高密度复合材料的制作方法

专利名称：高密度复合材料的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及聚合物及高密度组合物领域。更具体地说，它涉及要求铅的高密度，但不希望有铅毒性的应用中、用作代替铅的材料。此外，本发明的高密度复合材料还可用于需要高密度材料的任何应用领域。
对相关现有技术的描述每年，在美国，陆军、海军、空军、海军陆战队、国家警卫队和预备役训练过程中，要发射大约六亿八千九百万发轻兵器弹药(0.22～0.50口径)。此外能源部每年也要发射1千万发弹药。用于训练发射的弹药由铅锑芯或包在铜合金夹套中的芯组成，应用这些弹药发射后每年会使约2000吨铅进入周围环境。通过从美国到欧洲对陆军、海军、空军、海军陆战队、海岸警卫队及私人轻兵器射击区域进行的研究，已证实对土壤、沉积物、表面水及地下水产生铅污染。在弗吉尼亚州Quantico地区进行的海军陆战队轻兵器射击导致植物生长中铅被吸收，表明铅含量高达23200ppm。而对污染范围的治理已证明是极昂贵的，而且只能暂时解决问题。海军报导，从一条被轻兵器射击小径清除危险废物需二百五十万美元，且每年还需十万美元铅污染监测费。目前，有十六个海军轻兵器射击区域需要改善其危险残留废物污染，预计需三千七百二十万美元。此外，美国陆军分析机构所进行的1995年9月“军需品管辖成本分析”指出，处理一个室外轻兵器射击区域的费用大约为每英亩-十五万美元。近来，根据基地改组及关闭建议，有120个区域要关闭或计划关闭，总计为4185英亩，或共需6亿二千七百万美元。
为了使射击区域保持开放，只能采用仅能暂时解决问题的昂贵清洗方法。这样需要一种无毒、无铅、对环境安全、省钱的射弹芯替代材料，以使射击区域保持开放而又省去昂贵的清洗费用。为了有可靠的相似性能，弹药的密度应接近铅弹的密度。密度较小的材料会降低弹药的射程及穿透力。
此外，由于鸟及其他动物对弹头吸收以及潮湿地区的污染，所以在打鸟时也要慎用铅弹。在美国及其他国家，确实立法禁用铅弹打水鸟。另外，这样的铅代替物或高密度材料还能找到其他方面的应用，例如用作重物，隔音物和防震物，以及在辐射屏蔽方面的应用，包括防护衣、医疗衣及用于核反应器的防护衣。
本发明概述从总的意义上说来，本发明涉及一类材料，它们在看重铅的高密度、但又不希望铅毒性的应用领域，可用作铅的代用品。因此，存在一个特殊领域，即用于需要铅或任何其他高密度材料场合的高密度复合物。
因而，在具体实施方案中，提供一种包含钨粉、纤维及粘结材料的高密度组合物。其中钨占复合物的约5％～95％。在另一实施方案中，钨占复合物的约10％～80％。在其他实施方案中，钨占复合物的约15％～70％。在另外的实施方案中，钨占复合物的约25％～50％。还有一些实施方案中，钨占复合物的约35％～40％。当然，这些是举例性的含量，钨可以占以上列举数字之间的任何百分比，例如约为复合物重量的约5％，6％，7％，8％，9％，12％，14％，16％，20％，21％，22％，23％，24％，26％，28％，30％，32％，34％，36％，38％，42％，44％，46％，48％，52％，54％，56％，58％，60％，62％，64％，66％，68％，72％，74％，76％，78％，82％，84％，86％，或88％。
本发明的另一方面，钨粉的粒度约为直径2～40微米。另一实施方案中，钨粉粒径约为4～8微米。其它实施方案中，钨粉粒径约为20～40微米。当然，这些只是举例说明的数据，实际钨粉可包括粒径约为4，5，6，7，9，10，11，12，14，16，18，21，22，23，24，25，28，30，31，32，33，34，35，36，37，38或39微米的粉末，在某些实施方案中希望钨粉由粒径不同的颗粒组成。而在其他实施方案中，钨粉可由直径均一的颗粒组成。
在本发明具体实施方案中，纤维可是含不锈钢，铜，铝，尼龙，Kevlar，Spectra，镍，玻璃或碳的纤维。更具体地说，纤维是不锈钢纤维。在优选实施方案中，纤维占复合物重量约3％～30％。在另一情况下，纤维占复合物重量的10％～20％。在其它实施方案中，纤维占复合物重量的15％～18％。当然，这些只是举例的数据，实际上纤维可以是这些百分比之间的任何值，例如约为复合物重量的4％，5％，6％，7％，8％，9％，10％，12％，14％，16％，19％，21％，22％，23％，24％，25％，26％，27％，28％或29％。
本发明的另一方面，粘结剂为聚合物粘结剂。具体地说，所述聚合物粘结剂可选自纤维素，氟聚合物，乙烯聚合物内合金弹性体，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，离聚物，尼龙，Polythermide，聚酯弹性体，聚酯砜，聚苯酰胺，聚丙烯，聚偏氟乙烯，或热固性聚脲弹性体。
在更具体实施方案中，聚合物粘结剂是尼龙12和聚酯弹性体。更具体地说，聚合物粘结剂约占复合物重量比的1％～30％。某些方案中聚合物粘结剂的浓度约为2％～20％重量比。还有些情况下聚合物粘结剂约占复合物重量比的5％～15％。或聚合物粘结剂约占复合物重量比的8％～12％。
本发明还提供包含基本金属粉末、纤维及粘结剂的高密度塑料组合物。在具体实施方案中，基本金属粉末可以是锇、铱、铂、铼、钨、金、钽、铑、钯、铊、银、钼、铋、铜、钴、镍、镉、铌及铁。在具体实施方案中，高密度组合物可用作辐射屏蔽材料。在其他具体实施方案中，辐射屏蔽材料是柔性屏蔽材料。在更具体实施方案中，组合物可用作模制重物，钓鱼重物，飞轮或弹头。
本发明的其他目的，特征及优点从下述详细描述中将变得很清楚。然而应该明白，详细描述及具体实施例(它们指出了本发明的优选实施方案)仅是为了举例说明而给出的，因此，从这一详细描述来看，本发明的精神实质及范围内所作的各种改变和改进，对本领域技术熟练人员来说是显而易见的。
附图的简要描述下列附图构成本说明书的一部分，并进一步说明本发明的某些方面。通过参考一个或多个附图，结合这里所作的详细描述，本发明将被更好地理解。

图1所示的是模压钨粉/聚合物粘结剂弯曲试验棒的图像。图2所示的是装在Instron检测机中的三点式弯曲试验固定物和弯曲试验棒的图像。A-支撑鞘；B-带圆柱体状插头的中心柱；C-弯曲试验棒；D-支撑基物。图3表示各种聚合物粘结剂的最大弯曲负载(磅)。图4表示各种聚合物粘结剂的抗弯强度(psi)。图5表示各种聚合物粘结剂的最大弯曲偏移(英寸)。图6表示各种聚合物粘结剂的弯曲模量(psi)。图7表示被拉进Instron拉伸检测机后的断裂拉伸试验棒。图8比较尼龙12/不锈钢纤维复合物，尼龙12复合物，聚酯弹性体复合物及铅的拉伸强度。图9表示尼龙12/不锈钢纤维复合物，尼龙12复合物，聚酯弹性体复合物及铅的断裂伸长。图10表示尼龙12/不锈钢纤维复合物，尼龙12复合物，聚酯弹性体复合物及铅的拉伸模量(ksi)。图11表示检测试样四腔注模模具。A-ASTM D638 I型拉伸棒；B-冲击盘；C-冲击棒；D-ASTM D638 V型拉伸棒。图12表示注模复合材料拉伸试验棒图像。A-拉伸检测后的已断裂拉伸试验棒。图13表示钨粉聚合物粘结剂注模射弹芯(C)，铅射弹芯(B)，及用铜加套的铅射弹芯(A)。图14表示垂直落体压缩冲击试验，该试验对TPP复合材料射弹芯及铅射弹芯的冲击性能提供定性评估。图15表示为比较尼龙12钨粉复合物射弹芯及铅射弹芯进行的垂直落体(落球高度6英寸)冲击试验结果。图16表示为比较尼龙12钨粉复合物射弹芯及铅射弹芯进行的垂直落体(落球高度12英寸)冲击试验结果。图17表示为比较尼龙12钨粉复合物射弹芯及铅射弹芯进行的垂直落体(落球高度18英寸)冲击试验结果。图18表示带有不锈钢纤维的尼龙12钨粉复合物射弹芯的垂直落体(落球高度6英寸)冲击试验结果。
图19表示带有不锈钢纤维的尼龙12钨粉复合物射弹芯的垂直落体(落球高度12英寸)冲击试验结果。
图20表示带有不锈钢纤维的尼龙12钨粉复合物射弹芯的垂直落体(落球高度18英寸)冲击试验结果。
图21表示带有不锈钢纤维的聚酯弹性体(TEXIN 480A)钨粉复合物射弹芯的垂直落体(落球高度6英寸)冲击试验结果。
图22表示带有不锈钢纤维的聚酯弹性体(TEXIN 480A)钨粉复合物射弹芯的垂直落体(落球高度12英寸)冲击试验结果。
图23表示带有不锈钢纤维的聚酯弹性体(TEXIN 480A)钨粉复合物射弹芯的垂直落体(落球高度18英寸)冲击试验结果。
图24表示无毒无铅钓鱼重物样板及其铅对应物。
图25表示模型火车重物。市面供应的铅模型火车所加重物示于左边，而本发明的模压的无铅对应物示于图中央。无铅棒型座示于图的右边。无铅火车重物用钨粉制造，密度11.0g/cc。
图26表示7.62mm射弹芯(弹丸)的设计图。
图27表示7.62mm子弹的设计图。
图28表示7.62mm M80 Nato球弹的设计图。
图29表示7.62mm射弹芯单腔注模的设计图。
图30A、图30B及图30C表示描绘钨/尼龙12复合物及钨/尼龙12/不锈钢复合物的弹丸重量(图30A)，弹丸长度(图30B)及弹丸直径(图30C)的检查结果。
图31表示将本发明射弹射入冲击胶中而形成的暂时性弹孔的穿透深度、长度及高度的说明图。
图32是毒烟测试装置(顶视图)。
实施方案举例说明来自废铅弹的铅，代表环境污染的主要来源，并使射击人及射击区的人们健康处于潜在危险中。留在射击区域室外土路中的铅弹残余物会渗入土中污染地下水。射击区域室内需要强力和昂贵的空气过滤系统以便安全操作，因为当弹头离开枪管时铅已被引入大气中了。也需要改进子弹捕集系统以进行铅收集及循环。射击区域的室外需要经常的土壤治理。
