本申請是申請日為2014年8月28日，申請?zhí)枮?01480047500.9、發(fā)明名稱為“高溫復(fù)合物射彈槍管”的發(fā)明專利申請的分案申請。

相關(guān)申請案的交叉引用

本申請要求兩個臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)：2013年8月28日提交的第61/871,154號和2013年9月4日提交的第61/873,771號。兩臨時申請的整個公開內(nèi)容特此以應(yīng)用方式并入并且依賴于此。

本申請涉及高溫復(fù)合物射彈槍管以及制造方法。

背景技術(shù)：

使用者一直渴望保持耐用并且可靠的較輕的槍支系統(tǒng)。已知有使用相對堅固但輕量的材料，如非強(qiáng)化型和強(qiáng)化型聚合物，連續(xù)玻璃纖維或碳纖維復(fù)合物，替代通常由鋼、鋁或其它金屬制造的槍支的多個部分。注意力集中在槍支槍管上，其占槍支重量的很大百分比。舉例來說，已知制造具有包圍有碳纖維強(qiáng)化的聚合物基質(zhì)復(fù)合物(pmc)外殼的鋼內(nèi)襯的槍支槍管，所述外殼并入有樹脂。這一組合會使槍支減輕，同時保持良好的槍管強(qiáng)度和硬度。

用于pmc外殼中的碳纖維可以為提供所需硬度、強(qiáng)度以及導(dǎo)熱率的任何類型。通常對于pmc槍支槍管應(yīng)用來說，使用聚丙烯腈(“pan”)前體或瀝青前體碳纖維。碳纖維可以干碳纖維股線或纖維束加以應(yīng)用，所述干碳纖維股線或纖維束在“濕”浸涂盤方法中與樹脂組合，接著纏繞于內(nèi)襯周圍?；蛘?，外殼可以由先前在獨(dú)立方法(“浸漬纖維束”或“預(yù)浸”)用樹脂浸漬接著施用于內(nèi)襯的碳纖維束、單向傳輸帶或織物構(gòu)建。無論潤濕或干燥應(yīng)用，基質(zhì)樹脂通常為環(huán)氧樹脂。復(fù)合物槍管接著可以進(jìn)行固化、拋光并且連接到機(jī)匣和槍托。此類碳纖維/環(huán)氧樹脂基質(zhì)復(fù)合物可以為許多常見槍械應(yīng)用提供適合的熱特性、機(jī)械特性以及加工特征的平衡。

然而，當(dāng)復(fù)合物槍管經(jīng)歷來自快速或持續(xù)射擊的高熱量時，與實心鋼槍管相比其通常較不耐用。舉例來說，半自動或自動步槍的槍管內(nèi)的溫度可能容易超過500℉，并且可能超過700℉或更高。由完全由鋼和類似材料制造的槍管制得的槍械耐用并且具有高熱傳遞特征足以使熱量足夠快速地耗散以適應(yīng)此類射擊應(yīng)用并且表現(xiàn)仍可接受。現(xiàn)有槍支槍管復(fù)合物外殼與鋼相比具有較低徑向?qū)崧?，以使得?fù)合材料實際上起類似于熱絕緣體的作用。通常用于槍支槍管的鋼的類型的導(dǎo)熱率為約20-40瓦/米-開爾文(20-40w/m·k)。在槍支槍管應(yīng)用中，典型pan碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合物在“整個厚度”方向上或徑向上的導(dǎo)熱率僅為約0.5w/m·k。這些復(fù)合物的典型“平面內(nèi)”(纖維方向)值為約僅1-5w/m·k。如下文所論述，與鋼相比pmc材料還會在較低溫度下發(fā)生降解。

u.s.6,889,464(德格尼詩(degerness))公開一種槍支槍管，其包含螺旋纏繞有在浸涂盤浴方法中拉拔穿過潤濕環(huán)氧樹脂混合物的碳纖維長絲或纖維束的鋼內(nèi)襯。德格尼詩將導(dǎo)熱材料添加到包含可以購得的短切/磨碎的瀝青碳纖維的環(huán)氧樹脂中。固化槍管展示明顯較高的導(dǎo)熱率和改進(jìn)的從內(nèi)槍管經(jīng)由pmc到周圍大氣的熱耗散。然而，甚至在添加導(dǎo)熱短切碳瀝青的情況下，裝備有碳纖維復(fù)合物槍管的槍支快速射擊仍可以致使槍管溫度明顯超過環(huán)氧樹脂的使用溫度性能。當(dāng)槍管因持續(xù)射擊變熱時，其可能超過固化環(huán)氧樹脂基樹脂混合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg。在tg下，pmc明顯變軟并且復(fù)合物槍管的機(jī)械完整性受損。當(dāng)槍管加熱到甚至較高的溫度時，發(fā)生不可逆的固化環(huán)氧基質(zhì)的熱分解并且槍管結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)一步受損。具有所需加工特征和固化熱和機(jī)械特性的環(huán)氧樹脂通常呈現(xiàn)140-400℉范圍內(nèi)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，并且通常在高于500℉的溫度下呈現(xiàn)熱分解。

