每年都放的煙花,是如何玩出這麼多花樣的?_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-1小时前
正月初一啦,大家過年好呀!**生盆火烈轟鳴竹,守歲筳開聽頌椒。**昨天除夕大家有沒有看到煙花呀?在我的家鄉,每年的除夕、初一家家户户都會放煙花,小小的村莊裏上演着一場盛大的煙花秀。大家都拿出自己壓箱貨,暗自較勁,展示自家的煙花有多漂亮。小小的我當時坐在院子裏思考,為什麼煙花有各種各樣的顏色和圖案?還可以在天空連續綻放成滿天星和墜落流星?

圖源:我自己
煙花的故事可以追溯到漢朝時期。當時的人們發現,將竹子扔進火中,竹子受熱膨脹而爆裂,發出劈里啪啦的響聲,這便是最初的爆竹,他的目的主要是為了驅邪辟鬼。到了隋唐時期,煉丹術的發展為火藥的發明奠定了基礎,而火藥的出現,給煙花帶來了質的飛躍。
北宋時期,火藥技術逐漸成熟,民間開始出現用捲紙包裹火藥的燃放物,這便是早期煙花的雛形。北宋末年,人們在火藥中加入不同的金屬粉,燃燒時產生五彩斑斕的火花,極大的豐富了煙花的色彩。
元明清時期,煙花迎來了鼎盛發展,製作工藝更加精湛,品類愈發豐富,比如:“日月合璧”、“二仙傳道”、“線穿牡丹”、“水澆蓮”等,那麼煙花到底是如何構成?又是怎麼綻放出不同的形狀和顏色的呢?

煙花主要由火藥、氧化劑、燃料、着色劑以及其他添加劑構成。火藥作為煙花的核心能量源,通常是由硝酸鉀、硫磺和木炭按照一硫二硝三碳比例混合製做。火藥被點燃是所釋放出的大量熱和氣體,產生強大的爆炸力,為煙花升空和綻放提供了最初的動力源泉。
**氧化劑則是煙花的助推劑,常見的有硝酸鉀、氯酸鉀等。**氧化劑能夠為火藥燃燒提供足夠的氧氣,使得燃料能夠盡情燃燒。燃料中的木炭、鋁粉和鎂粉等在氧化劑提供的氧氣環境中,釋放出大量能量。不同燃料的種類和配比直接影響煙花的燃燒速度和效果,會讓煙花呈現出或迅猛熱烈、或柔和持久的獨特風格。
着色劑是決定煙花顏色的奧秘。常見的着色劑為各種金屬鹽,它是利用了金屬元素燃燒時發生的焰色反應,焰色反應是鹼金屬、鹼土金屬具有的一種特殊的性質。**當金屬在火焰上被灼燒時,金屬元素中的電子吸收能量,躍遷至不穩定的高能級,隨後自發躍遷回低能級,釋放不同能量的光子,也就是不同波長的光。**由於每種元素的原子都有其特定的電子排布,所以電子躍遷會產生對應的特徵光譜,構成原子發射光譜。比如鍶鹽燃燒發出紅光、銅鹽燃燒發出藍色、鈉鹽燃燒產生黃色。這種特性讓煙花的觀賞性得到了極大的提升。

