高温复合物射弹枪管制造技术

公开一种复合物射弹枪管，其包含适应较高温度的负载的聚合物基质复合物外壳。在一个实施例中，本发明专利技术包含一种由碳纤维和玻璃化转变温度大于500℉的聚酰亚胺树脂制造的外壳。在另一实施例中，树脂混合物包含直径在约0.1微米与10.0微米之间并且大致球形的多个尺寸的铝粒子作为导热添加剂。

【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两个临时专利申请的优先权：2013年8月28日提交的第61/871,154号和2013年9月4日提交的第61/873,771号。两临时申请的整个公开内容特此以应用方式并入并且依赖于此。
技术介绍
使用者一直渴望保持耐用并且可靠的较轻的枪支系统。已知有使用相对坚固但轻量的材料，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。注意力集中在枪支枪管上，其占枪支重量的很大百分比。举例来说，已知制造具有包围有碳纤维强化的聚合物基质复合物(PMC)外壳的钢内衬的枪支枪管，所述外壳并入有树脂。这一组合会使枪支减轻，同时保持良好的枪管强度和硬度。用于PMC外壳中的碳纤维可以为提供所需硬度、强度以及导热率的任何类型。通常对于PMC枪支枪管应用来说，使用聚丙烯腈(“PAN”)前体或沥青前体碳纤维。碳纤维可以干碳纤维股线或纤维束加以应用，所述干碳纤维股线或纤维束在“湿”浸涂盘方法中与树脂组合，接着缠绕于内衬周围。或者，外壳可以由先前在独立方法(“浸渍纤维束”或“预浸”)用树脂浸渍接着施用于内衬的碳纤维束、单向传输带或织物构建。无论润湿或干燥应用，基质树脂通常为环氧树脂。复合物枪管接着可以进行固化、抛光并且连接到机匣和枪托。此类碳纤维/环氧树脂基质复合物可以为许多常见枪械应用提供适合的热特性、机械特性以及加工特征的平衡。然而，当复合物枪管经历来自快速或持续射击的高热量时，与实心钢枪管相比其通常较不耐用。举例来说，半自动或自动步枪的枪管内的温度可能容易超过500℉，并且可能超过700℉或更高。由完全由钢和类似材料制造的枪管制得的枪械耐用并且具有高热传递特征足以使热量足够快速地耗散以适应此类射击应用并且表现仍可接受。现有枪支枪管复合物外壳与钢相比具有较低径向导热率，以使得复合材料实际上起类似于热绝缘体的作用。通常用于枪支枪管的钢的类型的导热率为约20-40瓦/米-开尔文(20-40W/m·K)。在枪支枪管应用中，典型PAN碳纤维环氧树脂复合物在“整个厚度”方向上或径向上的导热率仅为约0.5W/m·K。这些复合物的典型“平面内”(纤维方向)值为约仅1-5W/m·K。如下文所论述，与钢相比PMC材料还会在较低温度下发生降解。U.S.6,889,464(德格尼诗(Degerness))公开一种枪支枪管，其包含螺旋缠绕有在浸涂盘浴方法中拉拔穿过润湿环氧树脂混合物的碳纤维长丝或纤维束的钢内衬。德格尼诗将导热材料添加到包含可以购得的短切/磨碎的沥青碳纤维的环氧树脂中。固化枪管展示明显较高的导热率和改进的从内枪管经由PMC到周围大气的热耗散。然而，甚至在添加导热短切碳沥青的情况下，装备有碳纤维复合物枪管的枪支快速射击仍可以致使枪管温度明显超过环氧树脂的使用温度性能。当枪管因持续射击变热时，其可能超过固化环氧树脂基树脂混合物的玻璃化转变温度Tg。在Tg下，PMC明显变软并且复合物枪管的机械完整性受损。当枪管加热到甚至较高的温度时，发生不可逆的固化环氧基质的热分解并且枪管结构完整性进一步受损。具有所需加工特征和固化热和机械特性的环氧树脂通常呈现140-400℉范围内的玻璃化转变温度，并且通常在高于500℉的温度下呈现热分解。理论上，应可能改良PMC的导热率并且通过增加树脂混合物中Thermalgraph或如石墨烯、石墨、碳纳米管、陶瓷颗粒或金属粒子的其它导热材料的比例来延迟热量积聚。导热添加剂的所需特征为高导热率、低密度并且具有适当尺寸和尺寸分布以占据强化纤维之间的空隙。然而，因为所有这些导热添加剂易于强烈增加树脂的粘度，所以较高浓度的导热添加剂使树脂混合物更为粘稠，从而抑制用树脂完全涂布碳纤维束并且使得制造更为困难并且不一致。另外，高负载的导热添加剂一般会减小复合物的机械特性(例如强度)。存在玻璃化转变温度比环氧树脂高的其它树脂，但其一般更难以加工和用其制造PMC物品，并且与环氧化物相比明显更昂贵。已知具有聚酰亚胺化学物质的树脂具有与环氧树脂相比明显更高的玻璃化转变温度、更好的导热率以及改良的热稳定性。尽管与环氧树脂相比固化聚酰亚胺树脂具有优良的热效能，但许多因用于其制造的溶剂和单体而具有相对高的毒性。一般来说，溶剂中包含反应性单体的聚酰亚胺树脂的热固性类别称为“可聚合单体反应物”或PMR聚酰亚胺。所要求的较低毒性聚酰亚胺树脂公开于U.S.5,171,822(佩特(Pater))“低毒性高温PMR聚酰亚胺(LowToxicityHighTemperaturePMRPolyimide)”中并且可以名称RP46购得。然而，在室温下用于制造PMC的足高固体浓度的RP46树脂为半固体；其高粘度使其在“润湿”缠绕纤维长丝束时极难以操作。玻璃化转变温度高于环氧树脂并且具有有用加工特征的PMR聚酰亚胺树脂公开于U.S.6,889,464(林肯(Lincoln))中。并入林肯化学物质中的树脂由俄亥俄州莫雷纳兰斯路2711号(2711LanceDrive,Moraine,Ohio)45409的聚合物溶液性能公司(PerformancePolymerSolutions,Inc.)以名称635LM制造。P2SI635LM树脂具有635℉的适当高的玻璃化转变温度，但在室温下与典型润湿长丝缠绕环氧树脂相比还明显更粘稠，看起来会妨碍其在长丝缠绕应用中的使用，如当尝试将经树脂浸泡的纤维束以多层缠绕于枪支枪管的内衬上时。在长丝缠绕应用中使用如的聚酰亚胺树脂的另一障碍涉及固化新近缠绕的枪管的加工困难性。当包含溶剂化聚酰亚胺树脂的聚酰亚胺基质碳纤维复合物缠绕的枪管固化时，树脂中的挥发物会释放出。当平坦或大半径面板固化时，这些气体更容易迁移到面板的表面或边缘，使更容易产生基本上不含不合需要的空隙的复合物物品。然而，当本质上具有最少部分“边缘”的经缠绕的枪支枪管固化时，证实因为挥发性产物和气体易于滞留于继续长丝绕圈之间而难以去除。不同于固化具有大平面表面的面板，从新近缠绕的聚酰亚胺树脂复合物枪支枪管中释放的挥发性气体的迁移路径为以径向向外穿过复合物的厚度(具有一定的纵向迁移)。当利用较高粘度的聚酰亚胺树脂时这一问题复杂化。尽管使用聚酰亚胺树脂环绕如小口径枪支枪管的薄圆筒存在优势，但将聚酰亚胺树脂用于PMC(甚至在替代复合物制造技术下，如预浸、浸渍纤维束以及树脂输送浸泡)实质上已被限制于平坦或相对大半径的碳纤维薄片或面板。另一具有相对高玻璃化转变温度的树脂类别为聚醚醚酮(PEEK)。PEEK明显本文档来自技高网...