理論上，應(yīng)可能改良pmc的導(dǎo)熱率并且通過增加樹脂混合物中thermalgraph或如石墨烯、石墨、碳納米管、陶瓷顆?；蚪饘倭Ｗ拥钠渌鼘?dǎo)熱材料的比例來延遲熱量積聚。導(dǎo)熱添加劑的所需特征為高導(dǎo)熱率、低密度并且具有適當(dāng)尺寸和尺寸分布以占據(jù)強(qiáng)化纖維之間的空隙。然而，因為所有這些導(dǎo)熱添加劑易于強(qiáng)烈增加樹脂的粘度，所以較高濃度的導(dǎo)熱添加劑使樹脂混合物更為粘稠，從而抑制用樹脂完全涂布碳纖維束并且使得制造更為困難并且不一致。另外，高負(fù)載的導(dǎo)熱添加劑一般會減小復(fù)合物的機(jī)械特性(例如強(qiáng)度)。

存在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度比環(huán)氧樹脂高的其它樹脂，但其一般更難以加工和用其制造pmc物品，并且與環(huán)氧化物相比明顯更昂貴。已知具有聚酰亞胺化學(xué)物質(zhì)的樹脂具有與環(huán)氧樹脂相比明顯更高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、更好的導(dǎo)熱率以及改良的熱穩(wěn)定性。盡管與環(huán)氧樹脂相比固化聚酰亞胺樹脂具有優(yōu)良的熱效能，但許多因用于其制造的溶劑和單體而具有相對高的毒性。一般來說，溶劑中包含反應(yīng)性單體的聚酰亞胺樹脂的熱固性類別稱為“可聚合單體反應(yīng)物”或pmr聚酰亞胺。所要求的較低毒性聚酰亞胺樹脂公開于u.s.5,171,822(佩特(pater))“低毒性高溫pmr聚酰亞胺(lowtoxicityhightemperaturepmrpolyimide)”中并且可以名稱rp46購得。然而，在室溫下用于制造pmc的足高固體濃度的rp46樹脂為半固體；其高粘度使其在“潤濕”纏繞纖維長絲束時極難以操作。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于環(huán)氧樹脂并且具有有用加工特征的pmr聚酰亞胺樹脂公開于u.s.6,889,464(林肯(lincoln))中。并入林肯化學(xué)物質(zhì)中的樹脂由俄亥俄州莫雷納蘭斯路2711號(2711lancedrive,moraine,ohio)45409的聚合物溶液性能公司(performancepolymersolutions,inc.)以名稱635lm制造。p²si635lm樹脂具有635℉的適當(dāng)高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，但在室溫下與典型潤濕長絲纏繞環(huán)氧樹脂相比還明顯更粘稠，看起來會妨礙其在長絲纏繞應(yīng)用中的使用，如當(dāng)嘗試將經(jīng)樹脂浸泡的纖維束以多層纏繞于槍支槍管的內(nèi)襯上時。

在長絲纏繞應(yīng)用中使用如635lm的聚酰亞胺樹脂的另一障礙涉及固化新近纏繞的槍管的加工困難性。當(dāng)包含溶劑化聚酰亞胺樹脂的聚酰亞胺基質(zhì)碳纖維復(fù)合物纏繞的槍管固化時，樹脂中的揮發(fā)物會釋放出。當(dāng)平坦或大半徑面板固化時，這些氣體更容易遷移到面板的表面或邊緣，使更容易產(chǎn)生基本上不含不合需要的空隙的復(fù)合物物品。然而，當(dāng)本質(zhì)上具有最少部分“邊緣”的經(jīng)纏繞的槍支槍管固化時，證實因為揮發(fā)性產(chǎn)物和氣體易于滯留于繼續(xù)長絲繞圈之間而難以去除。不同于固化具有大平面表面的面板，從新近纏繞的聚酰亞胺樹脂復(fù)合物槍支槍管中釋放的揮發(fā)性氣體的遷移路徑為以徑向向外穿過復(fù)合物的厚度(具有一定的縱向遷移)。當(dāng)利用較高粘度的聚酰亞胺樹脂時這一問題復(fù)雜化。盡管使用聚酰亞胺樹脂環(huán)繞如小口徑槍支槍管的薄圓筒存在優(yōu)勢，但將聚酰亞胺樹脂用于pmc(甚至在替代復(fù)合物制造技術(shù)下，如預(yù)浸、浸漬纖維束以及樹脂輸送浸泡)實質(zhì)上已被限制于平坦或相對大半徑的碳纖維薄片或面板。

