CN105814396B - 用于复合物射弹枪管结构的纤维卷绕系统 - Google Patents

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Abstract

本发明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。

Description

用于复合物射弹枪管结构的纤维卷绕系统
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。
背景技术
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发明人在专利申请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。
US 5,692,334(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。US 5,804,756中的相同发明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。
US 5,600,912(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，US 6,189,431(丹纳(Danner))也在CFC上以机械方式施加残余冷压缩，但其借助于衬管端上的钢凸缘实现，所述钢凸缘因为在固化过程的冷却阶段期间钢衬管收缩超过CFC而压缩CFC。与史密斯一样，丹纳并未解决不匹配CTE的潜在问题，并且似乎接受钢衬管本身具有与连续纤维复合物相比更高的CTE作为前提。此外，丹纳延续了层之间的突然交替卷绕角的在先技术。
产生最佳化复合物枪管必须平衡竞争性考虑因素。所需的是一种碳纤维复合物射弹枪管，其采用价格合理的材料，提供优良的轴向和扭转强度和硬度，同时使重量和径向尺寸减到最小，使层间应力减到最小，并且当由于衬管与外壳之间的不匹配的轴向CTE而变热时不会变形。
发明内容
公开一种复合物射弹枪管，其包含一种新颖的连续纤维复合物外壳，所述外壳提供优良的轴向和扭转强度和硬度，使重量和径向尺寸减到最小，并且当由于内衬与CFC外壳之间的不匹配的轴向CTE而变热时不会变形。在一个实施例中，本发明包含用于引导可发射射弹的路径的枪管，其包括：内衬，其限定轴向枪膛并且具有热膨胀系数；和CFC外壳，其包围并且直接接触内衬，其中CFC的平均有效轴向CTE大致等于内衬的轴向CTE。
应理解，可以用具有相当有效性的几乎任何长度、轮廓线或口径的射弹枪管实施本发明，并且在其它结构上，其中纤维与树脂组合并且围绕沿着细长轴线卷绕或者建构。举例来说，本发明同样适合于较短手枪喷枪枪管、较小口径体育枪和军用武器以及中等和较大口径军用武器枪管，如用于25mm M242Bushmaster或艾布拉姆斯(Abrams)M1A2坦克的M256A1 120mm滑膛炮主枪的枪管。
附图说明
当结合以下详细描述和附图考虑时，本发明的这些和其它特征和优势将变得更容易了解，其中：
图1说明装备有复合物枪管的步枪；
图1A是图1中所示的复合物枪管的一部分的剖视图；
图2说明树脂丝束卷绕系统；
图3说明干丝束浸渍卷绕系统；
图4是显示以大体上恒定的缠绕角缠绕的内衬剖面的侧视图；
图5是显示CFC缠绕角、角度对轴向硬度影响以及角度对轴向CTE影响之间的关系的图表；
图6是显示复合物区域径向厚度的示例性复合物枪管的端视图；以及
图7是显示复合物枪管的实施例的剖视图示的剖面。
