隨著高分子材料行業(yè)的蓬勃發(fā)展，各類工程塑料及其復(fù)合材料的各方面性能在不斷提高，使其能夠更廣泛地應(yīng)用于兵器工業(yè)中，為輕武器的研發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)和保障。

使用輕質(zhì)量、高強(qiáng)度的工程塑料制備彈藥的零部件，可以起到減輕彈體質(zhì)量、增加彈丸速度和射程、提高命中精準(zhǔn)度和威力、降低彈藥成本等作用，同時還能節(jié)省大量金屬材料，在國內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。目前，3D打印工程塑料在常規(guī)彈藥上的應(yīng)用主要是發(fā)展彈托、彈帶和閉氣環(huán)三大系列。

在彈托上的應(yīng)用

彈托材料在使用過程中經(jīng)歷了兩次革命，第一次是由鋁合金代替合金鋼，第二次則是由工程塑料取代鋁合金，其主要目的是減輕彈托消極質(zhì)量，提高彈丸初速和終點(diǎn)彈道威力，還可避免彈托破裂后對友鄰槍手的傷害。

3D打印的彈托

一種電磁軌道炮用輕質(zhì)一體化彈托

美國陸軍材料力學(xué)中心對大長徑比脫殼穿甲彈彈托用工程塑料及其復(fù)合材料進(jìn)行了一系列的研究，包括彈托材料、有限元結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和成型工藝等。

穿甲彈結(jié)構(gòu)示意圖

他們設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)的卡瓣?duì)钏芰蠌椡?，一種是由4個卡瓣構(gòu)成，另一種是由16個卡瓣構(gòu)成。先用工程塑料制備卡瓣，再用機(jī)械和整體成型的方法把彈托固定在彈心上。在彈丸的射擊過程中，由于離心力作用，膛線與彈帶分離，彈托自由落下。此類彈托質(zhì)量輕，成本低，塑料卡瓣可均勻脫落，飛行過程穩(wěn)定。


美國Olin軍械公司在1984年研發(fā)的脫殼穿甲彈塑料彈托是由高強(qiáng)度工程塑料聚醚酰亞胺（PI）Ultem1000制備而得，其懸臂梁沖擊強(qiáng)度高于640J/m，壓縮強(qiáng)度在130.7MPa以上，拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度高于82.7MPa，在射擊過程中彈托性能穩(wěn)定，大幅度提升了彈丸的準(zhǔn)確度和穿甲速度;該公司還使用就地塑模法制備了無應(yīng)力塑料彈托用于Phalanx彈，使得彈心、彈帶、彈塞和彈托能夠自動有效地配合，減輕炮管振動，提高打擊精度。美國太平洋技術(shù)公司研發(fā)的12.7mm脫殼穿甲彈的彈托使用了力學(xué)性能良好的聚碳酸酯（PC）復(fù)合材料，20mm和30mm口徑的穿甲彈使用尼龍基復(fù)合材料作為彈托。

美國研發(fā)的“阿里法”槍彈運(yùn)用了彈丸裝入塑料彈托內(nèi)的組合結(jié)構(gòu)，工程塑料特殊的潤滑作用能使摩擦造成的動能損耗降低至0.5%，該彈丸的初速度比常規(guī)彈丸大50%，后坐力減少36%，散步降低1/2~2/3。近年美國還在纖維增強(qiáng)工程塑料上取得了較大的突破，使用碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺（PEI/CF）復(fù)合材料制備的120mmM829A3穿甲彈彈托展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，且制造成本較低;

美軍不同類型穿甲彈

法國研發(fā)了一類可應(yīng)用于不同口徑的手槍、步槍和沖鋒槍的西尼克斯高性能槍彈，該彈同樣采用了彈頭嵌入塑料彈托內(nèi)的組合結(jié)構(gòu)，降低膛內(nèi)摩擦的同時提高射擊初速度;瑞士、德國、荷蘭等國也采用新型熱塑性樹脂復(fù)合材料制備了各類彈托用于不同口徑的穿甲彈，使得彈丸的綜合性能顯著提高;工程塑料在其他國外彈托上的應(yīng)用情況如表1所示。