另一具有相對高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的樹脂類別為聚醚醚酮(peek)。peek明顯比環(huán)氧樹脂更昂貴。另外，peek的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度僅為約290℉，其中(甚至更昂貴)較高溫度的調(diào)配物在約315℉下展現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變。這些玻璃化轉(zhuǎn)變溫度仍低于速射武器所需。peek又為熱塑性材料，意思是其為高分子量聚合物。其在遠(yuǎn)高于其tg的溫度下(通常在約700℉下)在融化狀態(tài)下進(jìn)行加工以實現(xiàn)流動并且凝固，因此其對剛性結(jié)構(gòu)狀態(tài)施加熱和冷。另一方面，典型環(huán)氧樹脂和聚酰亞胺為熱固性材料，意思是在室溫或接近室溫下其通常以低粘度單體樹脂形式應(yīng)用并且隨后通常在高溫及/或壓力條件下固化一段時間以形成稠密交聯(lián)的高分子量結(jié)構(gòu)材料。與熱固性樹脂相比，如peek的熱塑性樹脂需要極不同的制造技術(shù)和設(shè)備。

pmc內(nèi)的熱傳導(dǎo)易于受纖維的取向強(qiáng)烈影響，在長絲的縱向方向上高于橫跨方向。視使用哪種特定碳纖維而定，舉例來說，pan纖維的導(dǎo)熱率在縱向方向上可以高于鋼(約20-40w/m·k)，但在橫向方向或徑向小于10w/m·k。，固化pmc中的纖維之間的樹脂的導(dǎo)熱率甚至比纖維的橫向?qū)崧矢汀．?dāng)pmc用作槍管的外殼時，解決熱量問題成為困難，因為大多數(shù)熱量必須以徑向穿過復(fù)合物外殼傳導(dǎo)到槍管的外表面和周圍大氣，從而需要使熱量輸送穿過樹脂并且橫跨個別纖維。

導(dǎo)熱率不僅受樹脂、纖維和任何添加劑的類型以及其相對比例影響，而且受纖維的尺寸和添加劑粒子的尺寸影響。舉例來說，典型個別pan碳纖維的直徑可以在約5與10微米之間。碳纖維長絲束包含多個纖維，其中通常用于槍支槍管應(yīng)用的纖維束具有約6,000到24,000個個別纖維。在經(jīng)樹脂涂布的碳纖維束纏繞于槍管周圍并且固化之后，樹脂將所有連續(xù)強(qiáng)化纖維粘結(jié)在一起以提供機(jī)械完整性和耐久性。理想地，固化的樹脂將主要地填充個別碳纖維之間的所有空隙。在pmc中個別碳纖維之間的體積或空隙(互換地稱為“未占用體積或空隙”、“纖維間體積”或“間隙空隙”)因此理想地由固化樹脂占據(jù)。在微米級(即纖維直徑的標(biāo)尺大致為10微米)下，熱量由熱鋼內(nèi)槍管傳遞穿過pmc的明顯障礙為纖維之間的樹脂的導(dǎo)熱率較低、聚合物基質(zhì)纖維界面的熱傳遞阻力以及聚合物添加劑粒子界面的熱傳遞阻力。

導(dǎo)熱填充劑粒子對樹脂粘度的作用視許多因素而定，如尺寸、尺寸分布、形狀以及粒子彼此之間和粒子與樹脂的相互作用。理想地，導(dǎo)熱添加劑的有效存在為樹脂混合物均勻分散于整個間隙空隙中。然而，間隙空隙并不均勻；空隙可在例如約<1微米到約50微米的范圍內(nèi)。因此，有效量的尺寸小到足以占據(jù)較小間隙空隙的粒子將易于使樹脂混合物過粘稠，并且如果較小添加劑粒子在較大間隙空隙中“結(jié)塊”，那么可能使基質(zhì)局部弱化。另一方面，如果導(dǎo)熱材料粒子尺寸過大，大于可獲得的間隙空隙，那么其將不能放入較小間隙空隙中，因此使連續(xù)強(qiáng)化纖維移位。這就使得復(fù)合物纖維體積分?jǐn)?shù)較低，機(jī)械特性受損并且整個pmc中的導(dǎo)熱率較低。

所需的是用于復(fù)合物槍支槍管的外殼的pmc樹脂混合物，所述pmc樹脂混合物在制造上可行，當(dāng)固化時耐受高操作溫度和/或?qū)嶋H上更多地將由槍支的快速或持續(xù)射擊產(chǎn)生的熱量傳遞到周圍大氣，并且輕、堅硬以及堅固。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

公開一種復(fù)合物射彈槍管，其包含適應(yīng)較高溫度操作的新聚合物基質(zhì)復(fù)合外殼。在一個實施例中，本發(fā)明包含引導(dǎo)可發(fā)射射彈的路徑的槍管，其包括界定軸向孔的內(nèi)襯和圍繞并且直接接觸內(nèi)襯的外殼，所述外殼由包含樹脂混合物和纖維的聚合物基質(zhì)復(fù)合物制造，其中所述樹脂混合物的全固化玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg大于500℉。在另一實施例中，穿過pmc的熱傳導(dǎo)通過使導(dǎo)熱添加劑包括在樹脂混合物中得以促進(jìn)，所述導(dǎo)熱添加劑包含直徑在約0.1微米與10.0微米之間的大體球形的金屬粒子。

應(yīng)了解，本發(fā)明可以由具有類似效用的許多射彈槍管造型和模型實施并且可以實施于其它結(jié)構(gòu)，在所述其它結(jié)構(gòu)中纖維與樹脂組合并且纏繞或以其它方式構(gòu)筑于伸長軸周圍。