具体实施方式
参见图式，其中在若干视图中类似编号指示类似或对应部件，图1显示装备有机匣12、枪托、扳机、枪管14以及其它熟悉特征的栓式步枪10。在所示实施例中，枪管14通过螺纹16与机匣12牢固地接合。在操作中，将弹药筒插入到机匣中。药筒具有含有火药装料的基底部分和可发射射弹，即子弹。当射击者扣动扳机时，撞针撞击药筒的基底，使火药装料点火并且使子弹发射穿过轴向枪膛24并且从枪口18中射出。
如图1A中所示，枪管14由内衬22和外壳20构成。可以由常用并且已知适用于枪械枪管或前述的组合的任何金属或耐火材料制造衬管。钢合金内衬22，如AISI类型416不锈钢，具有良好的机械加工特性，有助于沿轴向枪膛24精确开孔并且制造阳线和阴线以及枪管枪口和/或后膛端的螺纹。其它钢合金(包括AISI类别400和4000中的其它合金)已证明作为枪管内衬的良好性能。外壳20是连续纤维复合物(CFC)。出于说明书和权利要求书的目的，“CFC”意指由以下构成的复合物：连续纤维，如连续PAN和沥青碳纤维、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、连续聚合物纤维以及其组合；以及基质粘合剂材料，如有机聚合物、无机聚合物、金属、陶瓷、碳的同素异形体或矿物质。内衬22无需为均匀圆柱形。举例来说，内衬22可以在后膛端处径向扩展以适应插入到机匣12中的螺纹16的切割，在枪口18向外变成锥形，或取决于枪支的所需特征包括其它配置，如气体止推轴颈。外壳20同样可以包括非圆柱特征或在枪管14的长度上不连续。
外壳20在界面26处与内衬22直接接触。可能需要在界面26处在内衬22与CFC外壳20之间促进粘着或抑制腐蚀。出于本说明书和权利要求书的目的，“直接接触”意指界面26处的内衬22的外表面可以包括在内衬22上制造外壳20之前施用的表面处理。举例来说，即使将钢内衬的表面电镀、阳极化或用如油漆、树脂、热玻璃或其它物质的化学化合物或混合物涂布，CFC外壳20在界面26处与钢内衬22“直接接触”。
图2显示适用于制造具有CFC外壳20的复合物枪管14的简化的丝束卷绕系统30。在一个实施例中，外壳20包含由丝束卷盘32供应的连续纤维长丝或丝束34。在另一实施例中(未显示)，纤维可以呈织物或编织形式。碳纤维典型地因其高硬度、高强度以及低密度而有利地用于CFC枪管。术语“碳纤维”一般用以描述碳和石墨纤维，与其制造过程或前体材料无关，并且确切地说包括PAN前体与沥青前体碳纤维。如本领域的普通技术人员已知，术语“连续”纤维将此类基本上无端纤维与非连续纤维(例如短切或磨碎碳纤维)区分开来。在一个实施例中，丝束34是中间模量PAN碳纤维长丝丝束，如可购自康涅狄格州斯坦福德的赫氏公司(Hexcel Corporation,Stamford Connecticut)的HexTow IM2A。IM2A具有40Msi(276GPa)的模量。出于本说明书和权利要求书的目的，“中间模量”意指在大约38与46Msi(约265-320GPa)之间的弹性模量。然而，丝束34还可以为沥青碳纤维，如可购自日本东京的日本石墨纤维公司(Nippon Graphite Fiber Corporation,Tokyo,Japan)的GRANOC CN-60-A2S，或任何适合用于制造复合物的纤维，包括克维拉(Kevlar)、玻璃、石英、陶瓷、矿物质、碳、金属、石墨或通过组合不同类型的纤维形成的纤维的杂合以增加利用单一强化纤维不可得到的特征。