中國在彈托中應(yīng)用最為廣泛的是尼龍材料，增強(qiáng)增韌尼龍66、增強(qiáng)改性尼龍610等材料已成功應(yīng)用于25、30mm脫殼穿甲彈彈托和30mm曳光鎢合金脫殼穿甲彈彈托上。

在彈帶上的應(yīng)用

塑料彈帶的研發(fā)始于20世紀(jì)40年代，于1954年研制出第一個塑料彈帶，其作用是降低膛線的磨損與燒蝕，提升彈丸初速度和速射能力，延長火炮使用壽命。

彈帶

塑料彈帶通常分為固定式和滑動式，固定式彈帶常用于線膛炮和滑膛炮發(fā)射的靠旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定的彈丸上，滑動式彈帶用于線膛炮發(fā)射的尾翼穩(wěn)定的彈丸。一般來說，塑料彈帶材料擁有優(yōu)異的延展性和抗撓曲性，受熱后能夠發(fā)生明顯的塑性流動，可以完美地嵌入膛線并密封彈丸，使之與炮管緊密結(jié)合，從而減少對炮管的磨損。

美國研發(fā)的M61A1式6管航炮彈中，鋼彈帶被塑料彈帶取代之后，其發(fā)射初速度由1036m/s提升到1125m/s，射速由6000發(fā)/min提升到7200發(fā)/min，壽命可達(dá)15萬發(fā)，生產(chǎn)成本也有所降低;30mmGAV8/A艦炮穿甲燃燒彈采用塑料彈帶后，射速可達(dá)750發(fā)/min，炮管使用壽命提高了3倍;90mmM431式破甲彈和105mmM68U式脫殼穿甲彈都采用尼龍66制備滑動式彈帶，解決了彈體結(jié)合不牢固的問題，且制備方法簡單。

M61A1“火神”航炮

通用電氣公司研發(fā)的30mm口徑GAU-8/A“復(fù)仇者”7管炮彈采用了塑料旋轉(zhuǎn)彈帶，使得整個體系的質(zhì)量減少了272kg，導(dǎo)彈壽命有所延長。蘇聯(lián)研發(fā)的30mm加特林6管機(jī)炮彈中，使用塑料彈帶取代銅彈帶后，初速度提高的同時，射速從3000發(fā)/min提升到9000發(fā)/min，槍管磨損降低，使用壽命延長。

GAU-8/A“復(fù)仇者”

德國研制的27mm毛瑟BK27式航炮彈使用塑料彈帶之后，與燒結(jié)鐵彈帶相比，生產(chǎn)成本下降，身管的磨損減少了90%，初速度提升了6%，并使連發(fā)射擊過程中相鄰兩發(fā)彈的初速跳動量降低;工程塑料在其他國外彈帶上的應(yīng)用情況如表2所示。

中國從20世紀(jì)70年代初開始塑料彈帶的研發(fā)工作，積極探索新材料、新技術(shù)、新工藝在塑料彈帶研發(fā)中的應(yīng)用，目前已取得了很大的進(jìn)展。中國兵器工業(yè)集團(tuán)在20世紀(jì)80年代成功研制出用于大口徑整體塑料彈帶的微晶纖維素(MCC)、單體澆鑄(MC)尼龍和聚丙烯材料，同時發(fā)展了彈帶整體裝配成型工藝技術(shù)，分別應(yīng)用于7種口徑脫殼穿甲彈9個不同彈種上，并已經(jīng)取得了良好的效果，其性能在某些方面已經(jīng)超過了國外同類彈帶。

在閉氣環(huán)上的應(yīng)用

塑料閉氣環(huán)也屬于塑料彈帶的一種，其主要作用是在彈丸發(fā)射時閉氣和定心。彈丸發(fā)射之后，塑料閉氣環(huán)會受到旋轉(zhuǎn)離心力、發(fā)射藥氣體作用力以及空氣阻力等作用力而破碎脫落。目前塑料閉氣環(huán)在線膛炮和迫擊炮的各種不同口徑的炮彈上廣泛使用，且效果良好。

