CN105593631A - 高温复合物射弹枪管 - Google Patents

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大卫·B·柯利斯
贾森·E·林肯
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Abstract

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。

Description

高温复合物射弹枪管
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。
背景技术
使用者一直渴望保持耐用并且可靠的较轻的******。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***的多个部分。注意力集中在***枪管上，其占***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***枪管，所述外壳并入有树脂。这一组合会使***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***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***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明显比环氧树脂更昂贵。另外，PEEK的玻璃化转变温度仅为约290℉，其中(甚至更昂贵)较高温度的调配物在约315℉下展现玻璃化转变。这些玻璃化转变温度仍低于速射武器所需。PEEK又为热塑性材料，意思是其为高分子量聚合物。其在远高于其Tg的温度下(通常在约700℉下)在融化状态下进行加工以实现流动并且凝固，因此其对刚性结构状态施加热和冷。另一方面，典型环氧树脂和聚酰亚胺为热固性材料，意思是在室温或接近室温下其通常以低粘度单体树脂形式应用并且随后通常在高温及/或压力条件下固化一段时间以形成稠密交联的高分子量结构材料。与热固性树脂相比，如PEEK的热塑性树脂需要极不同的制造技术和设备。
PMC内的热传导易于受纤维的取向强烈影响，在长丝的纵向方向上高于横跨方向。视使用哪种特定碳纤维而定，举例来说，PAN纤维的导热率在纵向方向上可以高于钢(约20-40W/m·K)，但在横向方向或径向小于10W/m·K。，固化PMC中的纤维之间的树脂的导热率甚至比纤维的横向导热率更低。当PMC用作枪管的外壳时，解决热量问题成为困难，因为大多数热量必须以径向穿过复合物外壳传导到枪管的外表面和周围大气，从而需要使热量输送穿过树脂并且横跨个别纤维。
导热率不仅受树脂、纤维和任何添加剂的类型以及其相对比例影响，而且受纤维的尺寸和添加剂粒子的尺寸影响。举例来说，典型个别PAN碳纤维的直径可以在约5与10微米之间。碳纤维长丝束包含多个纤维，其中通常用于***枪管应用的纤维束具有约6,000到24,000个个别纤维。在经树脂涂布的碳纤维束缠绕于枪管周围并且固化之后，树脂将所有连续强化纤维粘结在一起以提供机械完整性和耐久性。理想地，固化的树脂将主要地填充个别碳纤维之间的所有空隙。在PMC中个别碳纤维之间的体积或空隙(互换地称为“未占用体积或空隙”、“纤维间体积”或“间隙空隙”)因此理想地由固化树脂占据。在微米级(即纤维直径的标尺大致为10微米)下，热量由热钢内枪管传递穿过PMC的明显障碍为纤维之间的树脂的导热率较低、聚合物基质纤维界面的热传递阻力以及聚合物添加剂粒子界面的热传递阻力。
导热填充剂粒子对树脂粘度的作用视许多因素而定，如尺寸、尺寸分布、形状以及粒子彼此之间和粒子与树脂的相互作用。理想地，导热添加剂的有效存在为树脂混合物均匀分散于整个间隙空隙中。然而，间隙空隙并不均匀；空隙可在例如约<1微米到约50微米的范围内。因此，有效量的尺寸小到足以占据较小间隙空隙的粒子将易于使树脂混合物过粘稠，并且如果较小添加剂粒子在较大间隙空隙中“结块”，那么可能使基质局部弱化。另一方面，如果导热材料粒子尺寸过大，大于可获得的间隙空隙，那么其将不能放入较小间隙空隙中，因此使连续强化纤维移位。这就使得复合物纤维体积分数较低，机械特性受损并且整个PMC中的导热率较低。
