王沛， 夏柳， 蔡歡喜， 武偉超*， 王強， 劉業(yè)寶

(1. 北京理工大學(xué)機電學(xué)院， 北京 100089； 2. 31700部隊， 遼陽 111000； 3. 航天時代飛鴻技術(shù)有限公司， 北京 100089)

在中國經(jīng)濟騰飛式增長的背景下，技術(shù)的變革越來越受到人們的關(guān)注，而科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)便是材料。在19世紀(jì)初期，高分子材料就進入了大眾的視野，經(jīng)過100多年不斷的發(fā)展和完善，高分子材料已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。高分子材料主要分為塑料、橡膠、纖維三大種類，其中塑料根據(jù)用途又可以分為通用塑料、特種塑料和工程塑料[1]。工程塑料是指具有優(yōu)異的力學(xué)性能以及耐熱性能，可用作結(jié)構(gòu)材料，在較寬的溫度范圍內(nèi)持續(xù)使用并保持良好的尺寸穩(wěn)定性的新型塑料材料。在過去十多年中，中國工程塑料行業(yè)產(chǎn)值年均增長在20%以上，企業(yè)規(guī)模高速擴張，拜耳、杜邦等跨國公司也先后進入中國合成樹脂領(lǐng)域[2]，極大地提升了工程塑料產(chǎn)品的產(chǎn)能，推動了塑料行業(yè)的發(fā)展[3]。工程塑料資源廣泛、成型加工簡單、強度高、質(zhì)量輕，塑料復(fù)合材料又具有低密度，高比強度，絕緣性，良好的耐腐蝕性、耐熱性、耐磨性等特點[4-6]。并且工程塑料的改性技術(shù)日益成熟[7-11]，改性方法一般為共混改性和填充改性[12]，常見共混改性包括嵌段共聚法[13]、機械共混法[14-15]、反應(yīng)共混法[16]等，填充改性分為一步法和兩步法[17-19]，通過對工程塑料的改性，可以大幅度增加其應(yīng)用領(lǐng)域。目前在軍工領(lǐng)域工程塑料也起到了重要的作用，已經(jīng)從兵器工業(yè)中的替用品漸漸變?yōu)榘l(fā)展新型兵器必不可少的材料[20]。

20世紀(jì)末，高新材料技術(shù)的興起掀起了一場新的軍事革命。高新材料技術(shù)是指輕質(zhì)化材料技術(shù)、功能材料技術(shù)、智能材料技術(shù)等[21]，它們對現(xiàn)代戰(zhàn)爭具有重大的影響，也改變了軍隊的武器裝配。輕質(zhì)化材料技術(shù)對輕武器的發(fā)展做出了巨大貢獻，在提高武器輕量化、功能化和高性能化的同時，對下一代新型武器的研發(fā)與設(shè)計也有著全面而深刻的影響。輕武器一般是指由單兵或者班組攜行戰(zhàn)斗的武器，其種類繁多，可裝配于各種基礎(chǔ)裝備之上，使用范圍較廣，不僅是步兵作戰(zhàn)的主要武器，更是全軍通用性武器裝備[22]，其中槍械和彈藥是使用最為普遍的輕武器。輕武器發(fā)展的必然趨勢是單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在最大限度地提升單兵作戰(zhàn)能力，使士兵與武器裝備形成一個有機整體，進而全面地增加了單兵的生存力、殺傷力、機動能力、指揮與控制能力以及耐久能力，實現(xiàn)輕武器的突破。以往在評價武器裝備水平時，通常是以單件武器的性能為主，而現(xiàn)在的評價標(biāo)準(zhǔn)則是單件武器裝備和單個戰(zhàn)斗單元以及聯(lián)合作戰(zhàn)體系是否能夠?qū)崿F(xiàn)一體化，是否具有通聯(lián)性和聯(lián)動性。一體化是單兵系統(tǒng)建設(shè)的內(nèi)在要求，也是融入聯(lián)合作戰(zhàn)體系的迫切需要[23]。因此，為了實現(xiàn)單兵輕武器“一體化”，在不斷研制新材料、提高輕武器的性能的同時，還需要找到合適的加工方法，根據(jù)士兵的個性化需求高效定制武器裝備。將工程塑料應(yīng)用在輕武器上可以有效實現(xiàn)武器輕量化，促進單兵輕武器“一體化”，從20世紀(jì)中旬起國內(nèi)外研究者們已經(jīng)進行了大量的探索[24]。