1：彈芯  2：彈托  3：閉氣環(huán)

美國Martin Marietta公司研發(fā)了一類帶有V形槽的脫耦式塑料閉氣環(huán)，可用于線膛炮發(fā)射高精度炮彈。此類塑料閉氣環(huán)能夠刻入膛線，氣密性良好，能夠保證炮彈發(fā)射時有足夠的推力，又能讓炮彈在炮管末端脫離膛線，使其轉(zhuǎn)速低于20r/s，并且可耐受204.4℃高溫。

線膛炮

此類閉氣環(huán)分為陸軍和海軍使用的兩種類型。前者由對位芳綸增強(qiáng)127E型尼龍制備而得，在炮彈飛行過程中為炮彈的一部分，離開炮管時不會破碎，環(huán)形槽部分較穩(wěn)定，V形原件部分容易變形，可刻入膛線;后者是未用纖維增強(qiáng)的127E型尼龍制備，炮彈發(fā)射后就會破碎。美國United Technogies公司用剛性較好的工程塑料制備了一種雙件消旋型閉氣環(huán)，它是由剛性環(huán)體和柔性滑動片組成，能夠在極端環(huán)境中使用，起到高壓和低壓密封作用，使炮彈在高速發(fā)射的過程中在炮管內(nèi)保持合適的位置。中國制造的81、82、100、120mm迫擊炮榴彈和105mm破甲彈、155mm榴彈都使用了塑料閉氣環(huán)。

國產(chǎn)120mm車載迫擊炮榴彈

對于不同類型的炮彈，彈帶和彈托使用的塑料種類各異，其對彈藥的作用機(jī)制也有差別。工程塑料具有優(yōu)異的塑性變形能力，耐磨性較好，摩擦因數(shù)小，使得彈帶的摩擦熱低，利于裝配成型。因此塑料彈帶、彈托及閉氣環(huán)的閉氣定心效果要比金屬材料強(qiáng)，尤其是滑動式塑料彈帶的微旋作用是金屬彈帶不能做到的。同時，塑料彈帶和彈托相較金屬材料有更好的密閉定心作用，可更加充分地利用火藥氣體的能量，降低摩擦剪切動能，改善內(nèi)彈道性能，因此無論是對于線膛炮還是滑膛炮都能夠提升初速度和射程，增加彈藥威力。

在制備工藝方面，3D打印(增材制造技術(shù))這一革命性制造方法的興起，對傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)生了巨大的沖擊，對未來軍事領(lǐng)域的發(fā)展也產(chǎn)生重大的影響。自2013年首款3D打印手槍“解放者”(全槍16個零部件均由塑料ABS制得，圖9 )問世以來，3D打印技術(shù)已經(jīng)充分應(yīng)用于美軍的裝備研發(fā)，近年來美軍在此技術(shù)上的投資也越來越大。

美軍曾在非常短的時間內(nèi)打印出AR-15半自動步槍的實(shí)體和大部分零部件，并且使用此槍發(fā)射600多發(fā)子彈，展現(xiàn)出良好的實(shí)用性能。此外，由于士兵體型、射擊和瞄準(zhǔn)習(xí)慣等個體差異，槍械的個性化定制變得尤為重要。3D打印技術(shù)可根據(jù)士兵的握槍習(xí)慣及手感，打印出不同質(zhì)量和形狀的槍托、護(hù)木、握把等零部件，替換批量生產(chǎn)的槍械上的制件，滿足不同需求，讓士兵在使用此類定制槍械時更加得心應(yīng)手，提高士兵的作戰(zhàn)能力。

與機(jī)器制造的零部件相比，3D打印技術(shù)生產(chǎn)的制件質(zhì)量更輕，時間更短，且機(jī)械強(qiáng)度相差不大，可全面應(yīng)用于輕武器的制備，如槍械構(gòu)件在實(shí)際作戰(zhàn)中有所損傷，采用此技術(shù)可迅速生產(chǎn)所需構(gòu)件，替換破損零部件，及時補(bǔ)給軍用裝備。

