先进复合材料在军事装备上的应用

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来源：前沿材料

一、前言

在轻型自动武器的研制过程中，需要实现的极其重要的战术技术指标是大幅度减轻武器系统的质量，提高武器的机动性，同时保证轻武器的射弹散布精度。尤其是连发射击精度，以满足现代战争对轻武器的战技指标要求。

二、碳纤维材料缠绕枪管

为追求远距离精确射击，狙击步枪通常采用重型枪管以保证精度，而这种设计使得枪械的便携性稍显不足。美国克里斯坦森武器公司推出的MPR狙击步枪，采用在较小直径的枪管外围缠绕碳纤维材料的方法制造枪管，成功地解决了这一问题。

碳纤维材料与金属材料一样多种多样，正如不同金属元素组合的合金材料千变万化一样，不同的碳纤维、粘合剂、成型技术和制造工艺生产出的产品性能也千差万别。克里斯坦森武器公司经历了多年的研发，于1995年推出了最早的外层缠绕碳纤维材料的枪管产品。

特写

碳纤维材料缠绕的枪管主要有三大优势：可大幅降低枪管质量；枪管的散热能力更强；比同等质量的枪管刚性更强。常规枪械配备的轻型枪管的热容比较小，连续射击时，枪管容易因过热而产生形变，导致大幅度降低射击精度。这就是为什么重型枪管在精准射击时如此受欢迎，因为它们可以在持续射击时保持良好的精度。

射击演习

据美国《国防》报道称，美国蒙大拿州一家名为 Proof Research 的枪械研发公司已生产出了碳纤维包裹的枪管，可大幅改善枪械的射击精度、耐用性和枪管寿命。碳纤维枪管没有缩放比例的局限，我们将不断致力于探索最终把这种枪管用于坦克、飞机和军舰武器的可能性。

碳纤维包裹枪管的设计比传统的钢质枪管轻64%，并能改善散热性能，从而降低枪管的温度并延长其使用寿命，此外还能降低枪的震动。该设计方法确保了枪管的应力状态与各种不同的温度范围相一致。利用碳纤维技术，可以在不牺牲性能的情况下减少重量。

采用预浸料多角度、多层铺层方式，保证枪管的多方向的强度。

三、碳纤维复合材料机枪支架

碳纤维复合材料机枪支架与金属材料不同，碳纤维复合材料呈各向异性，耐口径机枪则主要要求解决纵向平面内的振动问题。因此我们利用复合材料的这一特性，为增加其纵向刚度，选用铺层设计和缠绕角度来满足枪架结构的刚度要求。

对于复合材料而言，其刚度等参数是可以设计的，这些参数与碳纤维的缠绕角度有直接的关系，按照层合弯曲理论，层合梁在外力的作用下处于纯弯曲状态，为了满足原架杆的弯曲强度，采用等刚度设计方法，为了保证结构动力匹配特性，设计枪架架杆时要使其刚度与原钢结构刚度相当，再根据缠绕角度等因素确定前后架杆截面形式和结构尺寸，以保证纵向刚度不至于削弱。为了保证纵向刚度，可采用两种铺层途径：一种是采用小缠绕角或平面缠绕法，另一种是采用纵向铺层的方法。根据使用设备情况，最终采用了纵向铺层与螺旋缠绕法相结合的方法。

采用碳纤维复合材料制备的大口径机枪枪架可以大幅度减轻机枪质量，提高其机动性。碳纤维复合材料枪架与钢枪架的质量比较，减轻了25%。机枪枪架改用碳纤维复合材料后，其质量有较大幅度降低。在大幅度减轻机枪枪架质量的条件下，机枪仍能保证连发射击散布精度，且有所改善。通过结构动力分析和散布精度试验表明，用碳纤维增强环氧树脂制造机枪枪架是可行的，为枪架设计开创了新途径。

美国《目标( On Target )》杂志年度编辑选择奖揭晓，斯普林费尔德兵工厂公司( Springfield Armory )“ 2020 Waypoint"步枪获奖。