附圖說明

當(dāng)與以下詳細(xì)描述和附圖結(jié)合考慮時，本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)勢將更容易理解，其中：

圖1圖示裝備有復(fù)合物槍管的步槍；

圖1a為圖1中所示的復(fù)合物槍管的一部分的剖視圖；

圖2圖示樹脂纖維束纏繞系統(tǒng)；

圖3圖示干浸漬纖維束纏繞系統(tǒng)；

圖4為展示復(fù)合物槍管的實施例的剖視圖解；并且

圖5為穿過范例聚合物基質(zhì)復(fù)合物的截面的放大視圖。

具體實施方式

參見圖式，其中在若干視圖中類似編號指示類似或?qū)?yīng)部件，圖1展示裝備有機(jī)匣12、槍托、扳機(jī)、槍管14以及其它熟悉特征的栓式步槍10。在所示實施例中，槍管14通過螺紋16與機(jī)匣12牢固地接合。在操作中，將彈藥筒插入到機(jī)匣中。藥筒具有含有火藥裝料的基底部分和可發(fā)射射彈，即子彈。當(dāng)射擊者扣動扳機(jī)時，撞針撞擊藥筒的基底，使火藥裝料點(diǎn)火并且使子彈發(fā)射穿過軸向孔24并且從槍口18中射出。

如圖1a中所示，槍管14由內(nèi)襯22和外殼20構(gòu)成。在一個實施例中，內(nèi)襯22由如鋼合金的金屬制成。如不銹鋼的金屬內(nèi)襯有助于制造沿軸向孔24的陽線和陰線以及槍管槍口和/或后膛端的螺紋。內(nèi)襯還可以為非金屬材料，如陶瓷或聚合物基材料。外殼20為如下文較全面描述的包含碳纖維和樹脂混合物的固化聚合物基質(zhì)復(fù)合物(pmc)。內(nèi)襯22無需為均勻圓柱形。舉例來說，內(nèi)襯22可以在后膛端徑向擴(kuò)展以適應(yīng)插入到機(jī)匣12中的螺紋16的切割，在槍口18向外變成錐形，或視槍支的所需特征而定包括其它配置。外殼20同樣可以包括非圓柱特征或在槍管14的長度上是不連續(xù)的。

外殼20在界面26處與內(nèi)襯22直接接觸?？赡苄枰龠M(jìn)界面26處內(nèi)襯22與pmc外殼20之間的粘著或抑制腐蝕。對于本說明書和權(quán)利要求書來說，“直接接觸”的意思是界面26處的內(nèi)襯22的外表面可以包括在內(nèi)襯22上制造外殼20之前施用的表面處理。舉例來說，pmc外殼20在界面26處與鋼內(nèi)襯22“直接接觸”，甚至將鋼內(nèi)襯的表面電鍍、陽極化或用如油漆、樹脂或其它物質(zhì)的化合物或混合物涂布。

圖2展示適用于制造具有pmc外殼20的復(fù)合物槍支槍管14的簡化的纖維束纏繞系統(tǒng)30。在一個實施例中，外殼20包含由纖維束卷盤32提供的連續(xù)纖維長絲或纖維束34。在另一實施例中(未展示)，纖維可以呈織物或編織形式。碳纖維通常因其高硬度、高強(qiáng)度以及低密度而有利地用于pmc槍支彈筒。術(shù)語“碳纖維”一般用以描述碳和石墨纖維，與其制造過程或前體材料無關(guān)，并且確切地說包含pan前體與瀝青前體碳纖維。在一個實施例中，纖維束34為pan碳纖維長絲束，如可購自康涅狄格州斯坦福德的赫氏公司(hexcelcorporation,stamfordconnecticut)的hextowim2a。然而，纖維束34還可以為瀝青碳纖維，如可購自日本東京的日本石墨纖維公司(nippongraphitefibercorporation,tokyo,japan)的granoccn-60-a2s，或任何適合用于制造復(fù)合物的纖維，包括克維拉(kevlar)、玻璃、石英、陶瓷、礦物質(zhì)、碳、金屬、石墨或通過組合不同類型的纖維形成的纖維的交雜以增加在單一強(qiáng)化纖維下不可得到的特征。

通過充當(dāng)心軸的旋轉(zhuǎn)內(nèi)襯22以一定拉力從纖維束卷盤32拉拔纖維束34。內(nèi)襯22放置于夾具47之間并且圍繞軸向孔24旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)內(nèi)襯22拖曳纖維束34穿過樹脂混合物36，圍繞浸沒在樹脂浴35中的一系列滾筒38浸漬，其中滾筒38有助于將樹脂混合物36壓入纖維束34中。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，存在多種將樹脂涂覆于纖維束的方式。在另一實施例中(未展示)，可以拉拔纖維束34跨越用樹脂潤濕的半浸沒旋轉(zhuǎn)鼓輪的上表面。