通过充当心轴的旋转内衬22以一定拉力从丝束卷盘32拉拔丝束34。内衬22放置于卡盘47之间并且围绕轴向枪膛24旋转。旋转内衬22拖曳丝束34穿过树脂混合物36，围绕浸没在树脂浴35中的一系列滚筒38浸渍，其中滚筒38有助于将树脂混合物36压入丝束34中。所属领域的技术人员将了解，存在多种将树脂施用于丝束的方式。在另一实施例中(未显示)，可以拉拔丝束34跨越用树脂润湿的半浸没旋转鼓轮的上表面。
快速移动丝束34穿过树脂混合物36并且围绕滚筒38会产生涡流和湍流，从而有助于使树脂混合物36内的树脂固体和其它颗粒保持悬浮。任选地，放置于树脂浴35中的搅拌器(未显示)可以用以促进均匀混合以及树脂、溶剂和任何添加的颗粒或以固体形式添加到树脂混合物36中的其它导热材料的粘度。搅拌器可以为由马达驱动的机械浆、由泵驱动的树脂混合物再循环系统、超声波搅拌器或使固体和颗粒维持悬浮的其它构件。
在用树脂混合物36浸渍长丝之后，从丝束去除过量树脂混合物。过量树脂混合物可以通过独立或组合的具有适当间隙设定的轧辊40、刮板(未显示)、适当尺寸的模具(未显示)和/或所属领域中已知的其它构件从丝束去除。
树脂浸泡的丝束42离开树脂浴35并且拉拔穿过由长丝引导结构44控制的长丝引导孔口46。任选地，在树脂浸泡的丝束42离开树脂浴35之后，一或多个加热元件48可以通过热单元48闪蒸出树脂混合物36中存在的第一阶段挥发物。加热单元致使树脂浸泡的丝束42中存在的一些或甚至大多数任何溶剂挥发。加热元件48可以放置于树脂浸泡的丝束42的路径上的任何地方，包括加热心轴内衬22本身。加热元件可以是辐射加热器、管式炉/加热器、对流加热器或加热树脂浸泡的丝束42的其它构件，包括组合的不同类型的加热元件。
在过量树脂混合物36以机械方式去除并且任选地经历加热之后，树脂浸泡的丝束42以所需螺旋样式卷绕于内枪管周围并且达到所需直径。长丝引导结构44包含如下机制：以大体平行于轴向枪膛24的横向转移长丝引导孔口46，从而沿旋转内衬22来回引导树脂浸泡的丝束42，以使得树脂浸泡的丝束42以螺旋卷绕样式施加到内衬上。长丝引导孔口46本身还可以相对于长丝引导结构44旋转或转移。
应了解，如果内衬22以恒定速率旋转，那么长丝引导结构44的较快横向移动将产生螺旋卷绕样式的树脂浸泡的丝束42，其特征为相对于轴向枪膛24的卷绕角较小。在快速横向速度下，树脂浸泡的丝束的螺旋卷绕角小，相对于轴向枪膛24几乎为纵向的。相反，长丝引导结构44的较慢横向移动将产生较大的相对于轴向枪膛24的螺旋卷绕角。在极慢横向速度下，树脂浸泡的丝束42的卷绕角可以为几乎环形的环箍，差不多90°。对于权利要求和本说明书来说，此类几乎环形的环箍仍然为“螺旋的”。丝束卷绕系统30可以由计算机处理器控制，以使得内衬22的旋转速度、长丝引导结构44的横向移动、长丝引导孔口46的运动、施加到丝束34的拉力以及其它方面可以由使用者程序化控制以产生所需样式和顺序的卷绕角、层数以及层的深度。此类系统可购自例如威斯康星州斯科菲尔德的罗斯大道300号54476的麦克莱恩安德森公司(McLean Anderson,300Ross Avenue,Schofield,Wisconsin54476)。