所需的是用于复合物***枪管的外壳的PMC树脂混合物，所述PMC树脂混合物在制造上可行，当固化时耐受高操作温度和/或实际上更多地将由***的快速或持续射击产生的热量传递到周围大气，并且轻、坚硬以及坚固。
发明内容
公开一种复合物射弹枪管，其包含适应较高温度操作的新聚合物基质复合外壳。在一个实施例中，本发明包含引导可发射射弹的路径的枪管，其包括界定轴向孔的内衬和围绕并且直接接触内衬的外壳，所述外壳由包含树脂混合物和纤维的聚合物基质复合物制造，其中所述树脂混合物的全固化玻璃化转变温度Tg大于500℉。在另一实施例中，穿过PMC的热传导通过使导热添加剂包括在树脂混合物中得以促进，所述导热添加剂包含直径在约0.1微米与10.0微米之间的大体球形的金属粒子。
应了解，本发明可以由具有类似效用的许多射弹枪管造型和模型实施并且可以实施于其它结构，在所述其它结构中纤维与树脂组合并且缠绕或以其它方式构筑于伸长轴周围。
附图说明
当与以下详细描述和附图结合考虑时，本发明的这些和其它特征和优势将更容易理解，其中：
图1图示装备有复合物枪管的步枪；
图1A为图1中所示的复合物枪管的一部分的剖视图；
图2图示树脂纤维束缠绕***；
图3图示干浸渍纤维束缠绕***；
图4为展示复合物枪管的实施例的剖视图解；并且
图5为穿过范例聚合物基质复合物的截面的放大视图。
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展示装备有机匣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***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孔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。在一个实施例中，内衬22由如钢合金的金属制成。如不锈钢的金属内衬有助于制造沿轴向孔24的阳线和阴线以及枪管枪口和/或后膛端的螺纹。内衬还可以为非金属材料，如陶瓷或聚合物基材料。外壳20为如下文较全面描述的包含碳纤维和树脂混合物的固化聚合物基质复合物(PMC)。内衬22无需为均匀圆柱形。举例来说，内衬22可以在后膛端径向扩展以适应***到机匣12中的螺纹16的切割，在枪口18向外变成锥形，或视***的所需特征而定包括其它配置。外壳20同样可以包括非圆柱特征或在枪管14的长度上是不连续的。
外壳20在界面26处与内衬22直接接触。可能需要促进界面26处内衬22与PMC外壳20之间的粘着或抑制腐蚀。对于本说明书和权利要求书来说，“直接接触”的意思是界面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，PMC外壳20在界面26处与钢内衬22“直接接触”，甚至将钢内衬的表面电镀、阳极化或用如油漆、树脂或其它物质的化合物或混合物涂布。
图2展示适用于制造具有PMC外壳20的复合物***枪管14的简化的纤维束缠绕***30。在一个实施例中，外壳20包含由纤维束卷盘32提供的连续纤维长丝或纤维束34。在另一实施例中(未展示)，纤维可以呈织物或编织形式。碳纤维通常因其高硬度、高强度以及低密度而有利地用于PMC***弹筒。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，并且确切地说包含PAN前体与沥青前体碳纤维。在一个实施例中，纤维束34为PAN碳纤维长丝束，如可购自康涅狄格州斯坦福德的赫氏公司(HexcelCorporation,StamfordConnecticut)的HexTowIM2A。然而，纤维束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(NipponGraphiteFiberCorporation,Tokyo,Japan)的GRANOCCN-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交杂以增加在单一强化纤维下不可得到的特征。