快速移動纖維束34穿過樹脂混合物36并且圍繞滾筒38會產(chǎn)生渦流和湍流，從而有助于使樹脂混合物36內(nèi)的樹脂固體和其它顆粒保持懸浮。任選地，放置于樹脂浴35中的攪拌器(未展示)可以用以促進(jìn)均勻混合以及樹脂、溶劑和任何添加的顆?；蛞怨腆w形式添加到樹脂混合物36中的其它導(dǎo)熱材料的粘度。攪拌器可以為由馬達(dá)驅(qū)動的機(jī)械漿、由泵驅(qū)動的樹脂混合物再循環(huán)系統(tǒng)、超聲波攪拌器或使固體和顆粒維持懸浮的其它構(gòu)件。

在用樹脂混合物36浸漬長絲之后，從纖維束去除過量樹脂混合物。過量樹脂混合物可以通過獨(dú)立或組合的具有適當(dāng)間隙設(shè)定的軋輥40、刮板(未展示)、適當(dāng)尺寸的模具(未展示)和/或所屬領(lǐng)域中已知的其它構(gòu)件從纖維束去除。

樹脂浸泡的纖維束42離開樹脂浴35并且拉拔穿過由長絲引導(dǎo)結(jié)構(gòu)44控制的長絲引導(dǎo)孔口46。任選地，在樹脂浸泡的纖維束42離開樹脂浴35之后，一或多個加熱元件48可以通過熱單元48閃蒸出樹脂混合物36中存在的第一階段揮發(fā)物。加熱單元致使樹脂浸泡的纖維束42中存在的一些或甚至大多數(shù)任何溶劑揮發(fā)。加熱元件48可以放置于樹脂浸泡的纖維束42的路徑上的任何地方，包括加熱心軸內(nèi)襯22本身。加熱元件可以為輻射加熱器、管式爐/加熱器、對流加熱器或加熱樹脂浸泡的纖維束42的其它構(gòu)件，包括組合的不同類型的加熱元件。

在過量樹脂混合物36以機(jī)械方式去除并且任選地經(jīng)歷加熱之后，樹脂浸泡的纖維束42以所需螺旋樣式纏繞于內(nèi)槍管周圍并且達(dá)到所需直徑。長絲引導(dǎo)結(jié)構(gòu)44包含如下機(jī)制：以大體平行于軸向孔24的橫向運(yùn)動移動長絲引導(dǎo)孔口46，由此沿旋轉(zhuǎn)內(nèi)襯22來回引導(dǎo)樹脂浸泡的纖維束42，以使得樹脂浸泡的纖維束42以螺旋纏繞樣式施加到內(nèi)襯上。長絲引導(dǎo)孔口46本身還可以相對于長絲引導(dǎo)結(jié)構(gòu)44旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)移。

應(yīng)了解，如果內(nèi)襯22以恒定速率旋轉(zhuǎn)，那么長絲引導(dǎo)結(jié)構(gòu)44的較快橫向移動將產(chǎn)生螺旋纏繞樣式的樹脂浸泡的纖維束42，其特征為相對于軸向孔24的纏繞角較小。在快速橫向速度下，樹脂浸泡的纖維束的螺旋纏繞角小，相對于軸向孔24幾乎為縱向的。相反，長絲引導(dǎo)結(jié)構(gòu)44的較慢橫向移動將產(chǎn)生較大的相對于軸向孔24的螺旋纏繞角。在極慢橫向速度下，樹脂浸泡的纖維束42的纏繞角可以為幾乎環(huán)形的箍，差不多90°。對于權(quán)利要求和本說明書來說，此類幾乎環(huán)形的箍仍然為“螺旋的”。纖維束纏繞系統(tǒng)30可以由計算機(jī)處理器控制，以使得內(nèi)襯22的旋轉(zhuǎn)速度、長絲引導(dǎo)結(jié)構(gòu)44的橫向移動、長絲引導(dǎo)孔口46的運(yùn)動、施加到纖維束34的拉力以及其它方面可以由使用者程序化控制以產(chǎn)生所需樣式和順序的纏繞角、層數(shù)以及層的厚度。此類系統(tǒng)可購自例如威斯康星州斯科菲爾德的羅斯大道300號54476的麥克萊恩安德森公司(mcleananderson,300rossavenue,schofield,wisconsin54476)。

在優(yōu)選實施例中，樹脂混合物36包含熱固性pmr聚酰亞胺樹脂。然而，目前可獲得的聚酰亞胺樹脂在室溫下過粘稠，在不添加過量溶劑下不能令人滿意地涂布纖維束34。另外，樹脂固體或如顆粒的其它組分可以分散在樹脂混合物36內(nèi)。因此需要額外措施，如加熱或溶劑化樹脂混合物36以降低粘度并且確保纖維束34令人滿意地浸漬。

樹脂浴35可經(jīng)配置以使用所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的技術(shù)加熱樹脂混合物36，如使如水的熱流體循環(huán)穿過圍繞樹脂浴35的夾套，或施加加熱元件到樹脂浴35的底部或側(cè)邊，或經(jīng)由浸沒在樹脂混合物36中的加熱盤管。包含熱固性聚酰亞胺樹脂的樹脂混合物36可以加熱到約200℉，確切溫度視樹脂的特征和所用溶劑的揮發(fā)性而定，其中在某種程度上較低溫度為優(yōu)選的。較高溫度使樹脂混合物36較不粘稠，從而使得能夠更好地浸漬并且更均勻地纏繞，但會促進(jìn)溶劑損失并且可促進(jìn)聚酰亞胺樹脂中(例如過早發(fā)生固化反應(yīng)(例如亞胺化反應(yīng))，由此降低樹脂的“適用期”。