树脂混合物36可以包含多种热固性或热塑性树脂，包括(但不限于)环氧树脂、双马来酰亚胺、酚醛树脂以及聚酰亚胺树脂。在一个实施例中，树脂混合物36包含热固性环氧树脂。在另一实施例中，树脂混合物36包含可聚合单体反应物(PMR)类型热固性聚酰亚胺树脂。树脂混合物36可以经加热或溶剂化以降低粘度并且确保丝束34的令人满意的浸渍。树脂浴35可经配置以使用所属领域的技术人员已知的技术加热树脂混合物36，如使如水的热流体循环穿过包围树脂浴35的夹套，或施加加热元件到树脂浴35的底部或侧边，或经由浸没在树脂混合物36中的加热盘管。可以利用许多溶剂以使树脂粘性较小，所述溶剂包括醇，如甲醇或乙醇；非质子性溶剂以及其混合物。PMR类型热固性聚酰亚胺树脂将典型地包括充当溶剂的醇共反应物。沸点较低(即较高挥发性)的溶剂一般更需要，因为其可以更容易在如热单元48的加热单元下闪蒸出树脂浸泡的丝束42。
返回到碳纤维的组成，丝束34由优选集束为扁平丝束的碳纤维股构成。在一个实施例中，单独碳纤维股为PAN前体碳纤维，各具有大约7μm(微米)的直径，并且各丝束34包含约12,000个单独碳纤维股。在一个实施例中，丝束34是可购自赫氏公司的Hextow IM2A碳纤维长丝。IM2A是具有中间弹性模量的航空级PAN碳纤维。这一PAN碳纤维展现良好的强度和硬度、良好的导热率，而其成本出于市售制造目的又是买得起的。
应理解，完成的外壳20可以包含一种以上类型的碳纤维。可以同时卷绕具有不同特征的多个丝束，例如具有互补特征的两个碳纤维丝束股，如PAN和沥青，或可以随着卷绕外壳20而改变丝束34中的纤维类型，如使用PAN纤维用于环箍，接着切换成沥青纤维丝束用于纵向定向的卷绕中的一些或全部，而不改变所要求的发明的预期含义。类似地，尽管权利要求书中叙述的制造方法叙述“纤维丝束”，但预期可以在外壳20内使用多个丝束而不脱离所要求的发明的范围，例如取决于区域利用不同纤维类型或组合多个丝束。
为了提高枪管的破裂强度，已知有利的是在围绕螺旋环箍中的内衬22周围卷绕丝束34，例如±85°(相对于枪管的纵向轴线加上或减去约5°)。对于轴向强度和硬度，为了使枪管14由于由子弹发射产生的冲击波的弯曲减到最小，优选的是例如具有更多纵向螺旋缠绕物，例如±25°(再次相对于枪管14的纵向轴线所测量的值加上或减去约5°)。为了用最少的丝束促进最大的轴向硬度，优选的是使纵向螺旋缠绕物定位在外壳20的外部区域处或附近。然而，如果外壳20的外部区以较不尖锐的角度(例如45°)缠绕，那么可以使外壳20的表面对磨损更耐久。
除非上下文另外指示，否则在说明书和权利要求书中提及“卷绕角”或“缠绕角”包括相对于枪管的纵向轴线的正和负的测量的纤维角度。此说明于图4中，其显示用丝束34缠绕的初始阶段中的内衬22的剖面。(实际上，丝束34典型地具有较宽的扁平轮廓。其轮廓在图4中“扁平化”以更好地说明丝束位置。)当长丝引导件44相对于旋转内衬22横向转移时，丝束34围绕内衬22成螺旋形缠绕。第一次横向通过(左到右)卷绕第一丝束片段64。当长丝引导件44完成其转移并且到达内衬22末端时，其在相反方向上逆转并且成螺旋形卷绕丝束，向下铺设第二丝束片段65。下一次通过卷绕第三丝束片段66，并且下一次通过卷绕第四丝束片段67。图4中所有四个片段的卷绕角相同，即使每次通过角度在正角与负角之间交替，相对于轴向枪膛24测量。出于权利要求书和说明书的目的，相对于第一丝束片段64的图4中所示的角度θ为与相对于第四丝束片段67的图4中所示的θ'“相同的缠绕角”。换句话说，图4中所示的缠绕角是恒定的。在说明书和权利要求书中提及“螺旋”意指基本上螺旋，例如内衬22的部分可以不是绝对圆柱形的。
如所提到，轴向硬度随着丝束34的缠绕角变化。图5显示根据经典的层压物理论，假定聚合物树脂基质复合物中中间模量PAN碳纤维的纤维体积分数为60％计算的硬度数。图表上的第一数据显示缠绕角对轴向方向上外壳的硬度的影响，测量为百万磅/平方英寸(Msi)。在相对于枪管轴线(即与轴向枪膛24平行)的零度下，弹性模量Ex近似24Msi，其接近Ex为29Msi的类型AISI 416不锈钢(UNS S41600)。当相对于枪管轴线的卷绕角提高时，硬度急剧下降。在±45°的卷绕角下，Ex降低到约2.4Msi。对于近似垂直的“环箍”缠绕来说，其对轴向硬度的作用较小，降低到2Msi以下。