通过充当心轴的旋转内衬22以一定拉力从纤维束卷盘32拉拔纤维束34。内衬22放置于夹具47之间并且围绕轴向孔24旋转。旋转内衬22拖曳纤维束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压入纤维束34中。所属领域的技术人员将理解，存在多种将树脂涂覆于纤维束的方式。在另一实施例中(未展示)，可以拉拔纤维束34跨越用树脂润湿的半浸没旋转鼓轮的上表面。
快速移动纤维束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(未展示)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***、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，从纤维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(未展示)、适当尺寸的模具(未展示)和/或所属领域中已知的其它构件从纤维束去除。
树脂浸泡的纤维束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，在树脂浸泡的纤维束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纤维束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纤维束42的路径上的任何地方，包括加热心轴内衬22本身。加热元件可以为辐射加热器、管式炉/加热器、对流加热器或加热树脂浸泡的纤维束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，树脂浸泡的纤维束42以所需螺旋样式缠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：以大体平行于轴向孔24的横向运动移动长丝引导孔口46，由此沿旋转内衬22来回引导树脂浸泡的纤维束42，以使得树脂浸泡的纤维束42以螺旋缠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缠绕样式的树脂浸泡的纤维束42，其特征为相对于轴向孔24的缠绕角较小。在快速横向速度下，树脂浸泡的纤维束的螺旋缠绕角小，相对于轴向孔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孔24的螺旋缠绕角。在极慢横向速度下，树脂浸泡的纤维束42的缠绕角可以为几乎环形的箍，差不多90°。对于权利要求和本说明书来说，此类几乎环形的箍仍然为“螺旋的”。纤维束缠绕***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、施加到纤维束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缠绕角、层数以及层的厚度。此类***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(McLeanAnderson,300RossAvenue,Schofield,Wisconsin54476)。
在优选实施例中，树脂混合物36包含热固性PMR聚酰亚胺树脂。然而，目前可获得的聚酰亚胺树脂在室温下过粘稠，在不添加过量溶剂下不能令人满意地涂布纤维束34。另外，树脂固体或如颗粒的其它组分可以分散在树脂混合物36内。因此需要额外措施，如加热或溶剂化树脂混合物36以降低粘度并且确保纤维束34令人满意地浸渍。
