用于复合物射弹枪管结构的纤维卷绕系统技术方案

技术编号:13427713 阅读:73 留言:0更新日期:2016-07-29 17:14
本发明专利技术公开一种复合物射弹枪管,其包含连续纤维复合物外壳,所述外壳在纵向方向上的平均有效热膨胀系数大致匹配内衬的平均有效热膨胀系数。在一个实施例中,所述复合物枪管包含PAN前体碳纤维和热固性环氧树脂,其中所述碳纤维以不同卷绕角卷绕以在所述外壳内形成多个区域。成品枪管展现轻重量、优良的轴向硬度和强度、耐久性并且可靠精确。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请案的交叉引用本申请要求2013年12月9日提交的临时专利申请第61/913,825号的优先权。所述临时申请的全部公开内容在此以引用的方式并入并且作为依据。
技术介绍
使用者一直渴望保持耐久和可靠精确的较轻重量枪支系统。已知有使用相对较强但轻重量的材料,如非强化型和强化型聚合物,连续玻璃纤维或碳纤维复合物,替代通常由钢、铝或其它金属制造的枪支的多个部分。注意力集中在枪筒上,其构成大部分枪支重量。举例来说,制造具有被连续碳纤维强化型聚合物基质复合物外壳包围的内衬(典型地为钢合金)的枪管是已知的。在适当选择材料并且恰当地经工程改造的情况下,这一组合使枪支变轻,同时保持良好的枪管强度和硬度。用于外壳中的碳纤维可以是提供所需硬度、强度以及热导率的任何类型。典型地对于枪管应用来说,使用聚丙烯腈(“PAN”)前体或沥青前体碳纤维。可以在湿式长丝卷绕操作中应用碳纤维,其中在“湿式”浸渍盘工艺中将干碳纤维股或丝束与树脂组合,接着围绕内衬卷绕并且进行处理。或者,所述壳可以由先前在单独工艺中用树脂浸渍的碳纤维丝束(“丝束浸体”或“预浸体”)、单向胶带或织物或纺织预成型体制造,其中将树脂浸泡到编绕预成型体中,接着在使预浸体固化成硬质热稳定基质并且同时使外壳粘合到枪管内衬的工艺中施加到内衬上。无论通过湿式长丝卷绕、树脂浸泡到干燥预成型体中应用或通过应用预浸体材料,基质树脂典型地是可交联环氧树脂,但所述树脂可以是聚合物,如聚酰亚胺、双马来酰亚胺、氰酸酯、无机聚合物、热塑性聚合物或如本专利技术人在专利申请PCT/US14/53194(科里斯(Curliss))中描述的一些其它材料,其说明书和图式以其全部内容并入在此。基质粘合剂可以不完全是有机聚合物树脂,但也可以是无机聚合物、金属、陶瓷、碳的同素异形体或矿物质。复合物枪管可以接着经固化(必要时)、表面处理并且连接到机匣和枪托。对于许多常见枪械应用,此类碳纤维强化型复合物可以提供热特性、机械特性以及加工特征的适合的平衡。所属领域的技术人员已知的其它纤维,包括连续玻璃纤维、连续陶瓷纤维、连续金属纤维、连续石墨纤维、连续矿物质纤维、连续聚合物纤维和/或其组合,也可以用作增强相。然而,此类复合物枪管可能造成传统钢枪管情况下不会遇到的问题。第一,复合物必须以围绕并且沿着衬管的方式和数量建构以确保枪管不会在烧制后破裂,从而在主方向(例如轴向和扭转)上实现令人满意的强度和硬度,以提供足够的环境耐久性并且抑制发射射弹时传播的冲击波。举例来说,经由反射、折射抑制冲击波,并且不均匀材料中的相互作用将取决于材料特性改变,如纤维直径和几何定向以及基质内连续纤维的体积分数。大多数前述问题可以通过额外卷绕解决,例如更多圆周“环箍缠绕”以改进破裂强度,以及更多轴向定向的螺旋卷绕以改进轴向拉伸和弯曲强度以及硬度。扭转硬度是在中等和较大口径具有膛线的枪管方面重要的显著设计因素。