图5也显示了卷绕角经由CFC对线性CTE的影响。较低卷绕角(即更轴向对准)具有低得多的CTEα。近似垂直的缠绕角(环箍)具有相对较高的纵向CTE，约15ppm/°F。内衬22的CTE可以取决于组成而显著变化。举例来说，陶瓷或陶瓷复合物内衬可以具有显著小于钢的CTE。AISI 4140钢具有大约6.8ppm/°F的CTE。如先前所提到，AISI 416不锈钢具有大约5.55ppm/°F的CTE。参考图5，如果整个外壳20可以约48°的恒定角度缠绕，那么外壳20和类型416不锈钢内衬22的平均有效纵向CTE应大致匹配，理论上解决了由不匹配的CTE产生的许多问题。然而，以所述角度缠绕整个外壳20是不实际的，这至少部分是因为均匀的48°缠绕应无法在无过量缠绕的情况下提供足够的轴向硬度或破裂强度。
CFC外壳20的平均有效纵向CTE将不仅取决于缠绕角，还取决于多种其它因素而变化，所述因素包括基质组成(例如是否树脂相对于陶瓷或金属、树脂类型等)、如导热热耗散添加剂的基质添加剂的存在、纤维类型、缠绕期间的丝束拉力、区域缠绕角顺序以及区域缠绕角厚度。当尝试使CFC外壳的平均有效纵向CTE与钢衬管的CTE匹配时，必须考虑所有这些因素。有可能设计和制造具有所需平均有效纵向CTE的CFC外壳，其由除单向碳纤维连续丝束外的材料制造，包括例如纺织复合物预浸体碳纤维和碳纤维编绕套管。也可以使用非碳材料，如陶瓷、玻璃、矿物、聚合物或金属纤维或其混合物。
更特定来说，本发明人已发现，有可能通过使用多个缠绕区域使CFC外壳20的平均有效轴向CTE与内衬22的CTE匹配，同时还提供极佳轴向、径向以及扭转强度和硬度，又使体积和重量保持在最低值。使用已知CTE数据和纤维层压物领域的技术人员熟悉的缠绕技术，例如图5中所说明的关系，有可能通过缠绕多个区域工程改造具有良好结构特性和所需平均有效CTE的层压物CFC外壳20，各区域具有基本上相同的卷绕角并且各具有与CFC的径向厚度对应的径向厚度。
参考图1A和6，CFC外壳20包围并且直接接触内衬22。出于权利要求书和本说明书的目的，“包围内衬”意指外壳20沿枪管14的轴向长度的至少一部分包围并且直接接触内衬22；例如在枪口18、螺纹16、导气箍(未显示)或枪管14上的任何其它所需位置可以暴露内衬22的多个部分。外壳20在连续区域中结构化，其中各区域具有基本上相同的卷绕角。各区域的径向厚度呈CFC半径百分比形式变化。在图6中所示的示例性实施例中，内衬22具有径向深度rs，内部区域50具有径向深度r1，第一中间区域52具有径向深度r2，第二中间区域54具有径向深度r3，并且外部区域56具有径向深度r4。CFC外壳20中区域的径向厚度的总和(r1+r2+r3+r4)等于CFC外壳20的径向厚度。因此，各区域的厚度可以表示为外壳20的径向厚度的百分比。
已知经典的层压物理论可以用于使用多个分层缠绕区域工程改造具有宽范围的平均有效纵向CTE的CFC外壳20。通过改变多个区域的缠绕角、区域的径向厚度以及区域的数目和顺序来调节复合物外壳20的平均有效CTE。还可以通过改变树脂/粘合剂的组成、纤维类型以及纤维丝束34缠绕在衬管22上时的拉力来改变CTE。举例来说，416型不锈钢内衬22的CTE与CFC外壳20的CTE大致匹配的一个实施例包含中间模量PAN前体碳纤维和热固性环氧树脂。这一实施例不仅几乎消除可能导致变形和位移的因CTE不匹配所致的热应力，还以对于材料来说商业上可行的价格提供优良的性能、耐久性以及相对较低的体积和重量。出于本说明书和权利要求书的目的，“大致匹配”意指内衬的纵向CTE在与CFC外壳相关的平均有效纵向CTE的1ppm/°F内。