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围绕树脂浴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。包含热固性聚酰亚胺树脂的树脂混合物36可以加热到约200℉，确切温度视树脂的特征和所用溶剂的挥发性而定，其中在某种程度上较低温度为优选的。较高温度使树脂混合物36较不粘稠，从而使得能够更好地浸渍并且更均匀地缠绕，但会促进溶剂损失并且可促进聚酰亚胺树脂中(例如过早发生固化反应(例如亚胺化反应)，由此降低树脂的“适用期”。
树脂混合物36优选地包含溶剂。许多溶剂均可以用以使聚酰亚胺树脂较不粘稠，包括醇、非质子溶剂以及其混合物。PMR聚酰亚胺树脂通常将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纤维束42。甲醇和乙醇为优选的溶剂。本发明人已确定在树脂浴35中加热P2SI635LMPMR聚酰亚胺树脂混合物36到约40℃到60℃，并且添加甲醇溶剂以将树脂混合物36的粘度降低到约1000cP，会产生良好树脂浸渍和均匀长丝缠绕操作。有可能通过添加更多溶剂获得较低粘度和更好的处理特征。然而，过多溶剂将导致树脂混合物36中的树脂固体不足以用树脂充分浸渍碳纤维束34。使用过高温度降低树脂粘度会引起不合需要的副作用，所述副作用会降低聚酰亚胺聚合物基质的固化热量和机械特性。
树脂混合物36中如甲醇的溶剂具有与聚酰亚胺树脂相比较低的沸点。优选地，树脂浸泡的纤维束42在由后续纤维束绕圈覆盖之前闪蒸出许多或大多数溶剂。如上文所论述，加热构件可以包括一或多个辐射加热器48、管式加热器、对流加热器、源自加热心轴的导热或其它加热构件。在一个实施例中，管式加热器包围树脂浸泡的纤维束42并且沿纤维束向后朝向树脂浴35吹气加热到约300℉的空气，并且辐射加热器会将热量引导到旋转内衬22上。
并非拉拔纤维束穿过润湿树脂，干浸渍纤维束(即先前已经具有高玻璃化转变温度的树脂涂布和/或浸渍的纤维)可以环绕于旋转内衬22上，接着在热和/或压力下干式固化。酰亚胺化浸渍纤维束可以由首先以如下方式将聚酰亚胺树脂加工成部分固化的状态来制造。将可聚合单体聚酰亚胺树脂加热到约300-500℉维持约30分钟到四个小时之间，以酰亚胺化树脂，以使得形成具有反应性封端的寡聚物。优选地，抽取热量并且将树脂冷却，之后寡聚物上的功能性封端剂开始明显反应和交联。目前呈固体形式的酰亚胺化聚酰亚胺树脂接着可以研磨成精细粉末。这一粉末接着可以静电方式涂布于纤维或***条带上，接着在再缠绕之前任选地以热方式熔融到纤维或条带。
图3展示与图2的纤维束缠绕***类似的浸渍纤维束缠绕***。纤维卷盘32带有如上文刚刚所描述制备的部分固化的浸渍纤维束37的供应器。替代树脂浴，浸渍纤维束在施加到旋转内衬22之前和/或期间加热以将先前并入到浸渍纤维束37中的部分固化的聚酰亚胺树脂软化，因此使其流动并且有助于凝固。图3展示可能的加热技术的若干变化形式，包括管式加热器39和辐射加热器41。其它热源包括红外加热器、热气射流以及激光加热。浸渍纤维束与旋转内衬22可以高于聚合物的熔点进行加热以在浸渍纤维束与内衬之间实现熔融物/熔融物接触。旋转内衬22可以例如通过辐射加热器41和/或放置在轴向孔24内的通过筒式加热器(未展示)加热。单独或组合形式的前述加热器类型中的任一者可用以加热浸渍纤维束和/或内衬，以使得浸渍纤维束与内衬实现良好熔融物接触。经软化并且加热的浸渍纤维束43以与针对上述润湿树脂纤维束缠绕***所述类似的方式缠绕在内衬22周围。
图4展示由所述缠绕***制造的范例枪管14，其包含PMC外壳20，所述PMC外壳逐渐切开以展现多个由围绕内衬22缠绕树脂浸泡的纤维束42(或经加热的浸渍纤维束43)产生的缠绕层。在所示实施例中，每一缠绕层具有不同螺旋环绕角。第一层50具有第一环绕角58，第二层52具有第二环绕角60，并且第三层54具有第三环绕角62。层的数量可以为任何数量，并且缠绕角和每一层的厚度同样可以发生改变。