本发明提供可用作铅替代物的组合物，它们的密度相似于或高于铅，且对使用者的毒性非常小。因此本发明的组合物提供了一种新的相对无毒性的高性能金属铅替代物，它们起着将对环境有害的材料变为生态学可接受材料的转变作用。本发明的组合物不仅在弹药制造，而且在任何需用高密度材料的应用中，都是有用的。例如，此材料可用作重物，例如衡器砝码，捕鱼用重物，重轮，飞轮或用于模型中(例如铁轨模型)。其他相似应用包括用作隔音及防震材料。此外，发现此高密度材料可用在辐射屏蔽方面，例如放射疗法及日常X-射线检查，以及放在小空间，例如裂缝内的需要辐射屏蔽料的地方。这里所定义的“高密度”指的是密度接近或大于铅的密度。
如先前所指出的，本发明的组合物可用于所有类型步枪及手枪的实用弹药制造，如果非铅弹也是脆性的，则当跳弹对无辜群体构成危险时它们能发挥作用。脆性无毒弹的应用包括室内/室外发射区域；警察和军队训练及资格考试；商业机构；工业设施；银行；拘留所/监狱；核能厂；化学加工厂；医院；及大学。
本发明的非毒性射弹芯工艺可用于替代铅质猎枪弹(现已被禁用于猎水鸟)。不同于现在用于代替铅弹的钢弹，以钨为基础的枪弹具有与铅弹相似的功能。也使用铋，但此材料不似铅那样致密，这使得它在代替铅弹时并不理想。也可以用根据本发明的非毒性钨配制物来制造步枪弹丸及气枪弹丸。
此外，这些复合物也可制成适用于辐射屏蔽的片状或块状。人们也考虑，本发明的高密度材料也能机加工成为复杂的屏蔽物、住房或装配物。其他的辐射屏蔽应用包括用于制暴露于辐射源人员所穿的衣服。这种致密无毒材料还可配制成柔性的，并发现它们在医疗人员和牙医以及核电力或国防工业涉及人员所用的防护服或其他防护外罩方面有用，并在易磨损的衣物上也有用。铅是柔软、有毒及在结构上很弱的金属，因此在这些应用领域是不合适的。
此材料可注塑或模压成各种形状。用此材料注塑可以大量、低成本制造、利用本发明的高密度材料，采用热固和热塑挤出成型法、热固和热塑拉出成型法、压缩法、离心模塑法、旋转模塑法、吹塑法、铸塑法、压延法、填液热固模塑法或长丝缠绕法，制成各种形状。
本配制物包含作为高密度组分的钨粉。钨粉是相对无毒的，适于商业应用。因为固态金属钨是很硬的材料，且在极高温度(约3410℃，所有金属中的最高熔点)下熔化，使本发明配制物能进行注塑和模压以及其他上述加工法，因而避免了用纯钨加工时会引起的困难。
本发明配制物的一个新颖方面是使用纤维，以生成包含钨粉、聚合物粘结剂及纤维的复合材料。所述纤维可以是不锈钢或其他金属的纤维，例如铜、镍、铌或钛。另一方面，非金属纤维例如玻璃纤维、Kevlar、Spectra、石墨、碳或硼纤维也可用于提高组合物的拉伸强度。通过加入各种纤维(单独一种或者上述多种纤维结合)可提高组合物的物理性能。例如，使用比钢软的纤维如玻璃、纤维素、棉花、镍或铜纤维，在用作射弹时，可减少枪管磨损。
本发明的另一方面使用热固性或热塑性材料作为聚合物粘结剂。可利用各种类型粘结剂以改变复合物的物理性质，例如，从很硬到很软和很柔的各种性能。这里所用的“TPP”指的是钨粉/聚合物粘结剂复合材料。在某些具体实施方案中，粘结剂可以是热熔型胶或热固型胶。在具体实施方案中，热固塑料可包括单一组分，而在其它具体实施方案中，热固塑料可包括多种组分。
组合物的性能通过使用不同粒度的钨粉而予以改变。组合物可包括单一粒度的粉末，或者组合物可以包括具有不同粒度分布的钨粉掺混物。
在某些方面，将相等份数的粒度分布约为2～4微米，约4～8微米及约20-40微米的钨粉与纤维及聚合物粘结剂相混合。例如加入组合物体积约5％的不锈钢纤维以改进其拉伸强度。
如前所述，本发明组合物可用作离子辐射屏蔽物，它相对无毒性并易于使用。在这种情况下，将钨粉与占大部分的双组分固化树脂体系组分，例如环氧树脂相混合。所得的粘度为封泥混合料粘度的混合物，易于贮存直到预备使用。在使用前加入催化剂，并将此混合物彻底搅拌。此后该材料可涂于任何表面，例如裂缝，使之固化。所得的经固化材料可用作辐射屏蔽体系辐射漏缝的补钉等。在其他应用中，此组合物可用作临床辐射屏蔽，例如制成辐射治疗中用的屏蔽物。另一方面，可以使用本发明组合物作为X-射线检查中所用的围裙、手套或其他外罩和屏蔽物。
其他方面，本发明的配制物适用作无铅射弹，它包含粉末材料等(它可以是钨、碳化钨、钨铁合金等等)。此配制物还包含纤维材料，它可以是不锈钢、铜、玻璃、锌等等。此外，所述配制物包含粘结材料，它可以是双组分固化树脂例如环氧树脂，聚氨酯或聚酯树脂，或其他聚合物材料。单组分热固塑料常被空气或湿气引发而固化。
在本发明的某些其他方面，提供了把本发明制品模塑成各种形状物件，包括射弹，弹丸，辐射屏蔽块，具有复杂几何图形的定做的辐射屏蔽物等等的方法。此外还提供把配制物制成可用于裂缝或小洞，以封死辐射通道的腻子状粘稠物的方法。本发明组合物和制造及使用该组合物的方法将更详述于下。金属粉末表1表示被作为高密度组合物中铅替代物的一系列元素金属候选物。从比重大于铅的一系列金属可以看出，钨符合高密度的物理要求。此外，钨的毒性低，这使得它成为选择铅替代物及选择其他高密度材料中的极好金属。
表1可用的候选基本金属和合金金属元素金属比重可用的基本金属锇 22.48铱 22.42铂 21.45铼 20.53钨 19.35金 18.88钽 16.60铪 13.31铑 12.40铷 12.30钯 12.02铊 11.85铅 11.43可用的合金金属银 10.50钼 10.20铋 9.80铜 8.92钴 8.90镍 8.90镉 8.64铌 8.57铁 7.86钨作为铅的替代物的最大优点是，除了它相对无毒外，它的密度很高(19.25g/cc)。因此商业供应的钨粉可与软和轻的无毒金属，如锡和锌混合并压到一起，生成密度如铅高甚至高于铅的铅替代材料。
因此，使用表1中所示的任何金属，将可能生产根据本发明的高密度复合材料。特别优选的是钨，但铋，铜，钴、钽，镍，银等也可使用。
在某些例子中，发现铜作为有用材料具有很多优点。铜是相对无毒的，它广泛用作铅弹的包裹金属而被射击行业普遍接受。固态铜具有适当高的密度8.96g/cc，这是铅密度的约80％。
观察元素周期表可知，密度高于铜的金属(例如银，金，钨，铋)比铜贵得多，从能接受的角度看，它们不可能作为铅的替代物，然而在某些应用场合，本发明的制法及组合物使得用这些材料代替铅和铜变得可能了。最后，铜的高熔点和高沸点使得在射击时或在子弹冲击室外射击区域子弹捕集器钢阻隔物时，有很少的铜会蒸发成为可被呼吸的形态(所谓铜雾)。
处在金属态及粉末状的铜不是严重的污染物，在军事贮备中它被广泛使用。几乎所有的轻兵器弹壳是用黄铜(一种铜与锌的合金)制造的。它的优异润滑性及流动性也使得它被选为轻兵器子弹包裹铅芯的金属。铜的价格较高，这也使得黄铜弹壳经常被粉碎回收和再用。用过的铜弹夹套也有用，作为碎铜而回收及再循环，进一步有助废物再生及保护环境。铜合金，例如黄铜和青铜也能用于制造子弹。这些合金比铜更硬，需在更高温度下压制和在较低温度下烧结。
无毒金属，例如锌和锡也是铅替代物的潜在候选物，但是由于密度小于铜和钨，而使弹头质量小会引起一些问题，例如与商业供应的发射药的相容性，对武器的可靠循环及可靠装填，实际反冲能量及与铅弹弹道的匹配。然而，本发明通过提供制造复合材料的方法而使该材料制得更致密，因而防止了这些问题。比铜更易挥发的金属例如锡及锌，当子弹冲击在钢板上时产生的高温，易使它们生成可被摄取的蒸汽。
金属例如金、银、铂及钯也具有接近或大于铅的密度，因而适用于作为制本发明复合物的材料。这些金属的缺点是昂贵，然而本发明将这些高密度金属与例如尼龙11或尼龙12相混合以便更便宜地制造这些复合物。此外，其非金属组分可以用于与这些已公开的组合物混合，以便以相当低的成本生产所需密度材料。所述非金属成分可包括矿石，例如赤铁矿。
在某些制造弹丸的应用中，使用钨或这里所列的任何其他无毒金属作为组分，可以实现金属粉末的均匀掺混，而这对保证制成一致的弹丸及本发明所述其他制品是必要的。此外，在实在训练射程内，此复合物弹丸在重量及弹道方面与标准球状弹药相匹配，用钨粉作为组分的铅替代物是脆的，但它们比其他金属加载的聚合物弹丸对金属板具有更大的穿透力。金属纤维为了降低成本，和使钨粉/聚合物粘结剂复合材料获得强度，本发明加入较少量体积的金属纤维。本发明人进行了调查以确定适用于射弹芯的金属纤维。金属纤维需具有高强度、高比重以及低成本。调查表明，具有高强度和高比重的最廉价金属纤维是切断的不锈钢纤维。不锈钢纤维易得到。在电磁屏蔽应用中，注塑聚合物树脂中可加入最高达30％体积该纤维。选择由316不锈钢制的长度0.125英寸、粗细为75微米、比重8.0的纤维作为代表性的钨粉/聚合物粘结剂材料的添加剂。在其他具体方案中，表1中所列的任何金属均可制成纤维用于本发明。聚合物粘结剂当钨被选作候选金属粉末后，进行探索以确定用于钨粉的候选聚合物粘结剂。这里所用的“粘结剂”是这样一种材料，它能用于使高密度金属粉及纤维之间产生粘合，因而保持金属与纤维之间的整体性。
表2列出的是考虑可用于与钨粉混合的聚合物粘结剂的性质选择汇总。用于这一系列候选聚合物粘结剂材料的选择标准，包括良好延伸性(高伸长值)、高强度、高模量、高熔融温度、高冲击强度、低吸水性及低成本。发现尼龙6和尼龙6，6树脂具有高吸水值。聚醚砜和聚邻苯二酰胺具有低伸长值，至于纤维素树脂尽管其伸长率也低，但因为它是可生物降解射弹芯材料，故仍留用，在谘询了陆军ARDEC工程师后，确定所有这些候选材料应在化学上能与弹药筒发射药相容。所有这些选择的候选聚合物粘结剂除了热固性弹性体外，均是注塑级的。聚脲热固弹性体是德克萨斯研究所/Austin MDI/Polamine 1000配制物。Polamine聚脲弹性体配制物是将38.02克Dow 2143L(改性二苯基甲烷二异氰酸酯)及150克Polamine 1000(Air Product制的胺封端聚亚丁基醚)与Teledyne C-8钨粉混合(使最终产品的密度为10.33g/cc)而制得的。此材料下文称作“TRI/Austin MDI/Polamine1000配制物”。