來源：博理科技

隨著高分子材料行業(yè)的蓬勃發(fā)展，各類工程塑料及其復(fù)合材料的各方面性能在不斷提高，使其能夠更廣泛地應(yīng)用于兵器工業(yè)中，為輕武器的研發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)和保障。

使用輕質(zhì)量、高強(qiáng)度的工程塑料制備彈藥的零部件，可以起到減輕彈體質(zhì)量、增加彈丸速度和射程、提高命中精準(zhǔn)度和威力、降低彈藥成本等作用，同時還能節(jié)省大量金屬材料，在國內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。目前，3D打印工程塑料在常規(guī)彈藥上的應(yīng)用主要是發(fā)展彈托、彈帶和閉氣環(huán)三大系列。

在彈托上的應(yīng)用

彈托材料在使用過程中經(jīng)歷了兩次革命，第一次是由鋁合金代替合金鋼，第二次則是由工程塑料取代鋁合金，其主要目的是減輕彈托消極質(zhì)量，提高彈丸初速和終點(diǎn)彈道威力，還可避免彈托破裂后對友鄰槍手的傷害。

3D打印的彈托

一種電磁軌道炮用輕質(zhì)一體化彈托

美國陸軍材料力學(xué)中心對大長徑比脫殼穿甲彈彈托用工程塑料及其復(fù)合材料進(jìn)行了一系列的研究，包括彈托材料、有限元結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和成型工藝等。

穿甲彈結(jié)構(gòu)示意圖

他們設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)的卡瓣?duì)钏芰蠌椡?，一種是由4個卡瓣構(gòu)成，另一種是由16個卡瓣構(gòu)成。先用工程塑料制備卡瓣，再用機(jī)械和整體成型的方法把彈托固定在彈心上。在彈丸的射擊過程中，由于離心力作用，膛線與彈帶分離，彈托自由落下。此類彈托質(zhì)量輕，成本低，塑料卡瓣可均勻脫落，飛行過程穩(wěn)定。


美國Olin軍械公司在1984年研發(fā)的脫殼穿甲彈塑料彈托是由高強(qiáng)度工程塑料聚醚酰亞胺（PI）Ultem1000制備而得，其懸臂梁沖擊強(qiáng)度高于640J/m，壓縮強(qiáng)度在130.7MPa以上，拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度高于82.7MPa，在射擊過程中彈托性能穩(wěn)定，大幅度提升了彈丸的準(zhǔn)確度和穿甲速度;該公司還使用就地塑模法制備了無應(yīng)力塑料彈托用于Phalanx彈，使得彈心、彈帶、彈塞和彈托能夠自動有效地配合，減輕炮管振動，提高打擊精度。美國太平洋技術(shù)公司研發(fā)的12.7mm脫殼穿甲彈的彈托使用了力學(xué)性能良好的聚碳酸酯（PC）復(fù)合材料，20mm和30mm口徑的穿甲彈使用尼龍基復(fù)合材料作為彈托。

美國研發(fā)的“阿里法”槍彈運(yùn)用了彈丸裝入塑料彈托內(nèi)的組合結(jié)構(gòu)，工程塑料特殊的潤滑作用能使摩擦造成的動能損耗降低至0.5%，該彈丸的初速度比常規(guī)彈丸大50%，后坐力減少36%，散步降低1/2~2/3。近年美國還在纖維增強(qiáng)工程塑料上取得了較大的突破，使用碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺（PEI/CF）復(fù)合材料制備的120mmM829A3穿甲彈彈托展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，且制造成本較低;

美軍不同類型穿甲彈

法國研發(fā)了一類可應(yīng)用于不同口徑的手槍、步槍和沖鋒槍的西尼克斯高性能槍彈，該彈同樣采用了彈頭嵌入塑料彈托內(nèi)的組合結(jié)構(gòu)，降低膛內(nèi)摩擦的同時提高射擊初速度;瑞士、德國、荷蘭等國也采用新型熱塑性樹脂復(fù)合材料制備了各類彈托用于不同口徑的穿甲彈，使得彈丸的綜合性能顯著提高;工程塑料在其他國外彈托上的應(yīng)用情況如表1所示。