在另一实施例中，树脂混合物36(或干燥的部分固化浸渍纤维束37)还包含导热添加剂粒子。添加剂微粒理论上可以包含任何具有与PMC中的树脂相比导热率较高的固体，如金属、陶瓷或短切沥青碳纤维。石墨烯片、经研磨石墨泡沫或碳纳米管还具有良好导热率。由于金属的相对低密度、较高导热率、成本以及固化PMC内的其它优良属性的组合，所以其为优选的导热添加剂材料，并且更优选为铝。
如上文所指出，添加明显量的热传导添加剂会不利地增加树脂混合物36的粘度。举例来说，石墨烯片呈现极好导热率，但易于使树脂混合物不可接受地粘稠。石墨烯片的面积可以(X-Y方向)在1与50微米(μm)之间，但厚度仅为约50-100纳米(nm)，从而产生接近1000:1的纵横比。具有此类高纵横比的粒子会加重折磨上文所论述的聚酰亚胺树脂的粘度问题。本发明人已确定并非聚焦于具有最好的导热率的添加剂材料，替代方法为采用相对于添加剂体表面积添加剂体积达到最大的材料。这一方法表明添加剂粒子应为大致球形的。
在一个实施例中，添加剂粒子为金属并且具有大体球形的形状。金属球包含大致0.2重量％到50重量％的树脂混合物36(约0.1体积％到25体积％)。在另一实施例中，添加剂粒子本身包含两个或两个以上尺寸以更高效地增加复合物的导热率，并且对加工特征的影响最小。树脂混合物36具有至少两个尺寸的导热粒子会改良间隙空隙内的粒子填充，并且对树脂粘度的影响较小，并且因此改良热传递特征，同时保持粘度可管理。
图5展示固化聚合物基质复合物70的一个实施例的放大截面视图。聚合物基质复合物70可以通过润湿缠绕树脂或通过缠绕先前施用于浸渍纤维束的部分固化的树脂来制造。图5展示大体彼此平行排列并且由固化树脂74包围的个别纤维股线/长丝72的切割端。树脂74占据纤维股线72之间的空隙。个别纤维股线大体平行并且直径为大致3到15微米(μm)。间隙空隙可以在约1微米到约50微米的范围内。在一个实施例中，多个尺寸的热传导添加剂粒子，优选地球形金属粒子分布于树脂74和纤维股线72内的间隙空隙中和树脂74内的间隙空隙中。
在所示实施例中，纤维股线72的直径为大致7μm，并且热传导添加剂包含三个尺寸的大致球形的铝粒子，最小粒子76的直径为约0.1-1μm，中等粒子78的直径为约1-3μm，并且大粒子80的直径为约3-4μm。这些粒度可依据例如纤维的尺寸而改变。举例来说，最大粒子可以测量为10μm。大多数添加剂由小粒子76和中等粒子78组成；明显较小的部分为大粒子80。通过以此类方式配制和分布导热添加剂，许多粒子将极为接近或甚至彼此触碰，并且优选地极为接近和/或触碰相邻纤维束72，其中较大粒子易于占据较大间隙空隙并且较小粒子占据较小空洞，所述空洞先前由在固化过程中挥发的树脂混合物36的溶剂或挥发性部分占据。热传导添加剂粒子的导热率比树脂74高，由此制造更能导热的PMC。通常，多个尺寸的导热添加剂球占据较高体积分数的以其它方式存在于PMC中的间隙空隙，从而使外壳20的导热率较高。
在缠绕润湿树脂纤维束42或加热的浸渍纤维束43之后，复合物枪管14从夹具47去除并且经历热和/或压力以使热固性聚酰亚胺树脂完全固化。对于润湿树脂***，视在固化方法开始之前存在的挥发物的量而定，完全固化可能需要去除约新近缠绕的PMC结构的15质量％。一般优选地为先前在固化过程中去除挥发物以使基质中的空洞形成减到最小。
与纤维束润湿或干燥缠绕于内衬22无关，与常见环氧树脂基树脂相比，并入聚酰亚胺树脂的结构更难以固化。确切地说，在润湿树脂应用中，难以从纤维树脂基质去除挥发物而不会产生空洞。当聚酰亚胺树脂用于平坦或大半径面板时，挥发物输送更容易，因为挥发物可以逃逸到表面的敞开边缘，和/或更容易在织物层之间迁移。然而，在长丝缠绕应用中，这些气体可以滞留于继续绕圈之间。
PMC中的空洞具有不合需要的降低强度、硬度以及导热率的作用。与固化平坦的经浸渍织物薄片相比，当固化通过长丝缠绕制造的物品时，甚至更难以获得令人满意的结果。不可渗透的内衬22迫使挥发物以径向向外迁移穿过多个稠密缠绕层(其中较小部分的挥发物迁移到枪管14的后膛和枪口18)。另外当导热添加剂存在于树脂混合物36中时，固化问题可以复杂化。
