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轻兵器用塑料材料

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轻兵器用塑料材料轻兵器多指步兵使用的枪械、弹药及战术火箭它们所用的非金属材料多以工程塑料、橡胶、胶黏剂、涂料及少量陶瓷材料等其中枪械用塑料的应用研究走过了以塑代木,以塑代金属制成非受力件受力部件、高频受力部件及关键部件的道路到目前为止 国内外的长短枪族,弹键发射具和弹药中大量使用了塑料材料 除枪托、握把、护木、托底板拆卸工具和弹匣(夹)外,某些关键件(如击锤、保险机构、枪机、枪管)也用非金属材料制备可以说以塑代木的应用研究术业已成熟,以塑代金属,制备结构部件的应用研究成果显著,全塑料枪研究成功在望众所周知,法国研制的 FAMAS步枪的33个部件分别用30%和60%玻纤增强尼龙11 制成,占全枪部件的16%;美国雷明顿兵工厂研制的“尼龙枪”,除枪管和一小部分的部件由钢制成外,其他均由尼龙制成;法国的Apilas单兵反坦克火箭发射具为全塑料产品,其中发射筒由凯夫拉纤维增强环氧复合材料缠绕成型,也是塑料在枪械上应用的典型范例就是枪械中最关键的部件枪管也已由西德用金属纤维增强环氧复合材料缠绕成型枪管内壁使用了Sic或SiN4陶瓷,并涂有二氧化钛涂料长枪族的应用成果必然带来短枪族的广泛应用美国已从奥地利引进了Glock17手枪制造技术,打算用包括聚酰胺酰亚胺、液晶聚合物和聚四氟乙烯等耐高温(300℃以上)特种工程塑料制造全塑料手枪。

常规弹药用非金属材料以发展弹托、弹带和闭气环三大系列为主在减轻弹体消极重量,提高弹丸速度和精度起了重大作用与此同时节约了大量的铜材料国内外已普遍应用步、手枪弹早期以研制塑料弹壳为起点,随着无壳弹的出现,研究的重点逐步放到固药胶和防潮涂料或胶黏剂的研究上地雷、手雷、手榴弹等兵器多使用塑料壳体,目前的发展是由热固性塑料向成型工艺更好、成本低的热塑性塑料发展战术导弹和火箭使用的非金属材料多以树脂基复合材料应用主要以战斗部、发动机、续航导航和尾翼及风帽等结构件,这些结构件所用的复合材料由热固性塑料向热塑性塑料发展,其增强材料在沿用玻璃纤维的同时,积极推广使用性能更好的碳纤维、芳纶纤维和不锈钢纤维,目前又趋于研究超拉伸聚乙烯和聚丙烯纤维在弹箭上的应用总之,轻兵器在设计和制造愈来愈多地选用塑料制品,特别是工程塑料和树脂基复合材料其原因可能是多方面的:(1)非金属材料特别是高分子材料,合成灵活性大,可根据产品要求自行设计配方,通过对制品的理论计算和产品设计,选择最佳配比最佳材料和添加剂制出合乎使用要求的产品;(2)选材范围广高分子材料中有通用塑料、通用工程塑料、特种工程塑料、热固性塑料、弹性体、胶粘剂和涂料及橡胶等。

这些材料中又可制备通用型、功能型、阻燃型、增强型和高性能品级等3)成型工艺简便、加工成本低,不论是热固性或热塑性塑料均可一次成型,制品一般不用二次加工处理即可装配,综合成本比金属制品低得多;且加工设备投资也少;(4)重量轻、体积小、携带方便塑料比金属相对密度小得多,制品自然轻,这对于手持武器,枪械及单兵弹箭尤为重要这样可减轻战士负荷增大机动性;(5)特殊性塑料制品耐腐蚀、耐老化、防锈蚀、耐烧蚀等是金属所不具备的,其隐蔽性强,一般武器检测设备检测不出来,利用这一特点可为特警人员、在隐蔽战线工作的人员制备隐蔽性更强的武器;(6)可回收利用性,除热固性塑料之外,其它的塑料、橡胶制品及其废品均可回收利用,一方面可提高经济效益,另一方面可减少环境污染三、材料研究发展动向以轻兵器用量较大的工程塑料和树脂基复合为例,近几年来,材料开发、材料改性及应用研究都取得了长足进步总体来讲,其技术发展动向是合金化(A)掺混化(B)复合化(C)高性能化和功能化应用研究由通用型向专用型发展、由设计定型向理论计算模拟设计定型转化,纯材料改性向材料选择、制品设计、加工工艺一体化发展从而出现了众多的高性能塑料品级和选用性强的品级,提高了应用研究的针对性,拓宽了塑料的应用范围。