樹脂混合物36優(yōu)選地包含溶劑。許多溶劑均可以用以使聚酰亞胺樹脂較不粘稠，包括醇、非質(zhì)子溶劑以及其混合物。pmr聚酰亞胺樹脂通常將包括充當(dāng)溶劑的醇共反應(yīng)物。沸點(diǎn)較低(即較高揮發(fā)性)的溶劑一般更需要，因為其可以更容易在如熱單元48的加熱單元下閃蒸出樹脂浸泡的纖維束42。甲醇和乙醇為優(yōu)選的溶劑。本發(fā)明人已確定在樹脂浴35中加熱p²si635lmpmr聚酰亞胺樹脂混合物36到約40℃到60℃，并且添加甲醇溶劑以將樹脂混合物36的粘度降低到約1000cp，會產(chǎn)生良好樹脂浸漬和均勻長絲纏繞操作。有可能通過添加更多溶劑獲得較低粘度和更好的處理特征。然而，過多溶劑將導(dǎo)致樹脂混合物36中的樹脂固體不足以用樹脂充分浸漬碳纖維束34。使用過高溫度降低樹脂粘度會引起不合需要的副作用，所述副作用會降低聚酰亞胺聚合物基質(zhì)的固化熱量和機(jī)械特性。

樹脂混合物36中如甲醇的溶劑具有與聚酰亞胺樹脂相比較低的沸點(diǎn)。優(yōu)選地，樹脂浸泡的纖維束42在由后續(xù)纖維束繞圈覆蓋之前閃蒸出許多或大多數(shù)溶劑。如上文所論述，加熱構(gòu)件可以包括一或多個輻射加熱器48、管式加熱器、對流加熱器、源自加熱心軸的導(dǎo)熱或其它加熱構(gòu)件。在一個實施例中，管式加熱器包圍樹脂浸泡的纖維束42并且沿纖維束向后朝向樹脂浴35吹氣加熱到約300℉的空氣，并且輻射加熱器會將熱量引導(dǎo)到旋轉(zhuǎn)內(nèi)襯22上。

并非拉拔纖維束穿過潤濕樹脂，干浸漬纖維束(即先前已經(jīng)具有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的樹脂涂布和/或浸漬的纖維)可以環(huán)繞于旋轉(zhuǎn)內(nèi)襯22上，接著在熱和/或壓力下干式固化。酰亞胺化浸漬纖維束可以由首先以如下方式將聚酰亞胺樹脂加工成部分固化的狀態(tài)來制造。將可聚合單體聚酰亞胺樹脂加熱到約300-500℉維持約30分鐘到四個小時之間，以酰亞胺化樹脂，以使得形成具有反應(yīng)性封端的寡聚物。優(yōu)選地，抽取熱量并且將樹脂冷卻，之后寡聚物上的功能性封端劑開始明顯反應(yīng)和交聯(lián)。目前呈固體形式的酰亞胺化聚酰亞胺樹脂接著可以研磨成精細(xì)粉末。這一粉末接著可以靜電方式涂布于纖維或分裂條帶上，接著在再纏繞之前任選地以熱方式熔融到纖維或條帶。

圖3展示與圖2的纖維束纏繞系統(tǒng)類似的浸漬纖維束纏繞系統(tǒng)。纖維卷盤32帶有如上文剛剛所描述制備的部分固化的浸漬纖維束37的供應(yīng)器。替代樹脂浴，浸漬纖維束在施加到旋轉(zhuǎn)內(nèi)襯22之前和/或期間加熱以將先前并入到浸漬纖維束37中的部分固化的聚酰亞胺樹脂軟化，因此使其流動并且有助于凝固。圖3展示可能的加熱技術(shù)的若干變化形式，包括管式加熱器39和輻射加熱器41。其它熱源包括紅外加熱器、熱氣射流以及激光加熱。浸漬纖維束與旋轉(zhuǎn)內(nèi)襯22可以高于聚合物的熔點(diǎn)進(jìn)行加熱以在浸漬纖維束與內(nèi)襯之間實現(xiàn)熔融物/熔融物接觸。旋轉(zhuǎn)內(nèi)襯22可以例如通過輻射加熱器41和/或放置在軸向孔24內(nèi)的通過筒式加熱器(未展示)加熱。單獨(dú)或組合形式的前述加熱器類型中的任一者可用以加熱浸漬纖維束和/或內(nèi)襯，以使得浸漬纖維束與內(nèi)襯實現(xiàn)良好熔融物接觸。經(jīng)軟化并且加熱的浸漬纖維束43以與針對上述潤濕樹脂纖維束纏繞系統(tǒng)所述類似的方式纏繞在內(nèi)襯22周圍。