四、碳纤维复合材料枪托

普通型号配备表面带凹槽的不锈钢枪管，更高级的型号配备的是BSF碳纤维包裹枪管，每种枪管均有0.75 MOA精度保证，配备的碳纤维包裹枪管，在连续射击10发弹药之后，仍没有感到枪管有明显升温。枪托表面铺设由AG Composites公司制造的碳纤维材料。

德国苏尔市的Merkel Jagd- und Sportwaffen GmbH公司正式推出了一款新的猎枪。它的亮眼之处在于由碳纤维制成的步枪枪托，由位于米特韦达的飞机和汽车供应商COTESA GmbH开发和制造。

五、碳纤维复合材料弹壳

现代狩猎步枪必须接受很多严厉的管制，同时还必须易于操作，当然还必须能够准确射击。然而，由于各种附加和附件模块，运动步枪往往变得更重而不是更轻，默克尔公司的"Helix Carbon"新开发的重点是步枪枪托。碳纤维作为一种复合材料，非常坚固、重量轻，而且外观非常优雅。碳纤维制成的多件式步枪枪托在猎人脸颊所在的区域或握把区域还具有柔软触感的表面。这保证了特别安全的抓地力，从而有可能发射精确的子弹。子弹发展到今天，早已由过去的样式简单功能单一 , 演变成为更具科技含量，功能也更加多样化的产物。一枚完整的子弹通常是由弹丸、弹壳、激发药和底火四部分组成，每一部分在制作过程中都是独立完成的，在制作一枚子弹的过程中要经过一百多道复杂的工序。

长期以来，在轻武器弹药领域，世界发达国家一直在不断探索。一直以来，生产弹壳的原材料以黄铜和钢居多，我国和俄罗斯以钢作为弹壳的原材料，欧美则以黄铜为主。而现在则出现了一种“复合材料弹壳”。使用这些复合材料，比如纤维素、尼龙、聚氨酯预聚物等制备复合材料弹壳、壳肩和壳颈。这种子弹仍采用弹头、底火和弹药等，只是弹壳采用复合材料。复合材料弹壳采用注塑成型加工，然后再与黄铜弹壳底座冷加工成型。包括采用嵌入式注塑成型将弹头装入复合材料弹壳体内，使弹壳口部自动密封，不必再用金属弹壳普遍采用的紧口和涂外口工艺，就可以确保枪弹防水防潮。

轻量化

复合材料弹壳与黄铜弹壳相比，最重要的区别就是重量减轻高达30%~40%。对于普通消费者而言，这可能没有什么吸引力，而对于军队而言却有着非常重要的现实意义。

这种轻质子弹还具有更高的精度、初速和更好的弹道性能。当改用聚合物弹壳的子弹时，你将能够减轻负重携带更多的弹药。士兵标准配备的7个30发弹匣，共计210发。如果换用复合材料弹壳的子弹，那么士兵在同样负荷条件下可以携带300发子弹。如果依旧配备210发弹药，那么士兵可以携带更多的水或者任务必需的装备。

而且弹药的运输费用也非常昂贵，每架飞机配备的枪炮、弹药的重量都非常可观。子弹重量的减轻，可减少部队后勤保障时使用运输工具的数量或次数，大幅降低运输费用，缩短运输时间。

热传导性

复合材料弹壳的子弹的另一个优势在于它的热传导方式的不同。热量是影响每一支枪械的重要因素。复合材料弹壳是一个绝缘体，黄铜是一种导热材料。使用黄铜弹壳子弹射击时，子弹上的热量和压力会传递给枪膛和枪管，使枪膛内形成高温和高压，加速枪管材料的磨损，缩短枪管使用寿命。使复合材料弹壳子弹射击时，由于复合材料的比热容高，即热传导性差，子弹上的热量不容易传递给枪膛和枪管，减少快速射击过程中枪管上和枪膛内的热量累积，减缓枪管材料的磨损和烧蚀，延长枪管使用寿命。

不同环境中的稳定性

热传递也会影响弹药在不同环境中的稳定性。由于复合材料弹壳在不同的环境不会对子弹产生太大影响，复合材料弹壳的子弹在不同环境中往往表现得更稳定。

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