其发展特点是:1.通用工程塑料ABC改性活跃塑料材料的合金化(A)、掺混化(B)和复合化(C)改性技术是基于寻求更好的全新材料比较困难的情况下,通过对现有材料的性能改进,使其提高性能,满足应用要求要进行理想的合金化和掺混,达到所希望的效果,必须熟练应用相容化技术、互贯网络(IPN)技术和混炼技术等塑料改性的目的是利用弹性体高回弹性与刚性工程塑料掺混或合金化,提高工程塑料的耐冲击特性,利用高特种工程塑料优越的耐热性与通用工程塑料掺混或合金化研制高性能工程塑料,提高材料的热变形温度,利用廉价的通用塑料与通用工程塑料掺混或合金化改进材料的某一特性的同时,降低应用成本,适应市场需求利用无定形塑料与刚性塑料掺混改进材料的加工特性耐化学药品储性能至此世界各国出现了一大批高性能的塑料掺混物或聚合物合金如杜邦公司的zytyl 100ST尼龙,被称超韧性尼龙,其耐冲击强度高达1000J/m,是未改性塑料的100倍,这种树脂产品再经过复合化,添加纤维增强材料,就成为轻兵器等领域应用的理想材料FAMAS步枪用的绚丽尼龙”,AUG枪用的尼龙和我国5.8mm及7.62mm步枪塑料件就是利用这一技术制备的又如美国杜邦公司的超韧性聚甲醛—Delrin 100 ST其耐冲击强度也高达1000J/m。

奥地利运用聚甲醛的超高耐疲劳强度(高达27107Mpa)(属塑料材料中最高,次之为酚醛),再通过改性赋予其超韧性就成为枪械高频受力部件的理想选材,故而制造出聚甲醛击锤、单连发阻铁、扳机、保险卡笋等关键件击锤的工作寿命长达5万发,无开裂、无磨损2.特种工程塑料ABC改性步伐加快这类材料改性研究主要以改进其加工性能(与聚烯烃合金化或掺混)为主,另外通过化学改性改变不同基团的比例或连接顺序来制备性能更好,更适用的聚合物,也可运用其优越的力学特性和耐热性改进通用工程塑料或热同性塑料使之成为高性能塑料ICI公司正研究用砜类和酮类树脂作增韧性或改性剂与热固性塑料和通用工程塑料合金化Shell公司用GE公司的PEI(ultem 1000)、Amoco公司的聚砜(Udel P1700)和NASA Langley研究中心的聚芳酯做改性剂,以10~30%比例与工程塑料合金化液晶聚合物(LCP)属80年代研制的全新材料其性能优异,但价格昂贵,严重阻碍了它的应用用LCP与通用工程塑料合金化或掺混借助LCP分子结构在加工过程剪切敏感、熔体粘度变小特点,寻求用LCP与难加工的聚酰亚胺,聚苯硫掺混来制备高性塑料现已研制出LCP/POM,LCP/PBT,LCP/PA,LCP/PI和LCP/PPO等。

这些材料已开始应用如用聚砜制备的无声枪消音筒,用聚酰亚胺制备了战术导弹飞行减速器另外美国已将热固性聚酰亚胺/碳纤维复合材料用于战斗机上还将Cyanamid的pmr—15热塑料性聚酰亚胺,ICI公司的Victrex PEEK和PES、GE公司的PEI以及phillips公司的pps作为下一代飞机的备用材料,现已获准用许可证美国已批准DallaxTX公司选用Amoco公司的TorIon PI、phillips公司的RytonPPS Dartco公司的LCP和PTFE研制新一代全塑枪3.热固性塑料均以复合材料的形式在轻兵器上得到广泛应用,像酚醛玻璃钢和聚酯玻璃钢枪托、护木、握把已普遍使用,国内外的弹簧后尾翼、风帽、发动机壳体、战斗部壳体等均用这类塑料制备所使用的加工艺仅为压制和缠绕成型由于这类塑料成型工艺性差,目前的发展一是对基本树脂改性提高加工性能,另一方面用热塑性塑料取代当前对热固性塑料采用的是增韧改性,以提高基体树脂的加工流动性和制品的冲击强度在这一方面Shell、BASF、BP化学、Dow、Mexcel公司等作了大量的工作其研究成果已用于飞机结构件、汽车、电子电气部件也是轻兵器设计制造的候选材料。