1 工程塑料在槍械上的主要應(yīng)用

1.1 工程塑料在槍械上應(yīng)用的優(yōu)勢及要求

工程塑料及其復(fù)合材料之所以能夠廣泛地用于槍械的制造，是因為其自身具有許多木制和金屬材料不具備的優(yōu)勢[25]，從而使其逐漸發(fā)展為兵器工業(yè)中不可或缺的重要材料。槍械上的木制零部件在使用一段時間后就會出現(xiàn)松動，連續(xù)射擊時木頭會被燒焦，拼刺時容易折斷，在熱帶地區(qū)容易發(fā)霉，淋雨后膨脹使質(zhì)量加大等，并且木制零部件的木材利用率很低，加工工藝復(fù)雜，質(zhì)量較重，使用工程塑料制件替代木制零部件可以有效解決此類問題。工程塑料的優(yōu)點如圖1所示。

這些特點使得工程塑料被廣泛應(yīng)用于槍械的各個方面。在不同的構(gòu)件上，對于工程塑料的性能有不同的要求，需要根據(jù)不同構(gòu)件在槍械上發(fā)揮的主要作用來選擇合適的工程塑料制件，如圖2所示。在用作受力構(gòu)件和次受力構(gòu)件時，工程塑料制件不僅要具有耐磨性、耐腐蝕和抗老化性能，還需具備較高的強度、剛性和韌性；在用作高頻受力構(gòu)件時，制件的受力情況比受力構(gòu)件的更加苛刻，所受作用力大而頻繁。如處于戰(zhàn)斗狀態(tài)中的擊錘每分鐘會發(fā)射幾百甚至上千發(fā)槍彈，擊錘會受到成百上千次沖擊，并且對機構(gòu)動作的準(zhǔn)確性要求很高，因此對材料的性能具有更嚴(yán)苛的要求。該類制件除了具備耐磨性、耐腐蝕、抗老化性能外，還必須具有優(yōu)異的強度、剛性、韌性和耐沖擊疲勞強度；在用作與火藥氣體直接接觸的耐高溫高頻受力構(gòu)件時，其工作條件極其惡劣，在火藥氣體的高溫高壓環(huán)境下，槍彈在發(fā)射時的溫度高達200～500 ℃?；钊寵C等可活動制件每分鐘往復(fù)運動幾千次，因此對所用工程塑料的要求除了具備高頻受力構(gòu)件的一系列性能之外，還需要有很高的熱變形溫度。一般的工程塑料難以達到這些要求，故常選用碳纖維復(fù)合材料制備該類制件[26]。

圖1 工程塑料在槍械上使用的優(yōu)點Fig.1 Advantages of engineering plastics applied on firearms

圖2 槍械上不同構(gòu)件對工程塑料性能的要求Fig.2 Performance requirements of engineering plastics for different components of firearms

1.2 工程塑料在槍械上的應(yīng)用

從20世紀(jì)40年代開始，工程塑料逐漸被用于槍械的制造上。奧地利的斯太爾-曼利夏公司是最早將工程塑料用于槍械上的輕武器制造商，該公司研發(fā)的AUG 5.56 mm的步槍是槍械應(yīng)用工程塑料的模范，如圖3 (a)所示。該步槍采用了大量的工程塑料制件，含量占比約為全槍零部件總數(shù)的20%，其握把、槍托、彈匣、扳機和擊錘等部件都采用了工程塑料制件，這些部件堅固且不會生銹，具有良好的耐沖擊、耐高溫和耐磨性，因而有較長的使用壽命[27]。除此之外，斯太爾公司研制的半自動手槍SSP 9 mm和摧毀物資器材步槍AMR 15 mm也廣泛應(yīng)用了工程塑料及其復(fù)合材料。奧地利研發(fā)的格洛克 (CLOCK) 17手槍由34個零部件組成，其中有14個零件為工程塑料制件，塑料件占比高達40%，如圖3 (b)所示。其套筒座以注射模壓成型的方法制備而得，彈倉、托底板、瞄準(zhǔn)器、擊發(fā)機構(gòu)和間隙套筒等制件也都為工程塑料。

