碳纖維纏繞迫擊炮筒身的研制工藝

  現代戰爭具有的突發性、速決性和多維性特點,使得武器裝備的靈活機動、快速部署能力成為搶占先機,贏得勝利的關鍵條件。迫擊炮作為一種支 援和伴隨步兵作戰的有效壓制武器,在現代戰爭中仍具有不可替代的地位。而我軍現役迫擊炮的身管 絕大部分仍采用炮鋼材料,戰斗全重較大,攜行不便,身管作為迫擊炮的重要組成部分,其重量約占總重的一半,亟需進行輕量化改造。

  對于纖維增強復合材料在裝備領域的應用,國外已在這方面開展了大量的探索,例如,美國貝尼特實驗室對碳纖維復合材料身管技術進行了深入探索,相繼開發了105mm加農炮身管和120mm坦克滑膛炮身管。英國某型超輕榴彈炮復合身管,以高模量碳纖維作為縱向層,以中模量碳纖維作為環向層, 采用高拉張力工藝,將碳纖維束纏繞在鋼制內襯上,獲得了強度和剛度可同時比擬原身管的輕質復合身管,榴彈炮總重從4.08t降至2.27t,減重達40%。

  本文著眼未來高機動作戰對武器裝備的需求,將碳纖維增強復合材料用于迫擊炮身管的輕量化改進,開展了復合身管的結構設計與成型工藝研究,在獲得較高強度和剛度的同時,可大大減輕身管重量,為提高裝備機動性和跨區作戰性能提供技術支撐,也為先進復合材料在陸軍裝備中的應用奠定基礎。

  與傳統的金屬材料相比,碳纖維復合材料具有比強度和比剛度高、耐腐蝕、破損安全性好、疲勞壽命高及可設計性好等優點,在輕量化方面具有明顯的優勢,本文將其用作迫擊炮輕量化身管的主要材料。但由于碳纖維復合材料的密閉性、耐磨性和抗燒蝕能力較差,所以根據迫擊炮身管的受力特點,復合材料身管設計可采用兩層結構:內層為內襯層,可選用炮鋼或鈦合金等金屬材料,主要起到隔絕高溫火藥燃氣,提供密封環境,避免彈體直接接觸纖維層;外層為纖維層,采用碳纖維復合材料纏 繞,外部纖維層承擔大部分載荷,保證身管滿足強度 要求,在內襯和纖維層之間采用隔熱橡膠進行隔熱。

  不同等級碳纖維的力學性能差異較大,對身管最終的承壓也有著明顯的影響。T300、T700和M46為常用的碳纖維,為進一步探索采用不同碳纖維對身管承壓性能的影響,分別對采用T300、T700和M46等級碳纖維纏繞的復合圓筒進行水壓試驗,T300、T700和M46等級碳纖維復合身管的最終爆破載荷為48MPa、63MPa和81MPa。以內襯材料的彈性模量為標準,外部纖維層的彈性模量越高,則纖維層承擔的載荷越多,相同載荷下內襯的應力更低,內襯的屈服載荷就越高,越能凸顯碳纖維高強的優勢。因此用高模量碳纖維做外部增強層,內襯厚度可以做得更薄,輕量化效益更高。

  分別采用30N、50N、70N、90N的纏繞張力進行迫擊炮身管的纏繞加工,并對不同纏繞張力的迫擊炮身管進行了承壓試驗,其爆破壓力依次為48MPa、49MPa、49.5MPa和43MPa。 可見纏繞張力在70N之前,隨著纏繞張力的增加, 復合圓筒的爆破壓力逐漸升高,當纏繞張力為90N時,承壓性能顯著降低。這是由于適當地提高纏繞 張力可以使纖維層之間結合更緊密,排出多余的樹脂減少氣泡等缺陷,相當于提高了纖維層的纏繞質量。

  結果表明:采用高模量碳纖維材料作為復合身管的外部增強層,內襯厚度可以做得更薄,輕量化效益更高:采用相同尺寸同種內襯材料,鋪層順序對復合身管靜態承壓性能的影響較小:適當地提高纏繞張力可以提高纖維層纏繞質量,增強金屬內襯的預應力,提高復合身管的承壓性能,但纏繞張力過大會降低其承壓性能。

 

  閱讀延伸:《M46J高模量碳纖維復合材料力學性能研究