航空航天·热塑性预浸带持续在航空航天复合材料领域展现潜力

本文摘要：（由ai生成）碳纤维复合材料用于迫击炮身管轻量化，内衬层隔绝高温火药燃气，外层纤维层承担载荷。试验表明，高模量碳纤维增强层可提升承压性能，内衬更薄，轻量化效益高。铺层顺序对承压性能影响小，而适当提高缠绕张力可提高承压性能，但过大张力会降低性能。现代战争具有的突发性、速决性和多维性特点，使得武器装备的灵活机动、快速部署能力成为抢占先机，赢得胜利的关键条件。迫击炮作为一种支援和伴随步兵作战的有效压制武器，在现代战争中仍具有不可替代的地位。而我军现役迫击炮的身管绝大部分仍采用炮钢材料，战斗全重较大，携行不便，身管作为迫击炮的重要组成部分，其重量约占总重的一半，亟需进行轻量化改造。例如，美国贝尼特实验室对碳纤维复合材料身管技术进行了深入探索，相继开发了105mm加农炮身管和120mm坦克滑膛炮身管。英国某型超轻榴弹炮复合身管，以高模量碳纤维作为纵向层，以中模量碳纤维作为环向层，采用高拉张力工艺，将碳纤维束缠绕在钢制内衬上，获得了强度和刚度可同时比拟原身管的轻质复合身管，榴弹炮总重从4.08t降至2.27t，减重达40%。 与传统的金属材料相比，碳纤维复合材料具有比强度和比刚度高、耐腐蚀、破损安全性好、疲劳寿命高及可设计性好等优点，在轻量化方面具有明显的优势，本文将其用作迫击炮轻量化身管的主要材料。但由于碳纤维复合材料的密闭性、耐磨性和抗烧蚀能力较差，所以根据迫击炮身管的受力特点，复合材料身管设计可采用两层结构：内层为内衬层，可选用炮钢或钛合金等金属材料，主要起到隔绝高温火药燃气，提供密封环境，避免弹体直接接触纤维层；外层为纤维层，采用碳纤维复合材料缠绕，外部纤维层承担大部分载荷，保证身管满足强度要求，在内衬和纤维层之间采用隔热橡胶进行隔热。为进一步探索采用不同碳纤维对身管承压性能的影响，分别对采用T300、T700和M46等级碳纤维缠绕的复合圆筒进行水压试验，T300、T700和M46等级碳纤维复合身管的最终爆破载荷为48MPa、63MPa和81MPa。T700试样与T300试样相比，其模量相同，因此内衬屈服载荷近乎相同，这与NOL试样的实验结论一致；而T700试样的强度高于T300试样，因此对于复合圆筒最终爆破压力，T700试样大于T300试样，复合碳纤维强度越高，爆破压力越高的规律；M46试样的强度介于T300和T700试样中间，但拉伸模量约为T700和T300试样的两倍，M46试样的内衬屈服载荷约为31MPa，爆破压力高达81MPa，远高于T300和T700试样。以内衬材料的弹性模量为标准，外部纤维层的弹性模量越高，则纤维层承担的载荷越多，相同载荷下内衬的应力更低，内衬的屈服载荷就越高，越能凸显碳纤维高强的优势。因此用高模量碳纤维做外部增强层，内衬厚度可以做得更薄，轻量化效益更高。 不同的铺层顺序同样会对迫击炮身管最终的承压性能带来一定影响。为了研究铺层顺序对承压性能的定量影响，采用相同尺寸同种内衬材料和T300等级碳纤维，分别采用两种铺层顺序进行迫击炮身管的缠绕，并进行对比水压试验，两种铺层顺序的应变-载荷曲线基本重合，爆破载荷分别为48MPa和47.5MPa。由此可见，铺层顺序对身管静态承压性能的影响较小。为了研究缠绕张力对迫击炮身管最终承压性能的影响，分别采用30N、50N、70N、90N的缠绕张力进行迫击炮身管的缠绕加工，并对不同缠绕张力的迫击炮身管进行了承压试验，其爆破压力依次为48MPa、49MPa、49.5MPa和43MPa。可见缠绕张力在70N之前，随着缠绕张力的增加，复合圆筒的爆破压力逐渐升高，当缠绕张力为90N时，承压性能显著降低。这是由于适当地提高缠绕张力可以使纤维层之间结合更紧密，排出多余的树脂减少气泡等缺陷，相当于提高了纤维层的缠绕质量。缠绕张力为90N时，复合材料圆筒过早破坏，综上可知：适当地提高缠绕张力可以提高纤维层缠绕质量，增强金属内衬预应力，提高复合身管的承压性能；但缠绕张力过大会降低其承压性能。来源：博实碳纤维特别声明:公 众号部分文章和图片来源于网络，发布的目的在于传递更多信息及分享，并不代表本公 众号赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。版权归原作者所有，任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议，请第一时间联系我们，我们会及时修改或删除。广告免责声明:为了公 众号稳定发展，本公众 号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公 众号只提供发布平台，对广告内容的真实性或有效性不做评价，请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公 众号无关，特此声明。来源：碳纤维生产技术