表2. 挑选的候选粘结剂性能聚合物 制造者比重 熔点 在263(psi)压 拉伸 伸长 断裂 拉伸 弯曲 切口悬臂梁 浸没24小粘结剂 (级别) (F) 力下的热偏强度率伸长 模量 模量 式冲击强度 时的吸水移温度(F) (psi) (％) (％) (ksi) (ksi) 英尺-磅/英寸 率(％)以纤维 Planet1.29 360 1256,182 ---11338413 1.3 ---素为基 Polymers(PT-础 C300ZT)ECTFEAusimont 1.68 460 1536,600 ---260 ---242 N.B. 0.10氟聚合 (Halar物 5001LC)乙烯共聚 DuPont1.20 365 ---1,200 9 375 ------ --- ---物合金 (ALCRYN弹性体 2070NC)乙烯-乙 DuPont0.95 415 ---2,600 ---800 ---3.7 --- ---酸乙 (ELVAX烯酯 360)离聚体 DuPont0.95 480 ---5,600 ---305 ---79 N.B. ---(Surlyn8220)尼龙6Hoechst 1.13 419 14711,400 ---80435395 1.1 1.70Celenase(2800)聚合物制造者比重 熔点 在263(psi)拉伸伸长 断裂 拉伸 弯曲 切口悬臂梁浸没24小粘结剂(级别) (F)压力下的热强度 率 伸长 模量 模量 式冲击强度时的吸水偏移温度(F) (psi) (％) (％) (ksi) (ksi) 英尺-磅/英寸 率(％)尼龙6,6Hoechst 1.14 495 19011,000 ---300 ---420 2.1 1.50Celanese(1000)尼龙11Atochem 1.04 367 11510,000 ---390 ---170 --- 0.30(BMFO)尼龙12EMS-American 1.01 352 1317,500 20 320 ---126 1.3 0.23(GrilamideL20GHS)聚醚酰 GE(Ultem 1.27 675 39215,200 7 60---480 1.0 0.25亚胺(PEI)1000)聚酯弹 Bayer1.20 385 ---6,000 ---500 1.74.5 ---.---性体 (Texin 480-A)聚酯砜 BASF 1.37 680 ---13,000 ---6.7 380--- 13.00.30(PES) (UltrasonE 1010)聚邻苯 AMOCO1.15 590 24811,000 6 30350380 18.00.68二酰胺 (Amodel(PPA) ET-1001)聚合物 制造者 比重 熔点 在263(psi)压 拉伸 伸长 断裂 拉伸 弯曲 切口悬臂梁浸没24粘结剂 (级别)(F) 力下的热偏强度率 伸长 模量 模量 式冲击强度小时的吸移温度(F) (psi) (％) (％) (ksi) (ksi) 英尺-磅/英寸 水率(％)聚丙烯 AMOCO 0.91 450--- 4,000 9500--- 200 3.4 0.03(ACCTUF3434)聚偏氟 Ausimont1.77 315185 7,500 --- 250200 260 3.0 0.04乙烯 (Hylar 461)(PVDF)热固性 TRIAustin --- ------ 8,000 --- 4602.1 --- --- ---聚脲弹 (MDI/性体 Polamine 1000)
制造射弹、屏蔽装置及这里所述的其他应用方法对本领域技术熟练人员来说是公知的。为了解这些合金在制造弹丸方面的用途，技术人员可参考美国专利5264002，5399187，5189252，4949645及WO9316349，上面提到的每一出版物在这里收作参考文献。美国专利5081786及WO公开号9208346(它们在这里均收作参考文献)描述了由金属合金构成钓鱼诱饵的方法，这些方法可以与本发明组合物相结合而采用。制造辐射屏蔽装置及衣服或其他外罩的方法对本领域技术熟练人员来说是公知的。
下列实施例用于解释本发明的优选具体实施方案。本领域技术熟练人员应明白，在本发明人所阐述技术之后，实施例中所公开的技术起着良好实践本发明的作用，因而可考虑是构成实践本发明的优选模式。然而，考虑到目前所公开的内容，本领域技术人员应明白，在不背离本发明精神实质和范围之下，在所公开的具体实施方案中，仍可以作出许多变动，而且仍能获得相似的结果。
实施例I材料测试材料测试包括以模压钨粉/聚合物粘结剂弯曲试验棒进行三点折弯弯曲试验，以及以注塑钨粉(和不锈钢纤维)聚合物粘结剂拉伸试验测棒进行拉伸试验。弯曲试验用于筛选大量候选聚合物混合物和选择若干注塑用优化材料。进行拉伸试验是为了比较每种候选注塑复合混合物及铅的材料性能。弯曲测试将十一种热塑性聚合物粘结剂在布拉本达混合机中与钨粉连续混合，每种聚合物粘结剂以50％体积比(25cc钨粉与25cc聚合物粘结剂)与钨粉混合。钨粉具有约2～20微米相同粒度分布。将每种钨粉/聚合物粘结剂混合物从布拉本达混合机中取出，并用实验室用研磨机将它研磨成颗粒。然后把每种混合物用水模压机模压成弯曲试验棒。图1表示模压的钨粉/聚合物粘结剂弯曲试验棒的图形。将一种热固聚合物粘结剂(TRI/Austin MDI/Polamine 1000配制物)与钨粉在标准旋转混合机中以50％体积比进行混合，把钨粉热固聚合物粘结剂混合物放在平板压模上。把模子放到水力模压机中，并在闭合压力下于室温使之固化过夜。用弯曲试验棒印模从平板上冲压出弯曲试验棒。所有的弯曲试验棒均具有下列尺寸2.5英寸长×0.5英寸宽×0.125英寸厚，图3给出了所用聚合物粘结剂的平均测定比重。弯曲试验棒的比重为10.00～10.63。
表3压模的钨粉/聚合物粘结剂弯曲试验棒的比重聚合物粘结剂 比重可生物降解的纤维素10.02(Planet Polymers PT-C300ZT)ECTFE氟聚合物 10.63(Ausimont Halar 5001 LC)乙烯共聚物合金弹性体 10.15(DuPont Alcryn 2070NC)乙烯-醋酸乙烯酯弹性体 10.48(DuPont Elvax 360)离聚物(DuPont Surlyn 8220)10.00尼龙11(Atochem BMFO) 10.10尼龙12(EMS Grilamide L20GHS) 10.08聚醚酰亚胺(G.E.Ultem 1000)10.43聚酯热塑性弹性体(Bayer Texin 480-A) 10.43聚丙烯(AMOCO ACCTUF 3434) 10.15聚偏氟乙烯(Ausimont Hylar 461)10.00热固性聚脲10.33(TRI/Austin MDI/Polamine 1000配制物)将表3每种钨粉/聚合物粘结剂混合物的6个压模弯曲试验棒进行三点折弯弯曲测试。图2表示的是安装在Instron检测机中的三点折弯弯曲测试装置和弯曲试验棒。采用改进的ASTM D790标准弯曲试验法，将每个弯曲试验棒一直检测到折断为止。图3～6表示弯曲试验结果。检测结果表明，通过用钨粉与不同聚合物粘结剂混合可以获得范围很宽的抗弯强度，偏移和弯曲模量。弹性的聚合物粘结剂(ALCRYN2070NC，ELVAX 360，TEXIN 480A及聚脲热固性塑料)显示了最高的延展性，最低的抗弯强度和模量，以及最高的弯曲偏移度。高熔融温度聚醚亚酰胺(ULTEM 1000)混合物具有最高抗弯强度和弯曲模量，但显示脆性，其弯曲偏移度低。尼龙12(GRILAMIDE L20GHS)显示除弹性聚合物粘结剂之外的第二高抗弯强度及第二高弯曲偏移度，但具有相当低弯曲模量。因为在冷成形钨粉/聚合物粘结剂射弹芯中，延展性及强度是头等重要的，所以尼龙12(GRILAMIDEL20GHS)及聚酯热塑性弹性体(TEXIN 480A)聚合物粘结剂被选来注模成抗拉棒及射弹芯。拉伸测试在布拉本达混合机中用尼龙12(GRILAMIDE L20GHS)及聚酯热塑性弹性体(TEXIN 480A)树脂制造钨粉/聚合物粘结剂混合物。每种聚合物粘结剂与54％体积钨粉制成700cc混合物。钨粉具有2～20微米的均匀粒度分布。在尼龙12钨粉/聚合物粘结剂材料中加入10％体积的不锈钢纤维，再为每种聚合物粘结剂制造另外700cc混合物。把每种混合物从布拉本达混合机中取出，并用研磨机将它研磨成颗粒。表4列出每种混合物的体积比和重量比。用万能精密模具试验样品四腔模具将每种混合物注模成ASTM D638 V型“狗骨式”拉伸试验棒(2.5英寸长×0.125英寸宽×0.06英寸厚)。图12注模复合物材料拉伸试验棒的图形。
表4拉伸棒复合材料的体积比和重量比GRILAMIDE TEXIN 480AGRILAMIDEL20GHS尼龙12聚酯弹性体带不锈钢纤维的混合物L20GHS尼龙12组分 体积比 重量比 体积比 重量比 体积比 重量比(％)(％)(％) (％)(％)(％)钨粉 54.096.054.0 95.046.088.0聚合物粘结剂 46.04.0 46.0 5.0 44.04.0不锈钢纤维 --- --- --- --- 10.08.0用Instron拉伸测试机检测每种混合物的六个拉伸棒。按ASTM标准D638试验法进行拉伸测试。图7表示被拉入Instron拉伸测试机中后破裂拉伸试验棒的图形。图8～10表示拉伸测试结果。