4.树脂基复合材料复合化技术向深层次发展树脂基复合材料是轻兵器也是各类工程结构件使用的主要形式复合化技术也是目前乃至将来用于提高非金属材制刚性和强度,满足武器使用要求的手段这类的技术进步主要体现在基体树脂改性、增强材料的处理与添加及其界面理论的研究上1)由短纤维给增强改为长纤维增强短纤维与树脂基体通常经过熔融混合挤出造粒只有保持3.2~5mm长的粒料,挤粒成型纤维长度比短纤维部件中的纤维长10~20倍制品的物理性能提高主要依赖于纤维的长度和体积短纤维尼龙66的悬臂缺口冲击行为在纤维含量19%时便达到平衡而长纤维复合材料的冲击强度在上述基础上还继续随纤维含量增加而提高长纤维端头少,包封能力大,增强效率高一般含量可达50%长纤维长纤物料充模时以网络缠结、杂乱交合和弯曲充模,可在制品中形成网络式骨架结构,如去掉树脂结构仍可整体存在,故而可提高制品的力学特性,而短纤维在充模流动方向上排列造成各向异性而长纤维制品不存在这一问题,呈各向同性,平滑度好,翘曲性小,且长纤维复合材料吸水性也小于短纤维复合材料长纤维复合材料在高应变速率下强度和刚性提高,且伸长率不下降50%长纤维复合材料在质量、臂架缺口冲击性能、公差控制和模具使用寿命等均优于380.0铝合金。

由此可见,长纤维复合材料是轻兵器制造中可选用的优良材料,用这种高性能复合材料取代通用的短纤维材料可使武器性能提高一大步这种复合成型中亦可使用短纤维复合材料设备,不需要增加投资2)耐高温功能性金属纤维复合问世利用金属纤维(包括不锈钢纤维、铜纤维、钨纤维等)的耐高温性、导电和抗静电性制备耐高温和功能复合材料由于这种材料在海湾战争中成功地用于手控卫星制导定位装置,又成功地用于尖端民用装置(如激光校正仪、示波仪壳体、灌溉设施和汽车用过滤器壳体等)以取代金属构件用作功能复合材料的金属纤维添加量很少(1~2%)添加纤维后制品色彩与未添加的差不多,也不会影响加工性能,但导电性、消除静电和抗电磁干扰性十分优越在兵器工业中可用作防毫米波、厘米波和雷达波材料及隐形材料耐高温复合材料的制备一般添加量高,多采用连续纤维缠绕成型制备管材、棒材或型材若采用耐高温的特种工程树脂基体可作为枪管、炮管、火箭导弹发动机壳体等高温构件的理想选材3)填料的超细粉化技术有突破塑料本身刚性就低,采用纤维增强可提高刚性,但越提高钢性,耐冲击强度就随之下降如何调节刚性与冲击性这一相对性质是塑料改性为最重要研究课题之一利用矿物填料,特别是超细粉化填料是改善这一对相对性能,解决这一难题的良好方法。

超细粉填料在树脂基体中由于体积小相互接近,可形成“海一岛”式结构,容易产生补偿效应,对改进基体材料性能有较大的作用超微细粉料粒度应为0. 05~0.5μm,超过0.5μm改性效果很差另外在树脂基体中分散的粒子间距也都是重要因素,粒子间距大于0. 5μm时改性效果会发生锐减除这些因素外,还应在粒子粉碎过程对其进行表面处理,在填料超细粉粒子表面接枝上有机化合物,进一步改进复合材料界面,提高材料质量这一材料改性技术是目前乃至将来改进塑料韧性—刚性平衡性更高层次的技术最近兴起的填料嵌入复合技术是制备更高级复合的前沿技术,它是在层状化合物层间嵌入离子、金属或其它化合物(如蒙脱石、云母和石墨等),再经过加热或溶剂处理把嵌入物质排除掉,从而扩大了化合物层间结构,并利用“层间结构效应”来提高材料性能前苏联科学院已用高岭土夹层间夹有催化剂,并在这一填料表面聚合超高分子量聚乙烯制备高性能复合材料,现已用于挖土机挖斗日本第一例是在蒙脱石一环氧复合材料,性能优异,已用于电子部件丰田合成公司开发了蒙脱石嵌入尼龙6复合材料此外,根据填料超细粉化的原理,国外正在从事对基本树脂的超细粉化研究已有初步成果5.新一代材料的开发,展现了非金属材料的广阔前景代表21世纪新一代聚合物材料——硅系高分子材料已由日本官方和民间于1991年共同研究开发,可望到2000年拿出新型的合成材料,并逐步投放市。

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