**為了讓煙花的效果更好,還會添加粘合劑、穩定劑和助燃劑。**粘合劑可以將各種粉末狀的化合物連接在一起,形成大小均勻的星體,確保煙花在製作和燃放過程中保持穩定的結構。**穩定劑可以維持煙花的化學穩定性,防止其在儲存和運輸過程中意外反應。**助燃劑可以進一步提高燃燒效率,讓煙花的光芒更加耀眼奪目。
煙花的燃放由一根引線引發,它將火焰傳遞至煙花內部的發射火藥(黑火藥)部分。裏面的硫磺率先在112.8攝氏度融化,之後硫磺和硝酸鉀和木炭充分接觸。這一過程的反應化學式為:2KNO3+S+3C=K2S+N2↑+3CO2↑,可以清晰的看到,同時有氮氣和二氧化碳氣體的產生,同時釋放出大量的熱。在封閉的空間中氣體受熱會急劇膨脹,對煙花產生強大的推力,內部產生的化學能轉換為機械能,帶動煙花克服重力勢能和空氣阻力衝向天空。
在煙花上升過程中,我們常常能聽見尖鋭的哨聲或“咻咻”聲,這是因為煙花添加了特殊的燃燒物——笛音劑。**笛音劑通常由氧化劑(如高氯酸鉀、氯酸鉀)和苯的衍生物等組成,它們在燃燒時會發生脈動燃燒現象。**脈動燃燒是一種特殊的不穩定燃燒過程,燃燒區的温度、壓力、氣流速度等參數會隨時間週期性波動,從而引起空氣的每秒上千次的激烈震盪,釋放出高頻聲波,形成了我們聽到的獨特聲音 。
當煙花上升到預定的高度,燃燒的引信抵達煙花內部的爆炸藥部分。爆炸藥被點燃後,發生劇烈的爆炸反應,這一爆炸瞬間產生極高的温度,通常可達 2000℃ - 3000℃ 。在如此高温的環境下,煙花內部的燃料和着色劑開始發揮神奇的作用。燃料中的鎂粉在高温下與氧氣充分接觸,發出耀眼的白光;着色劑則是發出其他的色彩給白光增色。
煙花綻放時還涉及到氣動效應和發煙效應等。氣動效應使得一些煙花綻放時呈現出 “鋼花四射”“彩輪飛舞” 等噴射效果。**某些藥劑燃燒後產生大量的氣體,這些氣體能使紙製品旋轉、升到空中,或連續噴出彩星,或連續射出煙花部件。而發煙效應則讓一些煙花在燃放時產生煙霧效果,**在含有氧化劑、可燃劑和有機染料的煙花藥劑中,燃燒時氧化劑和可燃劑反應放出熱量,**使有機染料直接昇華成蒸氣,並在大氣中冷凝成為有色煙。**例如,加入酞青藍可獲得藍色煙,加入煙霧紅可獲得紅色煙 。
至此我們就將煙花的內部材料組成解釋清楚了,接下來就是外部結構。將煙花切開之後看側刨面可以看到,最外面的一層是煙花外殼,然後最下面的線就是引線。一般煙花彈是放在一個封閉的紙質或者塑料外殼裏,裏面填充火藥。**引線燃燒之後會先點燃外面的填充發射火藥,使得煙花飄升到一定的高度再爆炸。藍色的小球就是由金屬鹽製作的星體,**能夠讓煙花發出不同的顏色。裏面的爆炸藥能夠使煙花彈爆炸並將小球發射出去。就是我們看見的煙花了。

決定煙花形狀的三個重要因素分別為:炮彈裏火藥類型、裝藥方式和星體(也被稱為光劑顆粒)。炮彈裏的裝藥可以是簡單的火藥,也可以是更復雜的炸藥,裝藥方式可以是簡單的一級裝藥(在空中爆炸一次)也可以是多級裝藥(在空中爆炸多次)。另一方面,炮彈裏的星體在爆炸後可以向各個方向發散,產生更為壯觀的美麗景象。最簡單的就是內部只有一層星體的煙花。此外**還可以在裏面加入延時層做成雙層結構,像圖中放入兩種不同的星體,炸出來就是兩種顏色也就是雙色花。**再不停地疊加,甚至能做到八重煙花,當大內筒球包住小內筒球會出現大花中開小花。
而星體的發射方向和模式取決於煙花的組合方式,每一級的火藥爆炸都可以把星體推到事先設計的模式或方向上。而每個星體內部還裝有火藥,為其提供推力,例如使單個星體旋轉、上升或向任意方向推進,這些星體也是煙火中絢麗的光和顏色的來源。例如圓形排列的顆粒爆炸時會形成完美的圓圈,而特殊的排列可以形成心形、笑臉等複雜圖案。能放出字的煙花叫做造型煙花,用線形冷煙花組成圖形後進行燃放。通過調整煙花發射的高度、相互間距離,用點陣的方式組的圖形。例如:奧運煙花笑臉、腳印。