图8比较复合射弹芯材料与铅的拉伸强度。尼龙12/钨粉/不锈钢纤维复合物的拉伸强度是三种复合材料中最高的。加入不锈钢纤维提高了尼龙12钨粉复合物强度约4.5％，即从6.769升至7.074psi。两种尼龙12复合材料均具有比铅高得多的拉伸强度，而聚酯弹性体复合物的拉伸强度则仅为铅的三分之一。图9比较了断裂伸长值。没有一种复合材料显示出伸长值有铅的50％高。聚酯弹性体复合物显示出测试过的各复合材料中最大伸长值，其值为5.9％。图10表示复合材料相对于铅的拉伸模量。加入不锈钢纤维使尼龙12复合材料的拉伸模量提高了8.6％，即从974升至1058ksi。聚酯弹性体具有极低模量31.5ksi，相比之下铅的模量为2340ksi。
拉伸测试的结果表明，尼龙12复合弹丸具有超强拉伸强度，与铅相比具有相当高的拉伸模量，但比铅的延展性则小得多。在尼龙12复合材料中加入不锈钢纤维，则大大提高了拉伸强度及模量，但延展性则有明显降低。聚酯弹性体是最具延展性的复合材料，但拉伸强度及模量最低。
依据所用聚合物粘结剂的类型，比重为10～11的TPP粘结剂复合物可配制出各种物理性能不同的产物，此外，在钨粉/聚合物粘结剂复合材料中加入纤维，如不锈钢纤维，证明材料的物理性质获得了改进。用钨粉及不锈钢纤维并混入尼龙12及聚酯弹性体聚合物粘结剂，注模出比重为10.2～11.0，长1507.62mm射弹芯。
实施例II模塑射弹材料射弹材料将聚合物粘结剂如尼龙12、聚酯弹性体和聚醚酰亚胺与大小为2～4微米、4～8微米及20～40微米的钨粉相混合，然后进行复合物的物理评估。对给定质量钨粉而言，大粒度比小粒度具有较小的总表面积，因此在聚合物粘结剂中加入较多大粒度粉末可生成更致密的TPP复合物。此外，将纤维，例如不锈钢纤维加至此复合物中。加入纤维的体积比例如为10％、20％和30％。就纤维体积对TPP复合物物理性能的影响进行评估。注模试样可将如上面混合而得的每一种TPP复合材料的试样进行注模。例如使用万能精密模具试样四腔模型注射模具，可制得拉伸及冲击棒的模塑件。看图11。模制形成下列试样1.0.04英寸厚×2.5英寸直径的冲击试验盘；2.0.125英寸×5.0英寸冲击试验棒；3.0.125英寸×0.5 ASTM D638 I型“狗骨”；及4.0.06英寸×0.125 ASTM D638 V型“狗骨”。
图12表示用注模法制的TPP复合物拉伸棒。本发明的制法能用来模塑供拉伸试验用的ASTM D638 I型“狗骨”拉伸棒，并模塑出冲击试验棒以进行悬臂梁式冲击试验。材料性能测试对每种选出的候选TPP复合材料进行材料性能测试以评估所述材料的物理性能，并将其性能与铅进行比较。这些测试是为了用于筛选掉具有不合适物理性能的材料例如比重低、延展性低、抗冲击强度低或抗弯强度低的TPP复合材料。物理性能测试包括对每个候选TPP复合材料测定其比重、进行拉伸及悬臂梁式冲击测试及热膨胀测试。每一材料的平均比重通过测定如上所述注模制成的拉伸棒和冲击棒的质量及体积而计算出。拉伸测试以尼龙12，带10％不锈钢纤维的尼龙12及聚酯弹性体TPP复合材料进行拉伸测试。拉伸测试包括在Instron拉伸测试机中测试每种TPP复合材料的六个ASTM D638 V型拉伸试验棒。图7表示在Instron拉伸机中已断裂的TPP复合材料拉伸试验棒的图形。对每种材料的平均拉伸强度，断裂伸长率及模量进行计算。图8-10表示用于估价每种材料的拉伸性能的代表性拉伸测试结果及这些拉伸性能与铅的比较。热膨胀测试测定每种候选TPP复合材料的热膨胀系数。热膨胀是通过将变形规连接于冲击试验棒而测出的。变形规平行于或垂直于棒的长轴放置，以测定流动模型方向及正交流动模型方向的热膨胀。在控温环境室中进行测试，而且把热电偶连接于棒上以准确测定温度。在测试过程中整个时间内，自动数据获取系统记录下温度及变形值。将TPP复合热膨胀的结果与铜夹套材料热膨胀系数进行比较，以预测因热膨胀差引起的铜夹套施加给TPP复合射弹芯的热应力。铜的热膨胀系数为每百万华氏度约9.2份，钨为2.55，尼龙12为70。利用混合物规则，比重为11.0的钨粉/尼龙12复合物的估算热膨胀系数应是每百万华氏度约33.6份。注模射弹芯制造铜夹套注模金属粉末聚合物粘结剂复合材料射弹芯的一种方法，是把铜夹套放到注模中，并把金属粉末聚合物粘结剂复合材料注入到夹套腔中。第二种(优选的)制造法是先注模成型钨粉/聚合物粘结剂射弹芯，将其插入夹套中，冷却而使芯及夹套形成所需的子弹几何形状。
图29和30是7.62mm射弹芯注模件。由表4所示的每种金属粉末(和不锈钢纤维)聚合物粘结剂复合混合物注模出约50个射弹芯。图13示出注模射弹芯，铅射弹芯及铜夹套的铅射弹芯图形。
可以将单腔7.62mm射弹芯注模改进成多腔模使之能进行TPP复合物射弹芯更经济的大量生产。业已确认，可以使用本发明配制物大量生产射弹芯注模件。这类模具可以有约32个腔。
近来，有将铜夹套在芯上冷成形的方法。该方法适合于本发明组合物，而另一制法是将芯插到铜夹套中之前，将射弹芯加热到高于室温但低于聚合物粘结剂的熔化温度(约100～150℃)。该方法将冷成形工艺改变为热(或温和)成形工艺。因为聚合物粘结剂是热塑性的，在较高温度下它们的可塑性大得多，这使射弹芯更容易成形为最终所需子弹形状。第二种方法是把注模芯变成形状更接近于最终铜夹套子弹的形状。由于TPP复合材料的变形较小使得模塑的射弹芯冷成形为最终铜夹套子弹的形状。
实施例III射弹芯适合于本发明的射弹芯包括(但不限于)例如5.56mm，9mm及0.50口径弹药。7.62mm和0.45口径也适宜。图26～28是7.62mm弹药的设计图，用于设计研究。这些设计研究确定了用作各种类型铅射弹芯替代物的合适的TPP复合材料。
表5表示平均射弹芯重量及比重，表6表示TPP复合物射弹芯平均尺寸测定结果。
表5注模的复合物射弹芯的平均重量及平均比重复合射弹芯材料 平均射弹芯重量(g)平均比重尼龙12-钨粉 5.76 11.0聚酯弹性体-钨粉5.57 10.4尼龙12-带不锈钢纤维的钨粉 5.25 10.2表6复合物射弹芯尺寸测量复合射弹芯材料 平均直径(英寸)平均长度(英寸)尼龙12-钨粉 0.2401.26聚酯弹性体-钨粉0.2421.27尼龙12-带不锈钢纤维的钨粉 0.2411.26抗压测试通过把射弹芯放置于Instron测试机中的平板上而进行，所述测试机与射弹芯朝上的尖端垂直取向。连在机器十字头上的第二块平板使得射弹芯被测试机置于两平板之间挤压。射弹芯被检测至破碎为止。也对铅射弹芯进行抗压测试，与TPP射弹芯进行比较，以每种芯的抗压强度及模量进行比较。
图14表示垂直落体抗压冲击测试，它提供对每种TPP复合材料射弹芯及铅射弹芯耐冲击性的定性评价。射弹芯1放在固定于混凝土楼板3的台子2上。16.5磅重的，栓于绕过滑轮7的缆绳6上的冲击物4从已校正过高度的位置5(分别为6、12及18英寸高)上放下。图15-23表示每种候选TPP复合材料与铅的并列比较图。视觉比较证实被测复合材料的最大抗冲击性。定性评价表明，加入不锈钢纤维大大提高了尼龙12钨粉复合材料的耐冲击性。含有及不含有不锈钢纤维的尼龙12复合材料在每个下落高度表现出与铅射弹芯同样好或更好(形变相同，或更接近原始形状)。铅射弹芯比尼龙12复合材料射弹芯更易变形，但尼龙12芯在更高抗冲击水平下材料有脱落倾向，聚酯弹性体射弹芯在所有下落高度与铅芯一样显示相同的变形，而所有落体高度均使之碎裂。
射弹芯的弹道测试通过从枪管测试速度及压力(ANSI/SAAMI方法)来进行。同时测定室内压力和速度，测定个体值，平均值，个体值间的极大偏差，及标准偏差。也从试验枪管测定准确度，子弹完整性及堵塞，弹药的功能及伤亡情况，穿透性，及温度稳定性。射弹芯测试比较样品注模射弹芯与铅射弹芯的材料性能以进行初步的试验及测试。肉眼观测射弹体部位是否存在任何空穴或孔洞问题。检查过的弹体没有一个出现任何空穴或孔洞。进行尺寸测量，以断定钨粉/聚合物粘结剂复合材料的尺寸稳定性。就每种射弹芯复合材料随机造出射弹芯进行长度及直径测量。表6表示尺寸测定的结果。
注模后，全部三种复合物材料均显示优异尺寸稳定性。直径及长度大小是一致的个体射弹芯之间的差别仅1～2密耳。三种复合材料中的每一种具有相似的直径和长度大小，同时聚酯弹性体比尼龙12复合物具有稍大的尺寸。所有这些材料均显示模件收缩性，比设计图直径0.245英寸，长度1.033英寸要小。这说明，一旦最终选择了复合材料，则射弹芯注模应相应予以调整。测定注模射弹芯的质量和体积，得出每一种复合材料的比重。表5表示候选金属粉末(及纤维)聚合物粘结剂复合物射弹芯的重量及比重。
将11种热塑性可注模聚合物和两种热固性聚合物与钨粉混合制成的射弹芯复合材料，比重为10.0～10.63。依据所采用聚合物粘结剂体系类型，可获得各种各样物理性能。钨粉/聚合物粘结剂复合材料显示出从脆性到高延展性的不同物理性能。复合材料的抗弯强度从509至12990psi，最大弯曲偏移度为0.02～0.46英寸，弯曲模量为16.2～2,531psi。
将不锈钢纤维加到两种钨粉/聚合物粘结剂复合物射弹芯材料中以改善物理性能和降低成本。在聚合物粘结剂中使用46％体积钨粉及10％体积不锈钢纤维，能顺利地将拉伸棒及射弹芯进行注模。
拉伸测试结果表明，尼龙12钨粉复合材料具有用作射弹芯所需的拉伸物理性能。加入不锈钢纤维使尼龙12钨粉复合材料的抗弯强度及模量明显提高。
垂直落体冲击试验定性评价结果表明，含有和不含有不锈钢纤维的尼龙12钨粉复合材料与铅相比，具有相同的或更好的抗冲击强度。含不锈钢纤维的尼龙12钨粉复合材料显示被测试复合材料中最高耐冲击性。
使用标准混合设备及模塑设备，钨粉/聚合物粘结剂复合物和钨粉与不锈钢纤维聚合物粘结剂复合材料都能容易地混合在一起和进行注模，钨粉体积比高达54％和不锈钢纤维比达10％都不会引起混合方面的问题。已模塑射弹芯经肉眼观察表明，表面精饰极好，而且不存在空穴或孔洞问题。虽然未采用正规方法去测定射弹芯的平衡，但将射弹芯剖开肉眼观察表明，其聚合物基体中金属粉末和纤维系均匀分布。
