文章编号：1003-1480（2007）01-0024-04硝酸铯热分解性能研究郭宇翔，李晓霞（安徽省红外与低温等离子体重点实验室，电子工程学院，安徽合肥，230037）要：本文在TG-DTA分析的基础上，研究了硝酸铯的热分解特性，并且利用化学平衡计算软件CEA对硝酸铯在不同温度下热分解产生的自由电子密度和热分解需要的能量进行了计算，为利用硝酸铯作为增电子材料使用提供了理论依据。关键词：硝酸铯；TG-DTA；CEA；自由电子密度中图分类号：TQ560.72文献标识码：AStudyThermalDecompositionCesiumNitrateGUOYu-xiang，LIXiao-xia(KeyLabLowTemperaturePlasmaAnhuiProvince,ElectronicEngineeringInstitute,Hefei,230037)Abstract：TheTG-DTAtechnologystudythermaldecompositioncesiumnitrate.CEA（ChemicalEquilibriumApplication）wasemployedfreeelectrondensitythermaldecompositionthermaldecompositionproductdifferenttemperatureresultsshowcesiumnitratecouldfreeelectrondensityIR/Radarcompounddecoy.Keywords：Cesiumnitrate;TG-DTA;CEA;Freeelectrondensity当在红外/雷达复合诱饵中添加增电子材料时，诱饵弹释放后产生的巨大热量可使增电子材料迅速电离，在空间产生等离子体。如果生成等离子体的电子密度满足一定条件，可以反射电磁波形成雷达假目标，并且等离子体具有强红外辐射，可以有效增强红外诱饵的干扰性能。因此，选择电离能特性好的材料添加到红外/雷达复合诱饵中，对提高诱饵的干扰性能有重要作用。自然界中碱金属元素电离能最低，具有作为增电子材料的良好性能，但由于其活泼的化学特性，不易用于实际操作，故可选用碱金属盐作为增电子材料使用。硝酸铯具有熔点、沸点、分解温度相对较低的特点，是作为增电子材料的理想选择。研究硝酸铯的热分解特性可以对其分解温度、产物组分以及产生自由电子的性能有详细的了解，对使用硝酸铯作为增电子材料具有重要意义。硝酸铯的TG-DTA特性分析采用国药集团试剂公司生产的分析纯硝酸铯试剂进行TG-DTA测试分析，测试仪器采用日本岛津公司DTG-60H热重-差热综合分析仪。样品初始重量为7.642mg，实验气氛为空气，温度变化范围为000，升温速率为10/min。在此测试条件下得到的硝酸铯的热重、差热曲线分别如图可以看出，硝酸铯的失重曲线非常平滑，这表明硝酸铯样品纯度较高。硝酸铯在500左右开始分解，升温至800以后剩余物质质量基本保持不000时硝酸铯共计失重7.313mg，失重率达收稿日期：2006-11-20作者简介：郭宇翔（1982-），男，在读硕士研究生，从事光电对抗以及等离子体研究。252007够确定产物中的自由电子密度，对硝酸铯作为增电子材料有重要意义。硝酸铯的热分解是一个复杂的化学反应过程，产物组成相对比较复杂，无法根据经典的化学反应方程准确计算产物的组分，可利用最小自由能原理通过计算机编程进行计算。自由能是封闭体系中化学反应达到平衡的判据。当化学反应在恒温、恒压下进行，并且体系对外只作体积功时，体系的自由能随着反应的进行而不断下降，当下降到最小值时，反应达到平衡状态，此时反应物和生成物的混合组分就是平衡组分，用此原理可以求得产物的组成和比例。假设在反应产物有种气相产物，N-m种凝聚相产0硝酸铯热重曲线TGcurvecesiumnitrate-5-10-15-20-250硝酸铯差热曲线DTAcurvecesiumnitrateFig.2可以看出，在154~173之间硝酸铯有一个小的吸热峰，但质量没有明显变化，该吸热峰出现的原因可能与硝酸铯内部晶体形态变化有402~416之间有一个明显的吸热峰，质量仍未有明显变化，此过程为硝酸铯的熔化吸热过程。从600~704有一个漫长明显的吸热过程，并且伴随着质量的明显减少，此过程为硝酸铯既蒸发又分解的复杂过程。在随后的800~1000之间质量基本处于一个恒定值，但依然存在明显的吸热过程。