【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：界定轴向孔的内衬；和围绕并且直接接触所述内衬的外壳，所述外壳由聚合物基质复合物PMC制造，所述PMC包含纤维和树脂混合物，所述树脂混合物包含玻璃化转变温度大于500℉的树脂。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.08.28 US 61/871,154;2013.09.04 US 61/873,7711.一种用于引导可发射射弹的路径的枪管，其包含：
界定轴向孔的内衬；和
围绕并且直接接触所述内衬的外壳，所述外壳由聚合物基质复合物PMC制造，
所述PMC包含纤维和树脂混合物，所述树脂混合物包含玻璃化转变温度大于500
℉的树脂。
2.根据权利要求1所述的枪管，其中所述内衬包含金属。
3.根据权利要求2所述的枪管，其中所述金属包含钢合金。
4.根据权利要求1所述的枪管，其中所述纤维包含碳纤维。
5.根据权利要求4所述的枪管，其中所述碳纤维包含以多个层螺旋缠绕于所述内衬周
围的碳纤维束。
6.根据权利要求5所述的枪管，其中所述多个层包括多个相对于所述轴向孔的缠绕
角。
7.根据权利要求5所述的枪管，其中所述多个层中的至少一者包含多个PAN前体碳
纤维。
8.根据权利要求7所述的枪管，其中所述PAN前体碳纤维的直径为大致3微米到15
微米。
9.根据权利要求5所述的枪管，其中所述多个层中的至少一者包含多个沥青前体碳纤
维。
10.根据权利要求9所述的枪管，其中所述沥青前体碳纤维的直径为大致3微米到15
微米。
11.根据权利要求1所述的枪管，其中所述树脂为热固性树脂。
12.根据权利要求11所述的枪管，其中所述热固性树脂为聚酰亚胺树脂。
13.根据权利要求1所述的枪管，其中所述树脂混合物进一步包含至少一种导热添加
剂。
14.根据权利要求13所述的枪管，其中所述导热添加剂选自由下列各物...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·B·柯利斯，贾森·E·林肯，迈克尔·K·德格内斯，
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