实施例IV钨/尼龙12和钨/尼龙12/不锈钢纤维复合物用作弹丸子弹装配及测试开发两种复合材料用于弹丸部件，以其作为本发明组合物用途的举例说明。这些材料包括钨/尼龙12复合物及钨/尼龙12/不锈钢复合物。不锈钢纤维(0.125″长，75微米直径)用于第二种复合物以便使抗弯强度增大4％，拉伸模量增大8％。制造此材料的方法包括在布拉本达混合机中把每一组分混合，然后把此材料研磨成颗粒。钨/尼龙复合物比起不锈钢复合物被研磨得细得多，不锈钢复合物被研成较粗颗粒这样不致于伤害纤维。一旦将材料混合，把它们放入干燥器中24小时，干燥之后，把此材料装入料斗中并注模成最终形状。用德克萨斯州RoundRock，Gate Mold，Inc.，制的模具模塑成芯。每个弹丸的加工时间约为20秒，如果采用多腔模子，则时间可大大缩短。此外，如果采用热流道体系或阀控浇口模则可消除废物(在流道体系中固化的物质)，大大减少单元成本。然而，这类模具对于为评估所需的有限弹丸数来说是不经济的。
表7候选的射弹材料制造者 名称复合材料德克萨斯研究所无毒材料#1钨/尼龙12德克萨斯研究所无毒材料#2钨/尼龙12/不锈钢射弹芯最初的模塑后质量控制检查产生一些重要发现。用TRI制得的芯证明其在芯长和芯直径方面的极好均匀性。但是，在芯重量方面却有重大偏离。两种复合物的平均重量均低于所需值32±0.3格令(grain)。虽然钨-尼龙12复合物接近该所需值，平均为31.3格令，但钨-尼龙12不锈钢复合物则明显较轻，平均为27.5格令。重量变轻的部分原因是，芯的全长虽然是一致的，约为0.052英寸，但由于模塑后收缩，使之小于推荐长度。如果将不锈钢复合芯模塑成推荐长度，则相应重量应是30.8格令，这更符合要求。然而，主要引起重量偏差的原因是在模塑过程中使用了再研磨材料。再研磨材料来自生产每个部件的模流道中固化的过量材料，然后将这些过量物再研磨，混合，并再引入模塑过程之中。在这一过程中，尼龙的物理性能，如密度，明显改变，便导致最终产品的差异。有关芯的这两个问题(长度及重量)很容易改正。通过改正模腔，可按需要将全长增大。而只使用未用过的尼龙材料，则重量的偏差将会减小或消除。此外，若使用有热流道体系的模子或阀控浇口模具，虽然投资较大，但在模塑过程中会有助于消除所有过剩(废料)物质。然而，如果这些芯循环再用，则将钨及尼龙分开，仅将钨再利用。对两种芯材料的测试结果示于图30A，图30B及图30C中。
表8表示每个样品的平均测出重量和尺寸与芯图所示尺寸的比较。最右栏的评分因子是平均样品尺寸与相应图上(要求)尺寸之间百分偏离的累积总数。因此，记分因子最小，表示其与所需重量及尺寸最相近。
表8芯的尺寸特性材料直径(英寸)*长度(英寸)*重量(克)记分因子要求 0.180 0.510 2.074±0.019平均测量值铅(对比物)0.175 0.5032.06716.8无毒材料#10.181 0.4572.02613.3无毒材料#20.181 0.4591.78924.3*长度和直径以基本尺寸给出。最终构型以芯重量测出。子弹装配在1996年6月，将用上述每种材料制的1000个5.56mm M855射弹芯送至湖城陆军弹药工厂。把这些射弹芯装配进5.56mm弹筒中。装配包括将芯加套，形成子弹，及装入弹夹之中。用近来用于生产M855弹的Waterbary-Farrel子弹装配机(BAM)进行装配。开始时用手送入射弹芯样品，并将BAM调整直到生产出尺寸正确的子弹。将余下的射弹芯放入料斗，并自动送入装配过程中。在整个装配过程中将已装配好的子弹样品随机选出检查其重量和尺寸。
本发明人开发的另一种已投入使用的样品是钨-尼龙复合物，TRI#1。用先前的样品不需对BAM进行调整。此样品操作非常好，符合所有尺寸，而同时不出现送料及装配问题。然后使用TRI#2样品钨-尼龙-不锈钢复合物。仍不需对BAM进行调整，也不引起供料及装配问题。子弹符合所有尺寸要求，但是，TRI#2样品的重量低于要求约3～4格令。
子弹装配完后，对每批随机取样10％进行检查。将子弹称重并对总长度、双尖长度、直径、头部尖拱轮廓、弹壳槽线位置、尖端直径、双尖轮廓，以及尖端和双尖的同轴性进行测定。
TRI#1显示了更高程度的重量偏差。对TRI#1而言，被检查部件的7％重60.2格令，这比最小重量低0.1格令，而TRI#2样品仅5％符合要求。后一样品其余的均低于最小重量，平均为58.2格令，因为在模塑过程中使用了再研磨材料，所以这是预想中的。
全长度测定表明，每种材料的样品有6～21份的长度超过所要求的全长0.0005″～0.005″。另一方面，双尖长度均在政府控制限度内，每一样品存在如对照物一样多的偏差。一般用各种过/不过验规测定其他的尺寸特性，如直径，头部尖拱及双尖轮廓、弹壳槽线位置及尖端直径。在检查中，各样品100％符合头部尖拱形状及弹壳槽线位置的要求。
下表表示全部的重量及尺寸特性。此外，每个表底部所示的记分因子是平均测出尺寸与相应工程图中尺寸之差百分比累积总数。在表9中，尖端与双尖同轴性的平均值被加到这一累积总数中，因为所要求的同轴性为0.0英寸，而不是括号中所示的可接受的最大值。在表4中，在检查过程中仅使用过/不过标准。显示出落入“通不过”之列的每种材料样品的百分数。如前所述，记分因子最小表示与所需重量及尺寸最相近。
表9检查结果尺寸 TRI#1 TRI#2 对比物重量 61.700 58.20062.400(61.8±1.5格令)总长 0.916 0.914 0.908(0.923-0.030英寸)双尖长度 0.106 0.106 0.107(0.110-0.010英寸)点同心度 0.004 0.003 0.004(0.005英寸)双尖同心度 0.001 0.000 0.000(0.003英寸)记分因子 5.06 10.73 5.72表10装配可靠性检查结果超出说明书限度的样品百分数特性 TRI#1 TRI#2对比物直径 31 530.0(0.2245-0.0006英寸)尖顶部轮廓 0.00.0 0.0弹壳槽线位置 0.00.0 0.0(0.485-0.010英寸)点直径 2 3 7(0.040-0.022英寸)双尖轮廓 100100 0.0(0.2245-0.0006英寸)记分因子 1.33 1.56 0.07装入弹筒在最后装入弹筒之前，用每种芯型装填15个弹筒样品以确信在生产装配条件下所选择的充填重量是有效的。这是所有装填操作的标准做法。在开始的预装之后，发现压力和速度高，然后调整装入物重量，而第二次预装表明压力和速度合适了。然后用标准平板装填设备及M855弹壳把所有弹丸装进M855弹筒中。将批号为49924的WC 844发射药用于整个装填操作过程。预装及最后装载重量列于下表中。
表11发射药装载重量发射药WC 844，批号49924底火 批号LC96D 704-435发射药装载重量(格令)射弹 手装第一次预装 第二次(最后)预装TRI#127.5 27.5 27.3TRI#227.3 27.3 27.1对比物 27.2 27.2 未发射装完之后，对所有弹药要进行100％合格保证及重量检查。这包括称每弹重量，测总长，测从头到肩的长度。检查表明，TRI#1复合物没有缺陷。检查TRI#2表明，约50％子弹重量不足，这是因为射弹的重量小。为了进行重量核实，将每种类型的10个子弹也在电子天平上称重。测试程序然后将用铅和复合物TRI#1和TRI#2的每一种所制成的子弹进行一系列测试以评价每种候选材料的内、外及最终弹道性能。在整个第I阶段，将流行的5.56mm M855弹用作评价性能的基线(对照物或参比物)。在三个地区进行检测湖城陆军弹药厂(LCAAP)，海军地面作战中心(Crane)，以及武器工艺装备(AFT)Picatinny兵工厂。LCAAP进行的测试包括电子压力，速度及作用时间(EPVAT)，以及在600码范围内的分散性。这些测试中的每一种均在热(+125°F)，冷(-65°F)及环境(70°F)温度下进行。EPVAT测试用于确定弹丸从枪管发射出去时所遇到的压力以及达到的速度，而分散试验则提供飞行中的稳定性及制造中的均匀性诸方面的真实体现。电子压力、速度及作用时间测试EPVAT测试结果列于表12中。从该试验所获得的数据包括壳口压力，出气口压力(与自动武器气口位置差不多的枪管中点压力)，距枪口78英尺处的速度，以及作用时间(从底火凹槽到达出气口压力峰值的时间)。两种TRI复合物均满足在三种温度的每一种之下的压力、速度及作用时间的要求。人们也感兴趣地注意到，TRI#2(它具有最大的重量偏差)显示与对比样品的速度偏差相似。除了记录压力和速度外，将卷筒状见证纸(每次射击后它即卷动)放在武器前方25英尺处以记录射弹破碎及偏航等所有情况。整个测试表明不存在射弹偏航或不稳定的情况。这表明，此材料在极端温度下的热膨胀及收缩是可以忽略的。此外，TRI复合物不存在射弹/芯破裂情况。