1944年，美國研發(fā)的7.62 mm勃朗寧半自動步槍用玻璃纖維增強酚醛樹脂作為槍托和護木，如圖4 (a)所示。隨后用棉布增強酚醛樹脂用作AR-10自動步槍的槍托、護木、握把、彈匣等部件。1957年，美軍換裝了M14 7.62 mm步槍，該槍采用玻璃纖維增強聚酯樹脂作為槍托和護木，使得槍托強度提高的同時，質(zhì)量也降低了30%。在連續(xù)射擊500發(fā)槍彈之內(nèi)，木制槍托容易出現(xiàn)燃燒和碳化，而塑料槍托基本無損，如圖4 (b)所示。在M14步槍的研究基礎(chǔ)之上，M16 5.56 mm步槍的槍托、護木和握把全部采用織物增強高沖擊強度酚醛樹脂制備。隨后的M16 A1步槍使用聚酯型聚氨酯彈性體作為槍托，聚氨酯彈性體中含有炭黑、氧化鐵和二氧化鈦填料，可增加其力學(xué)性能和抗紫外輻照性能，并且能夠通過塑模一次成型，整體性能明顯強于酚醛樹脂槍托，如圖4 (c)所示。另外，M16 A2步槍的槍托和護木由超韌性尼龍制成，該槍槍托的力學(xué)強度要遠高于M16 A1步槍。如圖4 (d)所示，AR-7運動槍使用ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)樹脂制備槍托、前托和工具容器，M60輕機槍也用該塑料作為握把；5.56 mm雷明頓步槍的槍托使用尼龍66通過一次性注射成型的方法制備而得，該兵工廠的“尼龍”步槍除槍管以外的大部分部件都是由纖維增強尼龍復(fù)合材料制備；ASP 9 mm手槍用聚碳酸酯作為透明握把，5.56 mm和4.32 mm步槍用聚碳酸酯作為透明彈匣；M86 LR 300溫切斯特大威力狙擊步槍和M87 ELR 12.7 mm狙擊步槍的槍托均由玻璃鋼制備而得。

圖3 步槍和手槍Fig.3 Rifle and pistol

圖4 各類步槍 Fig.4 Various rifles

俄羅斯在工程塑料在槍械上的應(yīng)用研究起步較晚，20世紀(jì)70年代研發(fā)的AK-74突擊步槍的彈匣由玻璃纖維增強熱固性樹脂制成，具有良好的力學(xué)性能，且比金屬彈匣的質(zhì)量減輕了28.5%，如圖5 (a)所示。RPK-74輕機槍用玻璃纖維增強塑料制備槍托，如圖5 (b)所示。AR-74 4.5 mm突擊槍的彈匣采用玻璃纖維增強聚乙烯醇改性酚醛樹脂制備而得。其他各國具有代表性的含工程塑料的槍械還有：南斯拉夫研制的22LR沖鋒槍采用了大量工程塑料復(fù)合材料，其占比遠超其他沖鋒槍，機匣使用一次性模壓成型的方法制備而得，176發(fā)透明彈鼓和大量的小型零部件都由纖維增強塑料制得；比利時FN公司研制的P90沖鋒槍也充分使用了工程塑料，整把槍含有的69個零部件中有27個為工程塑料制件，如圖5 (c)所示；瑞士的STG90 5.56 mm步槍槍托是由填充了合成泡沫塑料的工程塑料制成，彈匣是半透明塑料；法國FAMAS 5.56 mm步槍中的槍托、發(fā)射機座等33個零部件用30%和60%的玻璃纖維增強尼龍11制得，占全槍總部件數(shù)的16%，如圖5 (d)所示；英國PM狙擊步槍和SAR-87突擊步槍的槍托和握把分別由玻璃纖維和石棉增強酚醛樹脂制得；德國HK公司的無殼彈先進戰(zhàn)斗步槍的機匣由玻璃纖維增強尼龍塑料制得，槍管和瞄準(zhǔn)器由高強度工程塑料通過一次性模塑成型得到。

就中國而言，中華人民共和國成立初，很快完成了第一代裝備體系，并將目光放在了工程塑料在輕武器上的應(yīng)用。為了減少武器質(zhì)量和節(jié)約木材，中國從20世紀(jì)60年代開始了工程塑料在輕武器上的應(yīng)用研究[28]，逐漸走過了以塑代木，以塑代金屬制備受力構(gòu)件、次受力構(gòu)件、高頻受力構(gòu)件等關(guān)鍵零部件的道路。中國研制的56式?jīng)_鋒槍[圖6 (a)]、56式半自動步槍、63式自動步槍的槍托均使用玻璃鋼制成，其護木、握把和63式自動步槍的彈匣、油壺和握把都使用了高強度工程塑料；為了取代54式7.62 mm手槍，中國自主研制了92式手槍，使用熱塑性好、強度高的工程塑料整體握把結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬槍底把，加工工藝簡單，注塑一次成型，一致性、經(jīng)濟性好[圖6 (b)]。5.8 mm一代、二代自動步槍的槍托、護木、握把、彈匣等11個零部件均由玻璃纖維增強改性尼龍66和尼龍610制備而來。