根据一个实施例的固化外壳22如下来制造：首先提供并入PAN碳纤维和树脂混合物36的新近缠绕的枪管，所述树脂混合物包含P2SI635LM聚酰亚胺树脂和约40重量浓度％的1与5微米之间的大体球形的铝粒子。在固化之后此类树脂混合物36的玻璃化转变温度为约635℉。润湿纤维束42穿过如上文所述的管式加热器，接着使用图2中所描绘之润湿树脂***缠绕于内衬22周围，以按多个缠绕角产生多个缠绕层。接着将新近缠绕的枪管放置于烘箱或高压釜中并且在一系列阶段中固化。
在第一阶段中，高压釜中的温度逐渐升高，经约5到10小时，达到约350℉。为有助于将挥发物输送出PMC，在这一阶段期间可以对枪管14施加真空。在第二阶段中，烘箱或高压釜温度增加到约500-536℉维持2与8小时之间，以价格PMR聚酰亚胺树脂混合物溶液酰亚胺化，以形成具有反应性封端的寡聚物。在这一阶段，所有挥发物基本上从复合物外壳去除并且寡聚物上的功能性封端剂可以开始反应和交联。在固化的这一第二阶段期间，时间10与400psi之间，优选地为约200psi的压力以有助于凝固。在第三阶段中，烘箱或高压釜内的温度甚至进一步升高到约600-700℉优选地维持至少四小时，以实现最终固化，即通过与封端剂反应酰亚胺化聚酰亚胺实质上完成交联并且使碳纤维/树脂混合物基质稳定。烘箱或高压釜内的总固化时间优选地为14-24小时。在第二和第三阶段期间高压釜可以保持加压。
在冷却之后，将固化枪管14放置于车床上并且用一或多个如金刚石涂布的研磨和抛光轮的磨料工具研磨到所需加工直径。对于权利要求和本说明书来说，“围绕并且直接接触内衬”的意思是外壳20沿枪管14的轴向长度的至少一部分围绕并且直接接触内衬22；例如在枪口18、螺纹16或枪管14上的任何其它所需位置可以暴露内衬22的一部分。
上述PMC实施例包括玻璃化转变温度大于500℉的热固性聚酰亚胺树脂混合物，从而允许枪管14的较热操作。与通常经历约140-400℉的玻璃化转变并且具有相对较低热稳定性的环氧树脂基树脂混合物相比，此类树脂表明优良的热稳定性。枪管14的结构不仅能够更好地耐受较高温度，而且额外益处为较高操作温度有助于从金属内衬22到周围大气的热传递，这是因为外壳20的外表面与氛围之间的温差较高。
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 (21)

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组成的群组：金属、陶瓷、钻石、石墨烯、石墨、碳纳米管以及短切沥青碳纤维。
15.根据权利要求13所述的枪管，其中所述导热添加剂包含铝粒子。
16.根据权利要求15所述的枪管，其中所述铝粒子具有大体球形的形状。
17.根据权利要求16所述的枪管，其中所述铝粒子包含直径在约0.1微米与10.0微米之间的多个尺寸。
18.一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包含树脂混合物和纤维，所述树脂混合物包含大体球形的金属粒子，所述金属粒子包含直径在约0.1微米与10.0微米之间的多个尺寸。
19.根据权利要求18所述的枪管，其中所述金属粒子为铝。
20.一种枪械，其包含机匣、连接到所述机匣的枪托以及连接到所述机匣的枪管，其中所述枪管包含：
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包含树脂和纤维，所述树脂的玻璃化转变温度大于500℉。
21.一种用于引导可发射射弹的路径的枪管，其包含：
界定轴向孔的钢合金内衬；和
围绕并且直接接触所述内衬的聚合物基质复合物PMC外壳，所述PMC包含玻璃化转变温度大于500℉的热固性聚酰亚胺树脂，所述PMC进一步包含以多个层和多个相对于所述轴向孔的缠绕角螺旋缠绕于所述内衬周围的碳纤维束，所述碳纤维束包含多个PAN前体碳纤维，每一碳纤维的直径为约3到15微米，其中大体球形的铝粒子分散于整个所述PMC中，所述铝粒子具有直径在约0.1微米与10.0微米之间的多个尺寸。
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