中國在彈托中應(yīng)用最為廣泛的是尼龍材料，增強(qiáng)增韌尼龍66、增強(qiáng)改性尼龍610等材料已成功應(yīng)用于25、30mm脫殼穿甲彈彈托和30mm曳光鎢合金脫殼穿甲彈彈托上。

在彈帶上的應(yīng)用

塑料彈帶的研發(fā)始于20世紀(jì)40年代，于1954年研制出第一個塑料彈帶，其作用是降低膛線的磨損與燒蝕，提升彈丸初速度和速射能力，延長火炮使用壽命。

彈帶

塑料彈帶通常分為固定式和滑動式，固定式彈帶常用于線膛炮和滑膛炮發(fā)射的靠旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定的彈丸上，滑動式彈帶用于線膛炮發(fā)射的尾翼穩(wěn)定的彈丸。一般來說，塑料彈帶材料擁有優(yōu)異的延展性和抗撓曲性，受熱后能夠發(fā)生明顯的塑性流動，可以完美地嵌入膛線并密封彈丸，使之與炮管緊密結(jié)合，從而減少對炮管的磨損。

美國研發(fā)的M61A1式6管航炮彈中，鋼彈帶被塑料彈帶取代之后，其發(fā)射初速度由1036m/s提升到1125m/s，射速由6000發(fā)/min提升到7200發(fā)/min，壽命可達(dá)15萬發(fā)，生產(chǎn)成本也有所降低;30mmGAV8/A艦炮穿甲燃燒彈采用塑料彈帶后，射速可達(dá)750發(fā)/min，炮管使用壽命提高了3倍;90mmM431式破甲彈和105mmM68U式脫殼穿甲彈都采用尼龍66制備滑動式彈帶，解決了彈體結(jié)合不牢固的問題，且制備方法簡單。

M61A1“火神”航炮

通用電氣公司研發(fā)的30mm口徑GAU-8/A“復(fù)仇者”7管炮彈采用了塑料旋轉(zhuǎn)彈帶，使得整個體系的質(zhì)量減少了272kg，導(dǎo)彈壽命有所延長。蘇聯(lián)研發(fā)的30mm加特林6管機(jī)炮彈中，使用塑料彈帶取代銅彈帶后，初速度提高的同時，射速從3000發(fā)/min提升到9000發(fā)/min，槍管磨損降低，使用壽命延長。

GAU-8/A“復(fù)仇者”

德國研制的27mm毛瑟BK27式航炮彈使用塑料彈帶之后，與燒結(jié)鐵彈帶相比，生產(chǎn)成本下降，身管的磨損減少了90%，初速度提升了6%，并使連發(fā)射擊過程中相鄰兩發(fā)彈的初速跳動量降低;工程塑料在其他國外彈帶上的應(yīng)用情況如表2所示。

中國從20世紀(jì)70年代初開始塑料彈帶的研發(fā)工作，積極探索新材料、新技術(shù)、新工藝在塑料彈帶研發(fā)中的應(yīng)用，目前已取得了很大的進(jìn)展。中國兵器工業(yè)集團(tuán)在20世紀(jì)80年代成功研制出用于大口徑整體塑料彈帶的微晶纖維素(MCC)、單體澆鑄(MC)尼龍和聚丙烯材料，同時發(fā)展了彈帶整體裝配成型工藝技術(shù)，分別應(yīng)用于7種口徑脫殼穿甲彈9個不同彈種上，并已經(jīng)取得了良好的效果，其性能在某些方面已經(jīng)超過了國外同類彈帶。

在閉氣環(huán)上的應(yīng)用

塑料閉氣環(huán)也屬于塑料彈帶的一種，其主要作用是在彈丸發(fā)射時閉氣和定心。彈丸發(fā)射之后，塑料閉氣環(huán)會受到旋轉(zhuǎn)離心力、發(fā)射藥氣體作用力以及空氣阻力等作用力而破碎脫落。目前塑料閉氣環(huán)在線膛炮和迫擊炮的各種不同口徑的炮彈上廣泛使用，且效果良好。