圖4展示由所述纏繞系統(tǒng)制造的范例槍管14，其包含pmc外殼20，所述pmc外殼逐漸切開以展現(xiàn)多個由圍繞內(nèi)襯22纏繞樹脂浸泡的纖維束42(或經(jīng)加熱的浸漬纖維束43)產(chǎn)生的纏繞層。在所示實施例中，每一纏繞層具有不同螺旋環(huán)繞角。第一層50具有第一環(huán)繞角58，第二層52具有第二環(huán)繞角60，并且第三層54具有第三環(huán)繞角62。層的數(shù)量可以為任何數(shù)量，并且纏繞角和每一層的厚度同樣可以發(fā)生改變。

在另一實施例中，樹脂混合物36(或干燥的部分固化浸漬纖維束37)還包含導(dǎo)熱添加劑粒子。添加劑微粒理論上可以包含任何具有與pmc中的樹脂相比導(dǎo)熱率較高的固體，如金屬、陶瓷或短切瀝青碳纖維。石墨烯片、經(jīng)研磨石墨泡沫或碳納米管還具有良好導(dǎo)熱率。由于金屬的相對低密度、較高導(dǎo)熱率、成本以及固化pmc內(nèi)的其它優(yōu)良屬性的組合，所以其為優(yōu)選的導(dǎo)熱添加劑材料，并且更優(yōu)選為鋁。

如上文所指出，添加明顯量的熱傳導(dǎo)添加劑會不利地增加樹脂混合物36的粘度。舉例來說，石墨烯片呈現(xiàn)極好導(dǎo)熱率，但易于使樹脂混合物不可接受地粘稠。石墨烯片的面積可以(x-y方向)在1與50微米(μm)之間，但厚度僅為約50-100納米(nm)，從而產(chǎn)生接近1000:1的縱橫比。具有此類高縱橫比的粒子會加重折磨上文所論述的聚酰亞胺樹脂的粘度問題。本發(fā)明人已確定并非聚焦于具有最好的導(dǎo)熱率的添加劑材料，替代方法為采用相對于添加劑體表面積添加劑體積達(dá)到最大的材料。這一方法表明添加劑粒子應(yīng)為大致球形的。

在一個實施例中，添加劑粒子為金屬并且具有大體球形的形狀。金屬球包含大致0.2重量％到50重量％的樹脂混合物36(約0.1體積％到25體積％)。在另一實施例中，添加劑粒子本身包含兩個或兩個以上尺寸以更高效地增加復(fù)合物的導(dǎo)熱率，并且對加工特征的影響最小。樹脂混合物36具有至少兩個尺寸的導(dǎo)熱粒子會改良間隙空隙內(nèi)的粒子填充，并且對樹脂粘度的影響較小，并且因此改良熱傳遞特征，同時保持粘度可管理。

圖5展示固化聚合物基質(zhì)復(fù)合物70的一個實施例的放大截面視圖。聚合物基質(zhì)復(fù)合物70可以通過潤濕纏繞樹脂或通過纏繞先前施用于浸漬纖維束的部分固化的樹脂來制造。圖5展示大體彼此平行排列并且由固化樹脂74包圍的個別纖維股線/長絲72的切割端。樹脂74占據(jù)纖維股線72之間的空隙。個別纖維股線大體平行并且直徑為大致3到15微米(μm)。間隙空隙可以在約1微米到約50微米的范圍內(nèi)。在一個實施例中，多個尺寸的熱傳導(dǎo)添加劑粒子，優(yōu)選地球形金屬粒子分布于樹脂74和纖維股線72內(nèi)的間隙空隙中和樹脂74內(nèi)的間隙空隙中。

在所示實施例中，纖維股線72的直徑為大致7μm，并且熱傳導(dǎo)添加劑包含三個尺寸的大致球形的鋁粒子，最小粒子76的直徑為約0.1-1μm，中等粒子78的直徑為約1-3μm，并且大粒子80的直徑為約3-4μm。這些粒度可依據(jù)例如纖維的尺寸而改變。舉例來說，最大粒子可以測量為10μm。大多數(shù)添加劑由小粒子76和中等粒子78組成；明顯較小的部分為大粒子80。通過以此類方式配制和分布導(dǎo)熱添加劑，許多粒子將極為接近或甚至彼此觸碰，并且優(yōu)選地極為接近和/或觸碰相鄰纖維束72，其中較大粒子易于占據(jù)較大間隙空隙并且較小粒子占據(jù)較小空洞，所述空洞先前由在固化過程中揮發(fā)的樹脂混合物36的溶劑或揮發(fā)性部分占據(jù)。熱傳導(dǎo)添加劑粒子的導(dǎo)熱率比樹脂74高，由此制造更能導(dǎo)熱的pmc。通常，多個尺寸的導(dǎo)熱添加劑球占據(jù)較高體積分?jǐn)?shù)的以其它方式存在于pmc中的間隙空隙，從而使外殼20的導(dǎo)熱率較高。