並且煙花也不是隻有球形這一種,它有三種基本的類型,圓柱形外殼、球形外殼以及雙引線外殼。不同的外殼也會讓煙花釋放的效果有所不同。

煙花的三種基本類型
**噴花類煙花是最常見的類型,通常成圓筒形,有明顯的噴口,其外殼多為紙製或塑料制。**當點燃時,火藥燃燒產生的氣體,會將煙花藥劑從噴口噴射出來,形成絢麗多彩的火花噴泉。有的如 “彩色噴泉”,持續噴射出五彩斑斕的火花;有的多層結構的噴花煙花,能依次噴射出不同高度和顏色的火花。**升空類煙花以火箭煙花為典型代表,它底部裝有強大的推進裝置,當點燃後,藉助火藥燃燒產生的反作用力升到天空,**小型的能升空幾十米,大型的甚至可達數百米。在到達一定高度後,綻放出各色的圖案。**旋轉升空類煙花巧妙地融合了旋轉和升空的特點,**在升空過程中,一邊快速上升,一邊高速旋轉,隨後在空中綻放,給人帶來雙重驚喜。

噴花類

升空類

旋轉類
以火箭煙花為例,它的結構也經過了多代改進,才形成了現有的規格。下圖中展示的都是有杆火箭,(a)、(b)結構為直筒形。這種結構沒有效果筒,是發射筒外滾紙或套外筒,在筒內裝火藥輔以紅油蠟紙封口。前者結構的炸藥粉末容易從上升筒邊落下來,後者就是在(a)基礎上加塑料錐形帽子防止漏藥;(c)和(d)都是外帶效果筒力求逼真,並且這種火箭的爆炸範圍大,形狀圓且可以做成各式各樣的效果如:椰子類、牡丹類;(e)的優勢在於頂部為禮花彈,可以裝填多彈,缺點是不能過重否則會出現倒垂,發生火險;(f)(g)均為多級火箭,炸開時更有層次感;最後的(h)是噴花火箭型,突破了火箭只有空中效果的缺陷,它在地面有噴泉、噴花效果,高空中尾部會拖出一個閃爍的尾巴,效果逼真。

都已經講了大型煙花了,那仙女棒這種手持煙花又是如何製作的呢?仙女棒主要的燃燒材料是硼酸和硝酸鋇。後者可以促進仙女棒的燃燒效果,前者只是起到中和作用,將它們混合之後再加水和玉米澱粉,攪拌均勻。隨後倒入鐵屑使得混合物呈金黃色,最後工作人員在防護服的保護下,將鋁粉倒入其中,因為鋁粉是仙女棒中最具爆炸性的材料。等這些濕料混合好後,將鋼絲沉入塗料箱讓其表面都塗抹上燃燒物,多次下沉並烘烤,至漿料完全變硬,仙女棒就製作完成了。這麼看的話,仙女棒就是最簡單的煙花了,它甚至不需要外殼就能夠直接燃放。不過雖然它製作很簡單,但是其中的鋁粉還是會釋放大量的熱,所以各位小朋友們一定要注意安全哦!




煙花的誕生至今已經兩千多年了,但煙花綻放始終都能夠牽動每一個人心,沒有人可以抗拒煙花的美麗。並且隨着時代的發展甚至出現了電子煙花、特效煙花,不過它們始終不能夠和我小時候看到的萬家煙火盛開的場景相媲美。煙花所承載的不止是一瞬間的美麗,更是闔家對於新的一年美好願景的期盼。
小編在此也預祝大家春節快樂,萬事皆如意!
參考文獻:
[1]彭斌輝.火箭煙花的結構和包裝[J].火工品,2006,(01):55-56.
[2]周正興,煙花用安全、環保、多孔結構的微煙發射藥.湖南省,瀏陽象形精品煙花出口製造有限公司,2014-12-17.
[3] 煙花為何如此絢麗多彩?來看看煙花綻放的原理吧!