表12EPVAT检测结果CASEMOUTH 速度@样品 压力出气口压力 78′ 作用时间(psi) (psi) (fps) (毫秒)要求环境 55,000(最大) 13,0003,000±403.0(最大)(最小)热/冷＜7,000psi 12,700 ＜250fps与室温平均值的偏差 (最小) 与室温平均值的偏差TRI#1(在每一温度发射20发的平均值)环境49,531 13,861 3,021 0.897热 53,592 14,215 3,103 0.883冷 44,192 13,461 2,880 0.932TRI#2(在每一温度发射20发的平均值)环境46,864 13,752 3,009 0.892热 49,984 14,140 3,089 0.884冷 42,464 13,340 2,860 0.937对照(在每一温度发射20发的平均值)环境48,927 13,584 3,008 0.891热 54,105 13,816 3,101 0.870冷 43,427 13,029 2,866 0.933分散性测试使用M700接收器及两个安装在V型滑道上的准确枪管进行分散性测试。在测试前每根枪管已进行过约1250次射击，并用M855参考弹进行质量鉴定合格。用TRI样品及对比样品，在环境温度、较热(+125°F)温度及较冷(-65°F)温度下，使用该枪管发射到两个记录靶上，每靶10发。在射击前弹药先进行4小时温度调节，气候状况是晴天约53°F，风速每小时3～8英里。枪管经质量鉴定合格，以4种测试样品的每一种进行射击，随后将对比样品进行射击。在每一温度条件下进行这一过程。最后将一批对比样品再发射出去作为最终的检查，以证实在射击过程中未发生设备故障。对M855分散性测试的要求是，对于在600码处射击的30发靶来说，水平及垂直标准偏差必需小于6.0英寸。然而，该测试中由于子弹供给有限，用10发靶而不是30发靶进行射击。然后对每一样品子弹及规范的M855子弹进行比较，以评价每种样品弹性能。射击结束后，将由每种枪管所得的结果分别进行平均(表7～9)，然后综合以得到总平均值。然后用示于表10～12中的这些总平均值作为比较的基础，示于这些表中的记分因子通过计算性能最好者与其他各样品之间的百分差值而确定。这种情况下，性能最好者是被评价项目中显示最小分散性的样品。这些项目包括在三种温度的每一种下的平均半径，水平标准偏离，垂直平均偏离，及极端分散情况。然后将在各温度下所得的结果综合，以定出功能最好者。将在每一温度下计算得出的记分因子(见表19)加上而完成这一工作。然后把每一样品根据其最后得分来排序，记分最低者排在最优位置。人们高兴地注意到，这两个在制造时均显示最大尺寸偏差的TRI样品，却超出了标准M855弹的性能。更重要的是，极端温度(-65°F和+125°F)对样品的性能无明显影响。这表明这种芯的热膨胀和收缩不会对芯、夹套及穿透物之间的装配产生有害影响。
表13600码环境温度分散试验结果样品 发射弹数 平均半径 水平偏差 垂直偏差 极端分散(英寸) (英寸) (英寸) (英寸)TRI#1枪管352420105.56 4.30 5.47 21.85107.38 7.35 4.60 23.70平均值 6.47 5.82 5.03 22.77枪管352723105.01 5.11 2.93 16.25106.44 4.90 5.27 17.35平均值 5.73 5.01 4.10 16.80TRI#2枪管352420107.45 7.28 4.17 22.45106.84 5.58 5.25 20.00平均值 7.15 6.43 4.71 21.22枪管352723106.79 4.43 6.29107.56 4.97 7.09 24.25平均值 7.18 4.70 6.69对比物枪管352420109.82 7.60 8.63 29.55104.86 4.06 4.38 16.30平均值 7.34 5.83 6.49 22.92枪管352723107.27 4.51 7.42 25.15106.72 5.27 6.96 27.95平均值 6.99 4.89 7.19 26.55
表14600码高温(+125°F)分散试验结果样品 发射弹数平均半径 水平偏差 垂直偏差 极端分散(英寸) (英寸) (英寸) (英寸)TRI#1枪管352420108.20 8.61 4.90 30.30109.37 7.31 7.23 24.10平均值 8.78 7.96 6.07 27.20枪管352723105.22 4.09 4.33 14.35105.30 5.42 2.93 17.20平均值 5.26 4.76 3.63 15.77TRI#2枪管3524201010.32 8.29 8.52 30.15105.74 5.07 4.01 15.55平均值 8.03 6.68 6.27 22.85枪管352723104.89 4.05 3.85 15.10105.49 4.71 4.42 10.85平均值 5.19 4.38 4.14 12.97对比物枪管3524201011.64 13.20 7.03 45.651014.64 8.93 15.4446.45平均值 13.14 11.06 11.2346.05枪管352723107.38 7.15 5.00 23.30107.86 6.46 5.97 21.00平均值 7.62 6.80 5.48 22.15
表15600码冷温度(-75°F)分散试验结果样品 发射弹数 平均半径 水平偏差 垂直偏差 极端分散(英寸)(英寸) (英寸)(英寸)TRI#1枪管35242010 8.10 7.38 7.5731.7510 7.90 6.80 6.1022.35平均值8.00 7.09 6.8427.05枪管35272310 7.40 5.73 6.7325.0510 3.72 3.44 2.6010.75平均值5.56 4.59 4.6717.90TRI#2枪管35242010 7.09 5.54 6.0722.7510 5.15 4.67 4.8421.60平均值6.12 5.10 5.4622.17枪管35272310 5.67 3.56 5.7720.3010 6.91 5.38 6.0821.70平均值6.29 4.47 5.9221.00对比物枪管35242010 6.58 6.11 4.1418.8010 7.53 6.24 6.2623.55平均值7.06 6.17 5.2021.17枪管35272310 6.58 3.45 7.1024.5010 8.50 7.20 5.9720.80平均值7.54 5.33 6.5422.65
表16累积的环境温度分散试验结果样品 平均半径水平偏差垂直偏差记分因子(英寸) (英寸) (英寸)TRI#1 6.105.414.56 4.03TRI#2 7.165.565.71 4.59对比物 7.165.366.84 4.82表17累积的高温分散试验结果样品 平均半径水平偏差垂直偏差记分因子(英寸) (英寸) (英寸)TRI#1 7.026.364.853.36TRI#2 6.615.535.203.20对比物 10.38 8.938.355.12表18累积的低温分散试验结果样品平均半径水平偏差垂直偏差记分因子(英寸) (英寸) (英寸)TRI#1 6.795.845.75 3.69TRI#2 6.204.785.69 3.33对比物 7.305.755.84 3.77表19全部的分散性试验结果累积的记分因子样品 环境温度 热 冷 总值排序TRI#1 4.03 3.363.6911.08 2TRI#2 4.59 3.203.3311.12 3对比物 4.82 5.123.7713.71 5最终弹道测试在印第安纳州Crane的海军地面作战中心进行评价加有TRI#1及TRI#2复合物的子弹对于模拟的硬靶及软靶的最终性能测试。这些测试所得结果用于判定候选弹与标准M855弹相比有何缺点或改进。所进行的最终弹道测试包括下列项目软靶1)10米处的20％冲击胶，2)300米处的20％冲击胶，3)300米处汽车玻璃后的20％冲击胶，4)300米处汽车玻璃后(45度倾斜)的20％冲击胶，5)300米处在PASGT马甲后的20％冲击胶硬靶1)对着12.7mm铝板测定R50射程，2)对着3.5mm NATO板测定R50射程，3)1000米处的Kevlar钢盔*4)100米处的8″混凝土块*在50米处用低载弹进行测试。10米处的冲击胶测试用每种样品对距武器10米的20％冲击胶块10进行软靶测试。测试之前，将胶块进行温度调节至50°F 36小时，并用BB穿透标准弹进行校准。该标准指出，速度为595±15fps的0.177口径BB应穿透此胶块1.5±0.25英寸。用于此测试的武器是肩上射击的M16A2-E3步枪。射击的每发子弹速度在距离枪口15英尺处予以记录。射出每发试验弹后，测定暂时性弹孔14的穿透深度11，长度12及高度13。将每一类型有效子弹4个进行发射。如果弹药破碎而整个弹孔均包藏在胶块内，并且不与前一次射击形成的弹孔相连，则此发子弹被认为是有效的。这些测量结果示于图31中。
结果表明，在弹孔尺寸方面TRI#1弹与参考弹M855的性能最相近，而在穿透深度方面TRI#2则最为相近。TRI#1和TRI#2样品的穿透性平均值分别是13.4英寸及12.2英寸。求出穿透深度及弹孔尺寸的总平均值，随后计算出最大总值与其余样品总值之间的百分差值，而确定记分因子。这一方法说明，最大的弹孔尺寸表示最好的功能。
表2010米冲击胶测试结果暂时弹孔样品 发射 15英尺处穿透深度 最大直径 最大深度 记分序号 的速度(fps) (英寸)(英寸)(英寸) 因子TRI#11 3081 13.9 4.28.02 3098 15.4 4.48.23 3080 14.5 5.05.54 3074 9.85.27.3平均3083 13.4 4.77.21.19TRI#21 3041 13.0 5.87.82 3090 10.8 5.47.03 3059 12.5 6.08.74 3025 12.4 6.28.4平均3054 12.2 5.87.91.16铅 1 3073 12.9 5.06.52 3070 9.04.77.03 3085 11.9 5.16.84 3104 12.4 5.08.1平均3083 11.5 4.97.11.28*射弹芯打破胶块后表皮300米处的冲击胶测试此测试的做法与测试10米冲击胶的方法相同，不同之处只是靶距增大到300米。此外，此测试每种类型弹只用三发有效射击，而且射弹速度用WEIBEL多普勒雷达仪测得。测试结果列于下面的表21中。
