结论  104-105
  7.2 主要创新点  105-107
致谢  107-108
参考文献  108-113
本人攻读博士学位期间发表论文及获得的荣誉  113-114
  一、在校期间发表的论文  113-114
  二、在校期间获得的荣誉  114

水基泡沫的多波段消光特性研究及消光机理探索

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