除使外壳20的平均有效纵向CTE与内衬22匹配外，优良的枪管设计也展现较高的轴向强度和硬度、操作期间的较低层间剪应力以及较高环箍强度。较低角度板层(例如±25°)提供与更高角度相比更大轴向硬度。此外，给定质量的纵向板层距离钢衬管越远，其对轴向硬度的作用越大。然而，在枪管14外部上放置纵向较低角度板层损害耐久性，因为其更有可能分层或经历层间失败，如当抵靠粗糙表面摩擦时。在外部区域中放置更高角度板层增强耐久性。优选地，外壳20将具有至少5.5Msi的轴向硬度和径向平面(径向平面在图7上含有角度ε)上至少10Msi的模量。在中等和较大口径枪械枪管中，扭转强度和硬度变成更关键的因素，其中射弹的质量和直径相对于枪管外径变得重要，赋予枪管上的重要的扭转力。
在发现令人满意地平衡前述考虑因素的一个实施例中，12K链中间模量PAN碳纤维丝束34以约五磅拉力拉出湿环氧树脂热固性树脂混合物36，同时其在围绕其纵向轴向枪膛24旋转的类型416不锈钢内衬22上卷绕。树脂混合物包含按树脂混合物的重量计1.0％的短切碳纤维沥青。丝束34在多个分层区域或从衬管表面径向向外延伸的“板层”中成螺旋形卷绕，包含内部区域50、多个中间区域以及外部区域56。内部区域内的丝束包含具有±85°的缠绕角的环形环箍(所有角度加上/减去约五度并且相对于枪管轴线测量)。至少一个区域具有纵向螺旋缠绕角±25°。如上文所论述，在操作期间可能在相邻区域之间出现层间剪应力，这是因为区域之间的热量、振动、破裂力以及不匹配的CTE，潜在地导致外壳20内的非所需力或相邻区域之间的分离或分层。本发明人已确定，如果相邻区域之间的角度缠绕差异限于小于25°，并且更优选如果缠绕角差异限于大约20°，那么层间应力为可管理的。
在另一实施例中，外壳20包含多个分层区域，其中内部区域50由湿缠绕在内衬22上的中间模量PAN前体碳纤维丝束34的近似垂直的环形环箍构成，其中热固性环氧树脂具有±85°的卷绕角，那么第一中间区域52具有±75°的卷绕角，那么第二中间区域54具有±65°的卷绕角，那么第三中间区域为±45°，具有纵向螺旋缠绕物的第四中间区域为±25°，第五中间区域为±35°，并且最终外部区域56具有±45°的缠绕角。可以通过加上/减去5°改变任何或全部这些角度并且仍提供与类型416不锈钢内衬相当的性能。此外，如先前所提到，单独或与PAN碳纤维组合的其它类型的碳纤维可以类似结果使用。
图7显示由所描述的卷绕系统产生的示例性枪管14，其包含CFC外壳20，所述CFC外壳20逐渐切开以展现多个由围绕内衬22卷绕树脂浸泡的丝束42(或经加热的浸渍丝束43)产生的卷绕区域。在所示实施例中，各区域具有基本上不同的螺旋缠绕角。内部区域50具有第一缠绕角58、第一中间区域52具有第二缠绕角60，并且第二中间区域54具有第三缠绕角62。此外，取决于所需平均有效纵向CTE和其它机械特性，区域的数目可以是任何数目，并且各层的卷绕角和深度同样可以变化。
各区域/层的相对厚度影响CFC外壳的平均有效CTE。在上文刚论述的实施例中，上文所描述的区域径向厚度明显变化，表示为从钢内衬22表面到成品外壳20的外表面的径向距离的百分比。在图7中所示的实施例中，区域具有如下文所提到的厚度，其中角度测量值加上/减去5°，并且径向厚度百分比加上/减去5％：