表21300米冲击胶测试结果暂时性孔洞样品 发射 15英尺处 冲击速度 穿透深度 最大直径 最大深度 记分序号 的速度(fps) (fps) (英寸)(英寸)(英寸) 因子TRI#11 3068 2162 13.2 3.4 8.32 2999 2153 14.5 3.0 5.83 3013 2769 16.3 3.6 7.9平均 3027 2361 14.6 3.3 7.31.11TRI#21 3038 2003 12.0 2.7 8.02 3027 2040 12.0 2.7 8.73 3037 2143 14.5 3.5 5.2平均 3034 2062 12.8 3.0 7.31.21铅 1 3040 2129 15.8 4.0 8.02 3045 2082 16.3 3.5 8.53 3070 2177 15.6 3.8 8.1平均 3052 2129 15.9 3.8 8.21.00经PASGT马甲保护的300米处冲击胶此测试与300米处冲击胶测试法相同，只是加上PASGT Kevlar马甲，此马甲直接位于冲击胶块前方。此测试的结果归纳在下面表22中。在这一测试中，各试验样品弹最大平均穿透深度相当或超过铅射弹芯。
表22用w/PASGT马甲保护的300米处的冲击胶暂时弹孔样品 发射 15英尺处冲击速度 穿透深度 最大直径 最大深度 记分序号 的速度(fps) (fps) (英寸) (英寸)(英寸) 因子TRI#1 1 29762076 12.8 3.4 3.52 29902091 13.8 3.3 4.73 29942097 14.0 4.4 6.4平均29872088 13.5 3.7 4.91.13TRI#2 1 30172102 12.0 2.0 5.02 30282173 13.6 2.0 6.53 30192174 13.0 2.5 8.0平均30212150 12.9 2.2 6.51.17铅 1 30312097 11.0 4.3 4.12 29882053 14.5 4.0 10.63 30012086 13.3 2.7 4.1平均30072079 12.9 3.7 6.31.09300米处带有冲击胶的汽车玻璃(0°倾斜)测试此测试的目的是记录汽车挡风玻璃对子弹完整性及穿透深度的影响。开始时，玻璃位于300米距离处，0°倾斜，或垂直于射击线。该挡风玻璃由单层汽车玻璃组成，厚0.219″。此外，在玻璃之后18英寸处放上冲击胶块。每类弹发射三发有效弹。对这一试验来说，当冲击点与另一子弹冲击点相距不小于2.5英寸，并且暂时性弹孔不与前一发弹所形成的弹孔有任何部分相接触，则该发子弹被认为是有效的。此测试结果归纳于表23中。TRI#1样品达到最大穿透深度，而铅弹比别的样品所产生的弹孔稍大些。人们亦注意到，每类弹的一个或两个射弹在冲击玻璃时发生破碎。冲击胶块中的弹孔则基于这些碎片的冲击。
为进行此测试的第二部分，把汽车玻璃以45度倾斜角(玻璃的顶部与枪口倾斜)再放上。这一测试结果归纳于表24中。在此测试中，TRI#1样品达到最大的穿透深度，紧接着是铅弹。所有被检样品中TRI#1和铅弹产生最大弹孔。此外，在冲击到玻璃时所有被测弹均破碎。有一例TRI#2样品破碎成为许多碎片，以致不能回收。
表23300米处带有冲击胶的汽车玻璃(0°倾斜)暂时弹孔样品 发射 15英尺处 冲击速度 穿透深度 最大直径 最大深度 记分序号 的速度(fps)(fps)(英寸)(英寸)(英寸) 因子TRI#1 1 30112006 11.0 2.5 6.22 30882085 10.4 2.5 8.03 30071997 11.5 2.0 9.0平均 30352029 11.0 2.3 7.71.12TRI#2 1 29952016 8.02.0 6.02 30212023 7.52.5 6.53 30101985 9.32.5 8.5平均 30092008 8.32.3 7.01.34铅 1 29812015 10.4 4.0 8.52 30172055 10.0 3.0 8.03 30582062 12.0 2.5 10.0平均 30192044 10.8 3.2 8.81.03
表24300米处带有冲击胶的汽车玻璃(45°倾斜)暂时弹孔样品发射 15英尺处 冲击速度 穿透深度 最大直径 最大深度 记分序号 的速度(fps) (fps)(英寸) (英寸) (英寸) 因子TRI#1 1 3004 2048 5.23.04.02 3002 2065 6.03.54.53 3042 2057 9.02.76.0平均 3016 2057 6.73.14.8 1.00TRI#2 1 3021 1963 5.02.03.52 3011 2006 4.71.43.53 3019 1996平均 3017 1988 4.81.73.5 1.46铅1 3021 2069 6.04.05.02 3021 2041 5.72.25.03 3028 2056 6.02.45.3平均 3023 2055 5.92.95.1 1.05对着12.7mm铝板R50测试这一测试的装置包括5.56mm准确枪管及安装在V型滑道上的Remington M700接收器。靶板以与武器成零度倾斜被牢固安装上。也用多普勒雷达跟踪系统来记录射弹速度、加速度及从枪口到靶的飞行时间。为进行此测试，采用陆军穿透标准指出靶板的任何破裂定义为完全穿透。起初的结果表明，所有样品均使位于350米处的靶被完全穿透(CP)，因此将靶安放在355米处。在这一射程，TRI#1样品的5发射出弹获得了5个CP，而M855弹的6发射出弹只获得3个CP。然后把靶后移至360米处。在这一射程，TRI#2样品在发射4发之后未能获得CP。TRI#1样品的6发射出弹均获得CP。然后将靶板后移至365米处，在这里TRI#1的6发射出弹获得2个CP。基于这些结果，测定出每个样品的R50射程。TRI#2及M855弹各获得355米的R50射程。TRI#1样品具有最大的R50，即363米。对每个样品也测出枪口速度及V50速度(在R50射程的冲击速度)这一测试结果示于下面表25中。通过计算最远的R50射程(对TRI#1样品来说是363米)与其他每个样品的R50射程之间的百分差而求出记分因子列于表右侧一栏。如前面的一些表一样，记分因子越小表示性能越好。
表25对12.7毫米铝板的R50样品枪口速度V50速度R50射程记分因子(fps) (fps) (米)TRI#1 3047 19633631.00TRI#2 3056 19103551.02铅3060 20043551.02对着3.5mm中碳钢板R50测试用于这一测试的装置及设备与用于先前对着铝板的测试相同。开始把靶板放在距武器600米处。然后将弹装上并进行单一发射。每次发射后，检查靶子，并断定这一发有效还是无效。要被认为有效，应射中靶板，从板的最近的孔、支持物或边缘算起相距不小于1英寸。对每一有效射击来说，应评出完全穿透或部分穿透。每一样品均重复这一过程，射击试验弹后，增大靶的射程直到确定R50射程为止。此外，计算最远R50射程与其他每个样品的R50射程之间的百分差而求出记分因子列于表右边一栏。如前面的一些表一样，记分因子越小表示性能越好。
表26对3.5毫米中碳钢板的R50样品R50射程记分因子TRI#1710m1.25TRI#2620m1.43铅 680m1.30混凝土块穿透性测试此测试的目的是比较射进离武器50米处的混凝土块中时各试验弹的穿透性能。靶子由牢固固定于靶平台顶部的常规2芯混凝土块组成。混凝土块由位于此块上面的″钢架使之固定不动，并栓在平台上。每种弹发射6个有效弹(每个混凝土块发射2个)。如果发射弹冲击先前未被射击中的芯，而且子弹离混凝土块边缘或中心大于1.5英寸，则此次射击被认为是有效的。每一测试弹样品均完全穿透靶子的前壁。完全穿透混凝土块的射弹只有标准铅弹；已射击的6发中有2发达到完全穿透。平均来说，TRI#2样品杀伤力最小。1000米处的Kevlar钢盔穿透性试验进行这一测试比较1000米射程处向衬有Kevlar的作战钢盔射击时，被试验射弹与标准弹的性能。但试验时，将靶子放在50米的缩短射程内，以增大击中可能性，和减少为进行这一测试所需的弹药数。然后将子弹减载以50米射程处模拟1000米处速度。业已测出，5.56mmM855型子弹具有约261mps(即856fps)的剩余速度。为获得这一速度，弹壳装上3.8格令Bullseye火药。然而，由于推进剂用量减少所导致的自由空间增大，射弹速度显示比标准弹稍大的变化。每一种弹向钢盔发射五发有效弹。向钢盔的前部、顶部、后部、左侧及右侧各发射每种样品一发。每一样品的冲击速度在所希望的261mps速度的3.5％之内。总的来说，TRI#1和TRI#2样品获得了最好的结果，从5个方向均穿透钢盔。另一方面，铅弹虽然所有的冲击速度均在所希望速度的3.5％之内，但是仅5发中的3发能够穿透。
表271000米处Kevlar钢盔的穿透性样品弹着点枪口速度冲击速度 完全穿透(mps) (mps)TRI#1顶部281271是背部265254是右侧266253是左侧252243是前部272260是平均267256TRI#2顶部277268是背部278268是右侧262252是左侧292278是前部270260是平均276265铅 顶部280270是背部276265是右侧268260否左侧279267是前部262252否平均273263软回收试验进行这一试验以便在射入模拟靶垒后获得射弹状况的情报。这种情况下，靶垒由位于距射手100米处的沙袋组成。在沙袋后面放一个取证用信号板以断定射弹是否完全穿透沙袋。射入靶垒15～20发后，把沙筛出，回收射弹碎片并拍照。每一被测样品均使用新的沙袋。
在冲击之后，TRI#1和TRI#2芯不呈现相同破碎程度。该射弹芯主要从夹套内及夹套外飞出的片回收，所有样品中的TRI#2芯显示出最低破碎性能。当弹仍完整时回收这些弹的若干样品。
铅射弹碎片主要由夹套片及与TRI#1碎片很相似的厚铅块组成。下表表示每种类型七个最大的回收芯碎片的平均重量。所有被检样品中TRI#2射弹平均保留最大质量。虽然此试验在严格控制条件下以有限数量的子弹数来进行，但是这一试验表明此材料如何易于回收再利用。回收射弹碎片的质量比较示于表28之中。