由于实验条件限制，不能准确描述剩余物质在温度继续升高条件下的状态变化。可以推测分解剩余的凝聚相物质存在吸热分解的可能，分解产生的气体随温度的升高也会发生复杂的分解反应。通过对硝酸铯的TG-DTA测试分析，可知其在较低的温度条件下即可大量分解，这为其电离产生等离子体提供了可能。要进一步确定硝酸铯热分解性能，还需借助一定的计算方法对其热分解产物以及产生的等离子体密度进行计算。（1）式中：bi代表第种产物的摩尔数，aij表示第元素的摩尔质量。体系的自由能可以表示为:+RTln+RTln由式（1）、（2）构成了由最小自由能计算化学平衡产物组分的基本方程，通过计算机所编程即可计算出化学反应平衡时各种产物的组分。2.2硝酸铯热分解产物组分CEA（ChemicalEquilibriumApplication）是美国路易宇航中心开发的基于最小自由能原理，用于计算复杂化学反应平衡计算的程序。利用CEA可以计算出在一定温度和压力条件下硝酸铯分解的产物组分，包括自由电子摩尔分数。在等压（1.033kg/cm）条件下，硝酸铯受热分解产物各组分与温度的关系如表200K、1400K分解产物有部分的液态CsO2分解产物和电子密度的计算2.1最小自由能原理计算平衡组分对硝酸铯热分解的产物组成进行准确的计算，能郭宇翔等：硝酸铯热分解性能研究.doc262007CsNO2存在，但是在数值上与热重实验结果存在一定差别；主要原因是CEA计算软件是假定所有气态组分均为理想气体，与实际气体特性存在一定差异，并且CsO2CsNO2没有确定的沸点。在600K以上，分解产物基本全部为气态，并且随温度的升高分解产物中铯蒸汽含量迅速增加。自由电子主要由铯电离产生，随温度升高自由电子密度迅速增加。不同温度下硝酸铯主要热分解产物的摩尔分数Tab.1Molefractionthermaldecompositionproductcesiumnitratedifferenttemperature子密度将迅速增加。根据复合诱饵对增电子材料产生自由电子密度的要求，可以通过增大诱饵所释放的热量，提高温度来增大自由电子密度。2.52.01.51.00.5自由电子数密度随温度变化曲线 Fig.3 Curve freeelectron density vs different temperature 4.8 10-7 0.02 0.17 0.160.49 1.04.0 1.4 3.8 9.0 -5-5 -4 -4 -4 10 10 10 10 10 硝酸铯分解所需热量的计算Cs CsNO2 CsNO3 N2 O2 CsNO2 Cs2OCsO Cs2O2 0.150.05 0.14 0.26 0.11 0.250.02 0.15 0.31 0.060.06 0.190.51 0.130.02 0.190.50 0.180.50 0.170.47 0.160.46 从硝酸铯的热分解特性可知，其发生分解反应需要吸收大量的热，只有在一定的温度条件下才可以电 离产生高密度等离子体。在实际使用过程中，必须合 理配制特定的诱饵弹配方777盛世国际官网，以便能够释放足够的热 量，满足硝酸铯分解的需要，因此计算硝酸铯热分解 需要的能量可以为药剂配方提供理论依据。 根据热力学原理，在等压条件下如果系统只对外 0.27 0.230.02 0.130.01 0.01 0.140.03 0.100.05 0.040.07 0.020.07 中除自由电子分数外，其余组分仅考虑摩尔分数大于 0.01 的情况。 2.3 自由电子密度计算 自由电子密度是影响复合诱饵干扰性能的一个 关键参数，计算在不同温度下硝酸铯热分解产物中自 由电子密度对设计诱饵配方、评估干扰性能有重要意 600K以后分解 产物中凝聚态组分基本可以忽略。根据理想气体状态 方程可得，在温度 时，1mol气态产物体积为： 作体积功，那么系统吸收的热量等于其焓变。CEA 计算结果中包含产物体系的标准生成焓，因此，只要 查得硝酸铯标准生成焓即可计算出分解前后系统的 焓变，即可获得硝酸铯分解需要的热量。在此过程中 假设系统只对外作体积功。硝酸铯分解产物体系在不 同温度下的标准生成焓及其平均分子量如表 硝酸铯分解产物体系在不同温度下的标准生成焓及其 平均分子量 -3 Tab.2Enthalpy avergemolecular weight