圖5 步槍和沖鋒槍Fig.5 Rifles and submachine guns

圖6 沖鋒槍和手槍Fig.6 Submachine gun and pistol

為了加深對輕武器中工程塑料性能的了解，近年來一些研究者對槍用工程塑料的環(huán)境適應(yīng)性進行了研究。范啟勝等[29]針對輕武器中工程塑料在使用過程中性能逐漸下降的問題，對A、B兩種材料做了熱老化實驗和壽命預(yù)測。將A、B兩種材料分別在50、60、70、80 ℃的環(huán)境下放置不同的周期，隨后測試不同環(huán)境和周期中兩種材料的沖擊強度，最后通過多項式擬合曲線方法對材料的貯存壽命進行預(yù)測。實驗結(jié)果表明，相同的實驗環(huán)境中，材料B的失效時間要遠遠大于材料A的。根據(jù)不同環(huán)境溫度下材料的失效時間，使用3階多項式對數(shù)據(jù)進行擬合，由擬合方程推算出A、B兩種材料在常溫下(20 ℃)的失效時間分別為694.53 d和1 370 d。胥澤奇等[30]使用實驗室環(huán)境試驗的方法，對5種槍械上用作上、下護手的工程塑料和4種用作槍械彈匣的工程塑料進行了耐磨性、耐候性、常貯性和抗霉性試驗，選出了各方面綜合性能最好的2種材料進行自然環(huán)境試驗站的自然環(huán)境試驗驗證。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過改性處理的槍械上、下護手及彈匣比未經(jīng)改性的樣品工藝環(huán)境適應(yīng)性要好很多，其耐環(huán)境變色能力大幅度提高，未出現(xiàn)明顯粉化現(xiàn)象，僅在海洋環(huán)境下出現(xiàn)少量增強纖維外露情況。

自20世紀(jì)30年代尼龍66實現(xiàn)工業(yè)化以來，工程塑料迅速發(fā)展，種類不斷增加，在槍械上也得到了廣泛應(yīng)用，如圖7所示。1961年，美國杜邦公司成功研制出性能優(yōu)異的聚酰亞胺，打開了特種工程塑料的發(fā)展之窗。但是，特種工程塑料在槍械上應(yīng)用得并不多，聚醚醚酮、聚醚酰亞胺、聚苯并咪唑等具有良好耐高溫性、耐磨性、耐腐蝕性的高性能工程塑料在槍械上的應(yīng)用并不多，未來在改進服役槍械和研發(fā)新型槍械的過程中，可以適當(dāng)增加此類高性能工程塑料零部件，提高槍械在極端環(huán)境下的使用性能。

1.3 存在問題及未來發(fā)展趨勢

雖然工程塑料在槍械上使用具備很多優(yōu)勢，但也暴露出了一些缺陷。例如，中國第一次大面積使用工程塑料的95式步槍，在使用過程中會出現(xiàn)摩擦后發(fā)白、受潮后發(fā)霉等狀況，這是因為在工程塑料中添加了提升其力學(xué)性能的增強纖維，由于長時間的摩擦，導(dǎo)致纖維外露，俗稱磨毛發(fā)白現(xiàn)象。另外，常用的五大工程塑料還存在如下問題。

(1)收縮率高，尺寸穩(wěn)定性較差，吸水率偏大，在潮濕環(huán)境下尺寸變大，影響制件精密度。

(2)耐水解穩(wěn)定性較低，對缺口敏感，耐化學(xué)性、耐磨性和耐刮痕能力差，長時間暴露于紫外線中會發(fā)黃。

(3)不耐酸，不耐強堿和不耐太陽光紫外線的輻射，耐候性差，高溫?zé)岱€(wěn)定性差。

(4)耐光性差，熔融流動性差，耐無機酸、堿、芳香烴、鹵代烴、油類等性能差。

(5)遇水易分解，在高溫、高濕環(huán)境下不宜使用。

為了解決上述問題，使得槍械上的塑料構(gòu)件能在較苛刻的化學(xué)、物理環(huán)境中長期使用，對工程塑料進行改性以及制備工程塑料復(fù)合材料是最為常見的方法。同時，研發(fā)綜合性能更高的新型工程塑料，改進工程塑料制件的加工方法，也是提升工程塑料制件性能的重要手段。