然而,添加更多卷绕层可能导致制造和固化复杂化、与所需相比更高的材料费用、更大的重量以及更庞大的枪管轮廓。纤维选择也可以在一定程度上解决这些问题。一般来说,较低密度、较强和较硬的纤维是优选的,限制条件为其不会展现其它非所需特征,如不佳的树脂粘着性。第二,由于较常见连续纤维复合物(“CFC”)外壳是由衬管内热气体产生的热量的相对不佳导体,热管理是显著关注点。CFC卷绕的额外层加重了排热问题。在操作期间,枪管将变热。在基质相是有机聚合物的情况下,如果CFC内的经固化树脂达到其玻璃转变温度Tg,那么CFC明显软化并且复合物枪管的机械完整性受损。随着枪管加热到甚至更高温度,经固化基质的不可逆热分解发生并且枪管结构完整性进一步受损。U.S.6,889,464(德格尼斯(Degerness))将导热材料添加到树脂混合物中以改进热导率和热耗散。科里斯(同前文献)(PCT/US14/53194)公开了一种使用耐受更高温度的树脂制造枪管的新颖方法,并且公开了使用较小粒子的金属(如铝)作为热传导添加剂。第三个问题涉及由复合物枪管的复合物与内衬之间的热膨胀差异产生的枪管内应力。随着在操作期间内部钢衬管变热,其在径向和纵向上膨胀。在先技术中的复合结构在纵向方向上具有与钢相比大体上较低的平均有效热膨胀系数(CTE),并且因此当加热时,CFC外壳膨胀大体上小于钢衬管。这可以提高或减少枪管中的热应力,取决于来自加工的热残余应力的状态。问题在于,随着归因于操作或环境的枪管中的温度改变,枪管中的残余应力状态也会变化。举例来说,类型416级不锈钢是钢枪管中通常采用的合金,其CTE是每华氏度约百万分之5.55(5.55ppm/°F或5.55×10-6/°F),而采用PAN前体碳纤维和热固性环氧树脂的典型的CFC外壳的纵向平均有效CTE小于约3ppm/°F。当类型416不锈钢衬管和典型的CFC在操作期间经受加热时,不均匀膨胀可能在衬管-CFC界面上产生热应力,甚至可能导致CFC从衬管部分中分离或在CFC壳内断裂。即使未发生分离,CFC或金属衬管特性的较小变化或几何变化可能促进枪管与CFC之间的界面处的不均匀热应力,其可能导致枪管非线性变形或从其初始轴线位移。甚至极微小的位移也可能明显降低精确性。此外,即使枪管和衬管保持完全准确,CFC内的多个卷绕层可能尤其在纵向上具有不同的CTE。当经受较高操作温度时,CFC内相邻卷绕层的热膨胀差异可能导致高水平的层间剪应力以及甚至分层。US5,692,334(克里斯坦森(Christensen))公开了消除内衬与CFC之间的任何粘结或粘着。不幸的是,这一途径几乎消除了外壳对轴向硬度、扭转硬度或圆周增强的任何作用。US5,804,756中的相同专利技术人认识到钢和复合物壳具有不同CTE,但尝试仅在径向方向上匹配热膨胀。实际上,'756专利的一个目标是“在轴向方向上具有几乎0的热膨胀系数”。'756专利明确地教示在轴向方向上使CFC膨胀降低为零改进精确性。'756专利第2栏、第23行;第6栏第11行。US5,600,912(史密斯(Smith))教示在碳纤维复合物外壳固化后在纵向上机械压缩碳纤维复合物外壳以改进枪管硬度,当在操作期间加热枪管时,所述压缩还可以帮助补偿较低CFC热膨胀。然而,以机械方式压缩CFC例如经由过度紧固而具有损伤风险,并且在任何情况下,欲施加的“恰当”量的冷残余压缩将取决于枪管操作温度以及结构特征(如枪管长度和衬管轮廓)而改变。与史密斯一样,US6,189,431(丹纳(Danner))也在CFC上以机械方式施加残余冷压缩,但其本文档来自技高网...