在纏繞潤濕樹脂纖維束42或加熱的浸漬纖維束43之后，復(fù)合物槍管14從夾具47去除并且經(jīng)歷熱和/或壓力以使熱固性聚酰亞胺樹脂完全固化。對于潤濕樹脂系統(tǒng)，視在固化方法開始之前存在的揮發(fā)物的量而定，完全固化可能需要去除約新近纏繞的pmc結(jié)構(gòu)的15質(zhì)量％。一般優(yōu)選地為先前在固化過程中去除揮發(fā)物以使基質(zhì)中的空洞形成減到最小。

與纖維束潤濕或干燥纏繞于內(nèi)襯22無關(guān)，與常見環(huán)氧樹脂基樹脂相比，并入聚酰亞胺樹脂的結(jié)構(gòu)更難以固化。確切地說，在潤濕樹脂應(yīng)用中，難以從纖維樹脂基質(zhì)去除揮發(fā)物而不會產(chǎn)生空洞。當(dāng)聚酰亞胺樹脂用于平坦或大半徑面板時，揮發(fā)物輸送更容易，因為揮發(fā)物可以逃逸到表面的敞開邊緣，和/或更容易在織物層之間遷移。然而，在長絲纏繞應(yīng)用中，這些氣體可以滯留于繼續(xù)繞圈之間。

pmc中的空洞具有不合需要的降低強(qiáng)度、硬度以及導(dǎo)熱率的作用。與固化平坦的經(jīng)浸漬織物薄片相比，當(dāng)固化通過長絲纏繞制造的物品時，甚至更難以獲得令人滿意的結(jié)果。不可滲透的內(nèi)襯22迫使揮發(fā)物以徑向向外遷移穿過多個稠密纏繞層(其中較小部分的揮發(fā)物遷移到槍管14的后膛和槍口18)。另外當(dāng)導(dǎo)熱添加劑存在于樹脂混合物36中時，固化問題可以復(fù)雜化。

根據(jù)一個實施例的固化外殼22如下來制造：首先提供并入pan碳纖維和樹脂混合物36的新近纏繞的槍管，所述樹脂混合物包含p²si635lm聚酰亞胺樹脂和約40重量濃度％的1與5微米之間的大體球形的鋁粒子。在固化之后此類樹脂混合物36的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為約635℉。潤濕纖維束42穿過如上文所述的管式加熱器，接著使用圖2中所描繪之潤濕樹脂系統(tǒng)纏繞于內(nèi)襯22周圍，以按多個纏繞角產(chǎn)生多個纏繞層。接著將新近纏繞的槍管放置于烘箱或高壓釜中并且在一系列階段中固化。

在第一階段中，高壓釜中的溫度逐漸升高，經(jīng)約5到10小時，達(dá)到約350℉。為有助于將揮發(fā)物輸送出pmc，在這一階段期間可以對槍管14施加真空。在第二階段中，烘箱或高壓釜溫度增加到約500-536℉維持2與8小時之間，以價格pmr聚酰亞胺樹脂混合物溶液酰亞胺化，以形成具有反應(yīng)性封端的寡聚物。在這一階段，所有揮發(fā)物基本上從復(fù)合物外殼去除并且寡聚物上的功能性封端劑可以開始反應(yīng)和交聯(lián)。在固化的這一第二階段期間，時間10與400psi之間，優(yōu)選地為約200psi的壓力以有助于凝固。在第三階段中，烘箱或高壓釜內(nèi)的溫度甚至進(jìn)一步升高到約600-700℉優(yōu)選地維持至少四小時，以實現(xiàn)最終固化，即通過與封端劑反應(yīng)酰亞胺化聚酰亞胺實質(zhì)上完成交聯(lián)并且使碳纖維/樹脂混合物基質(zhì)穩(wěn)定。烘箱或高壓釜內(nèi)的總固化時間優(yōu)選地為14-24小時。在第二和第三階段期間高壓釜可以保持加壓。

在冷卻之后，將固化槍管14放置于車床上并且用一或多個如金剛石涂布的研磨和拋光輪的磨料工具研磨到所需加工直徑。對于權(quán)利要求和本說明書來說，“圍繞并且直接接觸內(nèi)襯”的意思是外殼20沿槍管14的軸向長度的至少一部分圍繞并且直接接觸內(nèi)襯22；例如在槍口18、螺紋16或槍管14上的任何其它所需位置可以暴露內(nèi)襯22的一部分。

上述pmc實施例包括玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大于500℉的熱固性聚酰亞胺樹脂混合物，從而允許槍管14的較熱操作。與通常經(jīng)歷約140-400℉的玻璃化轉(zhuǎn)變并且具有相對較低熱穩(wěn)定性的環(huán)氧樹脂基樹脂混合物相比，此類樹脂表明優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。槍管14的結(jié)構(gòu)不僅能夠更好地耐受較高溫度，而且額外益處為較高操作溫度有助于從金屬內(nèi)襯22到周圍大氣的熱傳遞，這是因為外殼20的外表面與氛圍之間的溫差較高。

已根據(jù)相關(guān)法律標(biāo)準(zhǔn)描述前述發(fā)明，因此本說明書本質(zhì)上為示范性而非限制性的。所公開的實施例的變化和修改對所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以變得顯而易見并且屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。