2 工程塑料在彈藥上的主要應(yīng)用

使用輕質(zhì)量、高強度的工程塑料制備彈藥的零部件，可以起到減輕彈體質(zhì)量、增加彈丸速度和射程、提高命中精準(zhǔn)度和威力、降低彈藥成本等作用[31]，同時還能節(jié)省大量金屬材料，在國內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[32]。工程塑料在常規(guī)彈藥上的應(yīng)用主要是發(fā)展彈托、彈帶和閉氣環(huán)三大系列。

圖7 部分工程塑料工業(yè)化時間及應(yīng)用Fig.7 Industrialization time and application of some engineering plastics

2.1 在彈托上的應(yīng)用

彈托材料在使用過程中經(jīng)歷了兩次革命，第一次是由鋁合金代替合金鋼，第二次則是由工程塑料取代鋁合金，其主要目的是減輕彈托消極質(zhì)量，提高彈丸初速和終點彈道威力[33]，還可避免彈托破裂后對友鄰槍手的傷害。

美國陸軍材料力學(xué)中心對大長徑比脫殼穿甲彈彈托用工程塑料及其復(fù)合材料進行了一系列的研究，包括彈托材料、有限元結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論和成型工藝等[34]。他們設(shè)計了兩種不同結(jié)構(gòu)的卡瓣狀塑料彈托，一種是由4個卡瓣構(gòu)成，另一種是由16個卡瓣構(gòu)成。先用工程塑料制備卡瓣，再用機械和整體成型的方法把彈托固定在彈心上。在彈丸的射擊過程中，由于離心力作用，膛線與彈帶分離，彈托自由落下。此類彈托質(zhì)量輕，成本低，塑料卡瓣可均勻脫落，飛行過程穩(wěn)定[35]；美國Olin軍械公司在1984年研發(fā)的脫殼穿甲彈塑料彈托是由高強度工程塑料聚醚酰亞胺Ultem 1000制備而得，其懸臂梁沖擊強度高于640 J/m，壓縮強度在130.7 MPa以上，拉伸強度和剪切強度高于82.7 MPa，在射擊過程中彈托性能穩(wěn)定，大幅度提升了彈丸的準(zhǔn)確度和穿甲速度[36]；該公司還使用就地塑模法制備了無應(yīng)力塑料彈托用于Phalanx彈，使得彈心、彈帶、彈塞和彈托能夠自動有效地配合，減輕炮管振動，提高打擊精度；美國太平洋技術(shù)公司研發(fā)的12.7 mm 脫殼穿甲彈的彈托使用了力學(xué)性能良好的聚碳酸酯復(fù)合材料，20 mm和30 mm口徑的穿甲彈使用尼龍基復(fù)合材料作為彈托；美國研發(fā)的“阿里法”槍彈運用了彈丸裝入塑料彈托內(nèi)的組合結(jié)構(gòu)，工程塑料特殊的潤滑作用能使摩擦造成的動能損耗降低至0.5%，該彈丸的初速度比常規(guī)彈丸大50%，后坐力減少36%，散步降低1/2～2/3[37]；近年美國還在纖維增強工程塑料上取得了較大的突破，使用碳纖維增強聚醚酰亞胺復(fù)合材料制備的120 mm M829A3穿甲彈彈托展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，且制造成本較低；法國研發(fā)了一類可應(yīng)用于不同口徑的手槍、步槍和沖鋒槍的西尼克斯高性能槍彈，該彈同樣采用了彈頭嵌入塑料彈托內(nèi)的組合結(jié)構(gòu)，降低膛內(nèi)摩擦的同時提高射擊初速度；瑞士、德國、荷蘭等國也采用新型熱塑性樹脂復(fù)合材料制備了各類彈托用于不同口徑的穿甲彈，使得彈丸的綜合性能顯著提高；工程塑料在其他國外彈托上的應(yīng)用情況如表1所示。中國在彈托中應(yīng)用最為廣泛的工程塑料是尼龍材料，增強增韌尼龍66、增強改性尼龍610等材料已成功應(yīng)用于25、30 mm脫殼穿甲彈彈托和30 mm曳光鎢合金脫殼穿甲彈彈托上。