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【技术保护点】
一种用于引导可发射射弹的路径的枪管,其包含:界定轴向枪膛的内衬,所述内衬具有沿着所述轴向枪膛的热膨胀系数CTE;以及包围并且直接接触所述内衬的外壳,所述外壳由产生连续纤维复合物CFC并且在轴向方向上具有平均有效CTE的基质中的连续纤维制造,其中所述外壳的平均有效轴向CTE大致等于所述内衬的轴向CTE。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.09 US 61/913,8251.一种用于引导可发射射弹的路径的枪管,其包含:
界定轴向枪膛的内衬,所述内衬具有沿着所述轴向枪膛的热膨胀系数CTE;以及
包围并且直接接触所述内衬的外壳,所述外壳由产生连续纤维复合物CFC并且
在轴向方向上具有平均有效CTE的基质中的连续纤维制造,其中所述外壳的平均
有效轴向CTE大致等于所述内衬的轴向CTE。
2.根据权利要求1所述的枪管,其中所述基质包含聚合物。
3.根据权利要求2所述的枪管,其中所述聚合物是有机的。
4.根据权利要求2所述的枪管,其中所述聚合物是无机的。
5.根据权利要求2所述的枪管,其中所述聚合物是热塑性的。
5.根据权利要求2所述的枪管,其中所述聚合物是固化热固性的。
6.根据权利要求1所述的枪管,其中所述基质包含金属。
7.根据权利要求1所述的枪管,其中所述基质包含陶瓷。
8.根据权利要求1所述的枪管,其中所述基质包含矿物质。
9.根据权利要求1所述的枪管,其中所述基质包含碳的同素异形体。
10.根据权利要求2所述的枪管,其中所述CFC包含具有导热添加剂的树脂混合物。
11.根据权利要求1所述的枪管,其中所述内衬包含陶瓷材料。
12.根据权利要求1所述的枪管,其中所述内衬包含金属。
13.根据权利要求12所述的枪管,其中所述内衬包含钢合金。
14.根据权利要求13所述的枪管,其中所述钢合金是不锈钢。
15.根据权利要求14所述的枪管,其中所述不锈钢在AISI群组400中。
16.根据权利要求15所述的枪管,其中所述外壳的平均有效轴向CTE在4.5ppm/°F与
6.5ppm/°F之间。
17.根据权利要求13所述的枪管,其中所述钢合金在AISI群组4000中。
18.根据权利要求17所述的枪管,其中所述外壳的平均有效轴向CTE在5.8ppm/°F与
7.8ppm/°F之间。
19.根据权利要求1所述的枪管,其中所述CFC包含多个纤维分层区域,所述纤维选
自由以下组成的群组:单向丝束、纺织复合物预浸体以及编绕套管。
20.根据权利要求19所述的枪管,其中所述纤维是碳。
21.根据权利要求19所述的枪管,其中所述纤维是陶瓷。
22.根据权利要求19所述的枪管,其中所述纤维是玻璃。
23.根据权利要求19所述的枪管,其中所述纤维是金属。
24.根据权利要求19所述的枪管,其中所述纤维是矿物质。
25.根据权利要求19所述的枪管,其中所述纤维是聚合物。
26.根据权利要求19所述的枪管,其中各分层区域包含至少一个以相对于所述轴向枪
膛基本上恒定的卷绕角成螺旋形卷绕于所述内衬周围的单向连续碳纤维丝束,并且
其中各分层区域具有径向厚度。
27.根据权利要求26所述的枪管,其中所述分层区域中的至少一个包含PAN前体碳纤
维。
28.根据权利要求27所述的枪管,其中所述PAN前体纤维具有中间弹性模量。
29.根据权利要求26所述的枪管,其中所述分层区域中的至少一个包含沥青前体碳纤
维。
30.根...

【专利技术属性】
技术研发人员:贾森·E·林肯大卫·B·柯利斯
申请(专利权)人:证明与研究股份有限公司
类型:发明
国别省市:美国;US

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