1：彈芯  2：彈托  3：閉氣環(huán)

美國Martin Marietta公司研發(fā)了一類帶有V形槽的脫耦式塑料閉氣環(huán)，可用于線膛炮發(fā)射高精度炮彈。此類塑料閉氣環(huán)能夠刻入膛線，氣密性良好，能夠保證炮彈發(fā)射時有足夠的推力，又能讓炮彈在炮管末端脫離膛線，使其轉(zhuǎn)速低于20r/s，并且可耐受204.4℃高溫。

線膛炮

此類閉氣環(huán)分為陸軍和海軍使用的兩種類型。前者由對位芳綸增強(qiáng)127E型尼龍制備而得，在炮彈飛行過程中為炮彈的一部分，離開炮管時不會破碎，環(huán)形槽部分較穩(wěn)定，V形原件部分容易變形，可刻入膛線;后者是未用纖維增強(qiáng)的127E型尼龍制備，炮彈發(fā)射后就會破碎。美國United Technogies公司用剛性較好的工程塑料制備了一種雙件消旋型閉氣環(huán)，它是由剛性環(huán)體和柔性滑動片組成，能夠在極端環(huán)境中使用，起到高壓和低壓密封作用，使炮彈在高速發(fā)射的過程中在炮管內(nèi)保持合適的位置。中國制造的81、82、100、120mm迫擊炮榴彈和105mm破甲彈、155mm榴彈都使用了塑料閉氣環(huán)。

國產(chǎn)120mm車載迫擊炮榴彈

對于不同類型的炮彈，彈帶和彈托使用的塑料種類各異，其對彈藥的作用機(jī)制也有差別。工程塑料具有優(yōu)異的塑性變形能力，耐磨性較好，摩擦因數(shù)小，使得彈帶的摩擦熱低，利于裝配成型。因此塑料彈帶、彈托及閉氣環(huán)的閉氣定心效果要比金屬材料強(qiáng)，尤其是滑動式塑料彈帶的微旋作用是金屬彈帶不能做到的。同時，塑料彈帶和彈托相較金屬材料有更好的密閉定心作用，可更加充分地利用火藥氣體的能量，降低摩擦剪切動能，改善內(nèi)彈道性能，因此無論是對于線膛炮還是滑膛炮都能夠提升初速度和射程，增加彈藥威力。

在制備工藝方面，3D打印(增材制造技術(shù))這一革命性制造方法的興起，對傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)生了巨大的沖擊，對未來軍事領(lǐng)域的發(fā)展也產(chǎn)生重大的影響。自2013年首款3D打印手槍“解放者”(全槍16個零部件均由塑料ABS制得，圖9 )問世以來，3D打印技術(shù)已經(jīng)充分應(yīng)用于美軍的裝備研發(fā)，近年來美軍在此技術(shù)上的投資也越來越大。

美軍曾在非常短的時間內(nèi)打印出AR-15半自動步槍的實(shí)體和大部分零部件，并且使用此槍發(fā)射600多發(fā)子彈，展現(xiàn)出良好的實(shí)用性能。此外，由于士兵體型、射擊和瞄準(zhǔn)習(xí)慣等個體差異，槍械的個性化定制變得尤為重要。3D打印技術(shù)可根據(jù)士兵的握槍習(xí)慣及手感，打印出不同質(zhì)量和形狀的槍托、護(hù)木、握把等零部件，替換批量生產(chǎn)的槍械上的制件，滿足不同需求，讓士兵在使用此類定制槍械時更加得心應(yīng)手，提高士兵的作戰(zhàn)能力。

與機(jī)器制造的零部件相比，3D打印技術(shù)生產(chǎn)的制件質(zhì)量更輕，時間更短，且機(jī)械強(qiáng)度相差不大，可全面應(yīng)用于輕武器的制備，如槍械構(gòu)件在實(shí)際作戰(zhàn)中有所損傷，采用此技術(shù)可迅速生產(chǎn)所需構(gòu)件，替換破損零部件，及時補(bǔ)給軍用裝備。

來源：博理科技