表1 國外塑料彈托部分應(yīng)用情況Table 1 Application of plastic sabot of foreign countries

2.2 在彈帶上的應(yīng)用

塑料彈帶的研發(fā)始于20世紀(jì)40年代，于1954年研制出第一個塑料彈帶，其作用是降低膛線的磨損與燒蝕，提升彈丸初速度和速射能力，延長火炮使用壽命。塑料彈帶通常分為固定式和滑動式，固定式塑料彈帶常用于線膛炮和滑膛炮發(fā)射的靠旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定的彈丸上，滑動式塑料彈帶用于線膛炮發(fā)射的尾翼穩(wěn)定的彈丸。塑料彈帶常用的材料有聚乙烯、聚苯硫醚、聚碳酸酯、聚甲醛、聚醚砜、聚四氟乙烯、尼龍等，這些材料擁有優(yōu)異的延展性和抗撓曲性，受熱后能夠發(fā)生明顯的塑性流動，可以完美地嵌入膛線并密封彈丸，使之與炮管緊密結(jié)合，從而減少對炮管的磨損。

美國研發(fā)的M61A1式6管航炮彈中，鋼彈帶被塑料彈帶取代之后，其發(fā)射初速度由1 036 m/s提升到1 125 m/s，射速由6 000 發(fā)/min提升到7 200 發(fā)/min，壽命可達15萬發(fā)，生產(chǎn)成本也有所降低；30 mm GAV8/A艦炮穿甲燃燒彈采用塑料彈帶后，射速可達750發(fā)/min，炮管使用壽命提高了3倍；90 mm M431式破甲彈和105 mm M68U式脫殼穿甲彈都采用尼龍66制備滑動式彈帶，解決了彈體結(jié)合不牢固的問題，且制備方法簡單；通用電氣公司研發(fā)的30 mm口徑GAU-8/A“復(fù)仇者”7管炮彈采用了塑料旋轉(zhuǎn)彈帶，使得整個體系的質(zhì)量減少了272 kg，導(dǎo)彈壽命有所延長。蘇聯(lián)研發(fā)的30 mm加特林6管機炮彈中，使用塑料彈帶取代銅彈帶后，初速度提高的同時，射速從3 000 發(fā)/min提升到9 000 發(fā)/min，槍管磨損降低，使用壽命延長；德國研制的27 mm毛瑟BK27式航炮彈使用塑料彈帶之后，與燒結(jié)鐵彈帶相比，生產(chǎn)成本下降，身管的磨損減少了90%，初速度提升了6%，并使連發(fā)射擊過程中相鄰兩發(fā)彈的初速跳動量降低；工程塑料在其他國外彈帶上的應(yīng)用情況如表2所示。中國從20世紀(jì)70年代初開始塑料彈帶的研發(fā)工作，積極探索新材料、

表2 國外塑料彈帶部分應(yīng)用情況Table 2 Application of plastic belt of foreign countries

新技術(shù)、新工藝在塑料彈帶研發(fā)中的應(yīng)用，目前已取得了很大的進展。中國兵器工業(yè)集團在20世紀(jì)80年代成功研制出用于大口徑整體塑料彈帶的微晶纖維素(microcrystalline cellulose，MCC)、單體澆鑄(monomer casting，MC)尼龍和聚丙烯材料，同時發(fā)展了彈帶整體裝配成型工藝技術(shù)，分別應(yīng)用于7種口徑脫殼穿甲彈9個不同彈種上，并已經(jīng)取得了良好的效果，其性能在某些方面已經(jīng)超過了國外同類彈帶[38]。

2.3 在閉氣環(huán)上的應(yīng)用

塑料閉氣環(huán)也屬于塑料彈帶的一種，其主要作用是在彈丸發(fā)射時閉氣和定心。彈丸發(fā)射之后，塑料閉氣環(huán)會受到旋轉(zhuǎn)離心力、發(fā)射藥氣體作用力以及空氣阻力等作用力而破碎脫落[39]。目前塑料閉氣環(huán)在線膛炮和迫擊炮的各種不同口徑的炮彈上廣泛使用，且效果良好。