区域 缠绕角 厚度(CFC半径％)
内部 ±85 40(±5％)
第1中间 ±75 7(±5％)
第2中间 ±65 6(±5％)
第3中间 ±45 7(±5％)
第4中间 ±25 21(±5％)
第5中间 ±35 6(±5％)
外部 ±45 13(±5％)
在使用所属领域中已知的技术完全固化后，接着在车床上例如用金刚石研磨料将枪管14研磨到所需直径，接着抛光并且进行表面处理，如所属领域的技术人员已知。其可以接着连接到机匣和枪托、装甲车辆、固定或小型壳发射器等上。
可以用广泛多种具有不同CTE的内衬材料采用本文所描述的纤维和缠绕技术，所述内衬材料包括金属，如钢合金；以及耐火材料、陶瓷以及包含前述材料的组合的内衬。与在先技术相比，本发明产生轻重量、坚硬并且较强的具有更大破裂强度的枪管，从而实现更细和更轻的枪管衬垫。成品枪管为耐久的，对层状和层间分离更具抗性，并且更好地耐受不可预测的行为，如在CFC-钢界面处由于匹配的CTE的变形和/或分离。
已根据相关法律标准描述前述发明，因此本说明书本质上为示范性而非限制性的。所公开的实施例的变化和修改对所属领域的技术人员可以变得显而易见并且属于本发明的范围内。

Claims (19)

1.一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(24)的内衬(22)，所述内衬(22)具有沿着所述轴向枪膛(24)的热膨胀系数CTE；以及
包围并且直接接触所述内衬(22)的外壳(20)，所述外壳(20)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(34)制造，其特征在于所述外壳(20)的平均有效轴向CTE大致等于所述内衬(22)的轴向CTE。
2.根据权利要求1所述的枪管，其中所述基质包含选自下述的材料：聚合物、金属、陶瓷、矿物质或碳的同素异形体。
3.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(36)。
4.根据权利要求1所述的枪管，其中所述内衬(22)包含选自下述的材料：陶瓷材料或金属。
5.根据权利要求4所述的枪管，其中所述内衬(22)是来自AISI群组400的不锈钢，且所述外壳(20)的平均有效轴向CTE在8.1ppm/℃与11.7ppm/℃(4.5ppm/°F与6.5ppm/°F)之间。
6.根据权利要求4所述的枪管，其中所述内衬(22)是来自AISI群组4000的钢合金，且所述外壳(20)的平均有效轴向CTE在10.4ppm/℃与14ppm/℃(5.8ppm/°F与7.8ppm/°F)之间。
7.根据权利要求1所述的枪管，其中所述CFC被径向区域化使得其包含多个纤维分层区域(50,52,54,56)，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。
8.根据权利要求7所述的枪管，其中所述纤维是碳、陶瓷、玻璃、金属、矿物质或聚合物。
9.根据权利要求7或8所述的枪管，其中各分层区域(50,52,54,56)包含至少一个以相对于所述轴向枪膛(24)基本上恒定的卷绕角(θ)成螺旋形卷绕于所述内衬(22)周围的单向连续碳纤维丝束，并且其中各分层区域(50,52,54,56)具有径向厚度。
10.根据权利要求9所述的枪管，其中所述分层区域(50,52,54,56)中的至少一个包含PAN前体碳纤维。