美國Martin Marietta公司研發(fā)了一類帶有V形槽的脫耦式塑料閉氣環(huán)，可用于線膛炮發(fā)射高精度炮彈。此類塑料閉氣環(huán)能夠刻入膛線，氣密性良好，能夠保證炮彈發(fā)射時有足夠的推力，又能讓炮彈在炮管末端脫離膛線，使其轉(zhuǎn)速低于20 r/s，并且可耐受204.4 ℃高溫。此類閉氣環(huán)分為陸軍和海軍使用的兩種類型。前者由對位芳綸增強127E型尼龍制備而得，在炮彈飛行過程中為炮彈的一部分，離開炮管時不會破碎，環(huán)形槽部分較穩(wěn)定，V形原件部分容易變形，可刻入膛線；后者是未用纖維增強的127E型尼龍制備，炮彈發(fā)射后就會破碎。美國United Technogies公司用剛性較好的工程塑料制備了一種雙件消旋型閉氣環(huán)，它是由剛性環(huán)體和柔性滑動片組成，能夠在極端環(huán)境中使用，起到高壓和低壓密封作用，使炮彈在高速發(fā)射的過程中在炮管內(nèi)保持合適的位置。中國制造的81、82、100、120 mm迫擊炮榴彈和105 mm破甲彈、155 mm 榴彈都使用了塑料閉氣環(huán)，其制備材料主要為聚砜、尼龍和聚乙烯。

2.4 塑料彈帶和彈托的作用機制

對于不同類型的炮彈，彈帶和彈托使用的塑料種類各異，其對彈藥的作用機制也有差別。每一種類型的塑料彈帶和彈托都具有其特殊的作用，但又存在基本的共同之處。主要作用如下。

(1)閉氣、定心、導(dǎo)旋和微旋作用。工程塑料具有優(yōu)異的塑性變形能力，耐磨性較好，摩擦因數(shù)小，使得彈帶的摩擦熱低，利于裝配成型。因此塑料彈帶、彈托及閉氣環(huán)的閉氣定心效果要比金屬材料強，尤其是滑動式塑料彈帶的微旋作用是金屬彈帶不能做到的。

(2)提升射擊密度。由于塑料彈帶和彈托及閉氣環(huán)的閉氣定心效果，降低了彈丸靠向膛壁的速度，減少了膛壁彈丸間的作用力，彈丸的最大擺動角度也減小，因而減小彈丸在膛內(nèi)振動和碰撞所產(chǎn)生的起始擾動和彈丸外彈道散布，進一步提升了彈丸彈道飛行穩(wěn)定性及射擊密度。

(3)提高初速度和射程。塑料彈帶和彈托相較金屬材料有更好的密閉定心作用，可更加充分地利用火藥氣體的能量，降低摩擦剪切動能，改善內(nèi)彈道性能，因此無論是對于線膛炮還是滑膛炮都能夠提升初速度和射程，增加彈藥威力[38]。

3 結(jié)語與展望

隨著高分子材料行業(yè)的蓬勃發(fā)展，中國工程塑料的生產(chǎn)技術(shù)水平取得了巨大進步，研發(fā)生產(chǎn)的工程塑料及其復(fù)合材料的各方面性能也在不斷提高，使其能夠更廣泛地應(yīng)用于兵器工業(yè)中，為輕武器的研發(fā)提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)和保障。如圖8所示，為滿足各行業(yè)對材料質(zhì)量及強度的需求，所研制出的工程塑料的性能也隨之提高，通用工程塑料和特種工程塑料已經(jīng)在航空航天、汽車、軍工等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛能[40-45]。未來可能還會研制出性能更好、質(zhì)量更輕的工程塑料，再結(jié)合纖維增強技術(shù)、共混與合金技術(shù)以及填充與納米技術(shù)[46-51]，進一步提升輕武器中塑料構(gòu)件所需性能和質(zhì)量占比。

PI(聚酰亞胺)，PAI(聚酰胺酰亞胺)，PBI(聚苯并咪唑)，PEEK(聚醚醚酮)，PEI(聚醚酰亞胺)，PPS(聚苯硫醚)，PTFE(聚三氟氯乙烯)，PSU(聚砜)，PC(聚碳酸酯)，PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)，PBT(聚對苯二甲酸丁二酯)，PE(聚乙烯)，UHMW(超高分子質(zhì)量聚乙烯)，PMMA(有機玻璃)，POM(聚甲醛)，PA(聚酰胺)，PPO(聚苯醚)，ABS(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三種單體的三元共聚物)，PP(聚丙烯)，HDPE(高密度聚乙烯)，LDPE(低密度聚乙烯)，PS(聚苯乙烯)，PLA(聚乳酸)，PVC(聚氯乙烯)圖8 工程塑料和通用塑料的性能Fig.8 Performance of engineering plastics and other general plastics