11.根据权利要求10所述的枪管，其具有在265-320Gpa范围内的弹性模量。
12.根据权利要求9所述的枪管，其中所述分层区域(50,52,54,56)中的至少一个包含沥青前体碳纤维。
13.根据权利要求9所述的枪管，其中任何两个相邻区域之间的卷绕角(θ)相差小于25°。
14.根据权利要求13所述的枪管，其包含以下顺序的区域：
内部区域(50)，其具有±85°的卷绕角(θ)和CFC径向厚度的35％与45％之间的径向厚度(r2)；
第一中间区域(52)，其具有±75°的卷绕角(θ)和所述CFC径向厚度的2％与12％之间的径向厚度(r2)；
第二中间区域(54)，其具有±65°的卷绕角(θ)和所述CFC径向厚度的1％与11％之间的径向厚度(r2)；
第三中间区域，其具有±45°的卷绕角(θ)和所述CFC径向厚度的2％与12％之间的径向厚度；
第四中间区域，其具有±25°的卷绕角(θ)和所述CFC径向厚度的16％与26％之间的径向厚度；
第五中间区域，其具有±35°的卷绕角(θ)和所述CFC径向厚度的1％与11％之间的径向厚度；以及
外部区域(56)，其具有±45°的卷绕角(θ)和所述CFC径向厚度的8％与18％之间的径向厚度。
15.一种根据权利要求1所述的枪管，其中所述内衬(22)包含金属内衬(22)，所述外壳(20)具有在所述内衬的CTE的1.8ppm/℃(1ppm/°F)内的平均有效轴向CTE，所述CFC被径向区域化使得其包含多个分层区域(50,52,54,56)，至少一个区域包含以相对于所述轴向枪膛(24)基本上恒定的卷绕角(θ)成螺旋形卷绕的PAN前体碳纤维丝束，其中任何两个相邻区域之间的卷绕角(θ)相差小于25°。
16.根据权利要求15所述的枪管，其中所述PAN前体碳纤维丝束包含中间模量碳纤维。
17.一种枪械(11)，其包含机匣(12)、连接到所述机匣(12)的枪托以及连接到所述机匣(12)的根据权利要求1-16中任一权利要求所述枪管(14)，其中内衬(22)包含金属内衬(22)。
18.一种制造用于引导可发射射弹的路径的枪管(14)的方法，其包含以下步骤：
提供界定轴向枪膛(24)并且具有轴向热膨胀系数CTE的内衬(22)；
制造围绕所述内衬(22)的径向区域化连续纤维复合物CFC外壳(20)，所述外壳(20)具有平均有效轴向CTE，所述制造包含以下步骤：
a.以基本上恒定的第一卷绕角围(θ)绕所述内衬(22)成螺旋形卷绕纤维丝束(34)以形成内部区域(50)；
b.以基本上与所述第一卷绕角(θ)不同的基本上恒定的第二卷绕角(θ)围绕所述内部区域(50)成螺旋形卷绕所述纤维丝束(34)以形成第一中间区域(52)；
c.以基本上与表征先前中间区域(52)的卷绕角(θ)不同的基本上恒定的卷绕角(θ)围绕所述先前中间区域(52)成螺旋形卷绕所述纤维丝束(34)；
d.按需要重复步骤c多次直到形成最终中间区域为止；
e.通过以基本上与表征所述最终中间区域的卷绕角不同的基本上恒定的卷绕角(θ)围绕所述最终中间区域成螺旋形卷绕所述纤维丝束(34 )来形成外部区域(56)；
其中相邻区域中的卷绕角(θ)相差小于25°，并且其中所述内衬(22)的轴向CTE在所述外壳(20)的平均有效轴向CTE的1.8ppm/℃(1ppm/°F)内。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述纤维丝束(34)包含PAN前体碳纤维和/或其中所述内衬(22) 包含不锈钢合金。
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