在制備工藝方面，3D打印(增材制造技術(shù))這一革命性制造方法的興起，對傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)生了巨大的沖擊，對未來軍事領(lǐng)域的發(fā)展也必將產(chǎn)生重大的影響[52-59]。該方法是通過CAD或其他建模軟件建立三維模型之后，使用3D打印機以“自下而上”的材料堆疊方式制得實物模型，可在短時間內(nèi)精準(zhǔn)地打印出用于輕武器上的工程塑料制件[53]。自2013年首款3D打印手槍“解放者”(全槍16個零部件均由塑料ABS制得，見圖9)問世以來[60]，3D打印技術(shù)已經(jīng)充分應(yīng)用于美軍的裝備研發(fā)，近年來美軍在此技術(shù)上的投資也越來越大[61-64]。美軍曾在非常短的時間內(nèi)打印出AR-15半自動步槍的實體和大部分零部件，并且使用此槍發(fā)射600多發(fā)子彈，展現(xiàn)出良好的實用性能。此外，由于士兵體型、射擊和瞄準(zhǔn)習(xí)慣等個體差異，槍械的個性化定制變得尤為重要。3D打印技術(shù)可根據(jù)士兵的握槍習(xí)慣及手感，打印出不同質(zhì)量和形狀的槍托、護木、握把等零部件，替換批量生產(chǎn)的槍械上的制件，滿足不同需求，讓士兵在使用此類定制槍械時更加得心應(yīng)手，提高士兵的作戰(zhàn)能力。與機器制造的零部件相比，3D打印技術(shù)生產(chǎn)的制件質(zhì)量更輕，時間更短，且機械強度相差不大，可全面應(yīng)用于輕武器的制備，如槍械構(gòu)件在實際作戰(zhàn)中有所損傷，采用此技術(shù)可迅速生產(chǎn)所需構(gòu)件，替換破損零部件，及時補給軍用裝備。張永弟等[65]分析了國內(nèi)外武器裝備維修現(xiàn)狀,并使用3D打印技術(shù)實現(xiàn)軍工零件的快速維修，通過對結(jié)構(gòu)、材料的雙重拓撲優(yōu)化(圖10)，將組合件通過3D打印技術(shù)一體成型, 省去了裝配環(huán)節(jié), 節(jié)約成本和時間, 達到輕量化的效果。結(jié)合戰(zhàn)地搶修要求和3D 打印技術(shù)工藝特點, 成功地將3D 打印技術(shù)應(yīng)用在了武器裝備維修上。Kim等[66]提出了一個數(shù)學(xué)模型，用于通過調(diào)整優(yōu)化便攜式3D打印機進行武器零件的高效生產(chǎn)，大幅度縮短了零件生產(chǎn)時間，可在行軍或作戰(zhàn)過程中及時補給輕武器構(gòu)件。Yang等[67]用3D打印技術(shù)制備了推進劑，為后續(xù)輕武器彈藥的3D打印成型研究提供了新思路。在未來很長一段時間內(nèi)，3D打印必將會成為制造輕武器零部件的重要手段，研發(fā)性能更好的新型工程塑料及其復(fù)合材料，結(jié)合不斷進步的3D打印技術(shù)，制備出尺寸精準(zhǔn)、綜合性能優(yōu)異的輕武器零部件是輕武器未來發(fā)展的必經(jīng)之路。

圖9 3D打印手槍“解放者”零部件[60]Fig.9 Parts of Liberator 3D printing gun[60]

圖10 某武器裝備連接件拓撲優(yōu)化[65]Fig.10 Topology optimization of a weapon equipment connector[65]

工程塑料在輕武器上的質(zhì)量占比某種程度上代表了它的發(fā)展水平，目前中國在輕武器的研發(fā)方面和世界一流水平還有一定差距。面對全球新一輪技術(shù)革命的挑戰(zhàn)，一定要把握機會，尋找對策，一方面加強材料的基礎(chǔ)研究，另一方面專研新興材料成型工藝，充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源，引進先進技術(shù)，聯(lián)合攻關(guān)技術(shù)難題，加強工程塑料在輕武器上的應(yīng)用，促進兵器工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展。