表28回收射弹碎片的平均质量(格令)样品回收碎片的平均质量(格令)记分因子TRI#1 29.41.68TRI#2 49.41.00铅37.91.31毒烟测试毒烟测试在ARDEC军械工艺设备厂进行。此试验测定射击时从弹壳产生的气态和颗粒状散发物。为进行此测试，把一支M16A2步枪固定在密闭室中的硬台上。使用5个子弹样品的每一个进行5次射击试验。在每次试验中，将30发弹药装入弹仓，以十三发点射进行发射，每个点射之间相隔3～5秒。在发射过程中，每次试验发射之后，监测气体及金属的浓度，时间为30分钟。取样点位于射击目标盘的左、右6英寸处，并正对射击目标盘后。示于图32中的位置用以模拟射击时枪手的头的位置。然后将颗粒浓度与全美政府工业卫生大会确定的最大阈限值(MTLV)进行比较。
最初的分析数据显示了一些重大发现。首先，四个测试弹样品每一个产生的铅散发物降低到标准军用弹的约一半。铅的MTLV为0.05mg/m3。结果表明，来自军用弹的铅浓度平均约为0.5mg/m3，即为MTLV的十倍。来自试验弹的浓度平均约为0.25mg/m3。虽然这仍超出MTLV，但已明显降低。此外，作为用在TRI样品中的尼龙的主要组分二氧化硅，其检出浓度小于MTLV的1％。实验室的数据也表明，每个样品的二氧化硫、铁及镍的浓度远低于MTLV值。由能源部橡树岭国家实验室(ORNL)进行的无铅射弹芯材料评估这一工作的目的是详细评估被建议用作射弹芯的无毒材料的性能、成形能力及稳定。在ORNL进行了实验室研究以肯定此报告中所述的较大规模制造和测试工作。对硬度、弹性及化学相容性这些内容均进行了测定。下面是此研究结果的总结。机械性能在挤压下测试每一样品的强度、模量及弹性。在芯材料的端部以0.02英寸/分钟的速度施加负载。记录负载与偏移的关系数据，也记录材料的变形和破碎情况。然后在布氏B硬度试验仪中，使用落锤技术以大直径球测定硬度。每个材料三个样品在其抛光横切面上进行四次测量，然后将十二个数值平均。计算出的机械性能如下表所示。
表29无铅材料的机械性能总结样品 密度 压缩强度 压缩模量 硬度(g/cc) (ksi) (Msi) (Brinell B)TRI#110.35+0.81 10.09+0.02 1.01+0.12165.7+50.2TRI#2 8.80+1.139.74+0.41 0.79+0.08145.8+39.1Pb-6％Sb*10.9 4.1 4.0 90(左右)*使用参照材料除了这些测试外，也研究了在不同压力下把所述材料压制成更大直径物体的效果。在50、60及75ksi的压力下，把每种材料的三个试样压成直径0.224″。挤压前每个样品进行称重和测量。把部件插入模中，并对样品的两端施加负载。负载施加至冲击移动停止为止，并维持5秒钟。当负载移去后，马上把部件取出、称重及测量。四星期后再对样品进行测量，以评估材料的弹性响应对时间的依赖性。在四个星期内，TRI#1样品的直径膨胀了0.02～0.04英寸，而TRI#2样品的直径增大约0.02英寸。
表30再压缩密度样品密度(50Ksi) 密度(60Ksi) 密度(75Ksi)(g/cc) (g/cc) (g/cc)TRI#110.36+0.36 10.55+0.28 10.43+0.17TRI#28.57+0.31 9.02+0.31 8.51+0.58化学相容性将芯样品暴露于化学品中，这些化学品是在制造、操作及加工过程中很可能遇到的。它们包括水、丙酮、异丙醇及乙酸乙酯。芯暴露之前，将单个芯称重、测量及肉眼观察。然后将样品放到一个含10ml溶剂的15ml Nalgene瓶中。浸泡24小时后，把样品取出、干燥、称重及肉眼观察。然后将样品很快再浸4天，此后把样品再称重和观察。总的来说，在重量变化及表面结构方面，溶剂对TRI#1及TRI#2影响很小。化学相容性试验的总结在下面提供。
表31化学相容性测试结果丙酮样品 初始重量 重量(24小时) 重量(5天) 重量变化 表面变化(克) (克)(克) (克)TRI#1 2.048 2.048 2.048 0.0 无变化TRI#2 1.811 1.811 1.811 0.0 无变化乙酸乙酯样品 初始重量 重量(24小时) 重量(5天) 重量变化 表面变化(克) (克)(克) (克)TRI#1 2.013 2.014 2.013 0.0 略退色TRI#2 1.775 1.775 1.776 +0.001 无变化异丙醇样品 初始重量 重量(24小时) 重量(5天) 重量变化 表面变化(克) (克)(克) (克)TRI#1 1.918 1.919 1.920 +0.002 表面被洗去TRI#2 1.849 1.849 1.849 0.0 无变化水样品 初始重量 重量(24小时) 重量(5天) 重量变化 表面变化(克) (克)(克)(克)TRI#1 2.016 2.015 2.016 0.0 无变化TRI#2 1.832 1.831 1.832 0.0 无变化结论及建议根据应用中的实际要求或根据具体试验的最佳综合性能对射弹的性能作了评估，针对试验各候选物给出记分因子。由于因发射药装填减少(它会影响最终性能)导致射弹速度变化，所以对Kevlar钢盔穿透性试验未给出记分因子。测试结束后，将分数加合到一起，列于下表中。第一个表提供了芯及装配的射弹尺寸均匀性与说明书中尺寸要求的比较。第二个表表示每一候选物的弹道性能比较。一般来说，弹道性能的最优者具有最小的分散性，或者在软靶损坏或硬靶穿透方面产生最大效果。
基于所进行的测试及所采用的记分方法，TRI#1钨-尼龙12复合物是可接受的铅、锑代替物。任何进一步的工作可以扩展已进行的测试，可以包括粗操作、武器相容性及枪管腐蚀测试等。
标准TRI#1 TRI#2 对比物芯尺寸 13.324.3 16.8子弹检查5.0610.735.72子弹检查(装配可靠性)1.331.56 0.07总值(尺寸) 19.69 36.5922.59表32最终记分及排序标准 TRI#1TRI#2对比物分散性 11.0811.1213.71冲击胶@10m 1.19 1.16 1.28冲击胶@300m1.11 1.21 1.00冲击胶/PASGT马甲 1.13 1.17 1.09冲击胶/汽车玻璃1.12 1.34 1.03冲击胶/汽车玻璃(45)1.00 1.46 1.05R50铝板1.00 1.02 1.02R50钢板1.25 1.43 1.30回收 1.68 1.00 1.31总值(弹道学) 20.5620.9122.79
实施例V混合的方法两种生产方法可用于高密度复合材料的生产，即间歇法和连续法。间歇法使用布拉本达或班布里型间歇混合机，而连续法使用单螺杆或双螺杆混合-挤出机。用于生产钨粉/尼龙12复合材料的每种混合方法叙述于后。间歇混合法此法的第一步是制造粒度为2～40微米的钨粉混合物。然后制造长度为0.125英寸、直径为75微米的不锈钢纤维，制造粒度为0～80微米的尼龙12细粉末。
将布拉本达或班布里间歇混合机加热到尼龙12的熔化温度(480华氏度)，并把已称重的尼龙12粉送入间歇混合机中并使之融化。在此期间把钨粉混合物及不锈钢纤维加热到华氏480度。
把已称重的钨粉混合物逐渐加到置于间歇混合机中的尼龙12材料中，直到达到所需的材料混合比例为止。然后，把已称重的不锈钢纤维逐渐加到置于间歇混合机中的钨粉/尼龙12混合物中，直到达到所需的高密度复合材料混合比例为止。
把熔融的高密度复合材料送入螺杆挤出机中，从挤出机把高密度复合材料以细直径棒挤出到骤冷水浴中。把已冷却固化的高密度复合材料挤出棒从骤冷浴送到造粒机中，后者将挤出的高密度复合材料棒切成小粒。小粒适用于将该组合物采用注模法或模塑的其它方法制成各种形状。连续混合法根据上述间歇混合法所作的说明，制造出钨粉、不锈钢纤维及尼龙12粉末。
把单螺杆或双螺杆连续混合-挤出机加热到尼龙12的熔化温度(华氏480度)。把钨粉混合物及不锈钢纤维加热到华氏480度。
把已计量的尼龙12粉及钨粉混合物送入连续混合-挤出机的前端。把已计量的钨粉混合物及不锈钢纤维加到连续混合-挤出机的位于混合机物流下方的一个或多个加料口中，直到达到所需的高密度复合材料混合比为止。
把该高密度复合材料从混合-挤出机中挤成细直径棒挤入骤冷水浴中。从骤冷浴把已冷却固化的高密度复合材料挤出棒送到造粒机中，后者把挤出的高密度复合材料棒切成粒。
实施例VI用于娱乐的钨复合物钓鱼器物各种钓鱼器中目前均使用各种铅沉块。本发明的这一应用从商业观点看是理想的，因为铅对野生生物以及湖、河和小溪有毒性。大多数沉块重约1/32～1/2盎司，传统上用铅制造，沉块的其它组成物包括黄铜、钢及铁粉/聚合物复合物。然而，这些混合料存在密度较小的缺点，因而对被诱物产生很大视觉形象，这会对鱼产生警示。钓鱼方面的应用例如包括振动头，蚯蚓重物，曲轴箱重物，散射弹，加重钩，振动匙，诱饵步行器及底部弹起器。本发明人用钨粉/尼龙12复合物制造了振动头及蚯蚓重物。这些比重约为11.0g/cc的重物示于图24中。业余消遣应用业余消遣应用代表本发明组合物的进一步应用。例如，模型火车引擎取决于拥有最大的引擎重量以防止车轮滑动。这些引擎按比例制造，但这些小模型中的空间是有限的，因此高密度材料对按模型比例获得所需总重量是很重要的。用这一材料模塑的引擎框是一种应用。此外，用本发明材料制的“加填”重物不仅能在模型火车引擎中应用，也可在牵引车中应用。图25是市面供应的带有无铅重物的铅制模型火车填加重物，此重物用钨粉/尼龙制造，密度约11.0g/cc。
实施例VII钨复合物的其他应用辐射屏蔽物钨是优异的辐射屏蔽材料，但它难于以固态形状工作。本发明的可注模铅替代物可解决此问题，因为此材料可用于制成所有医用X-射线及伽马射线设备制造所用的辐射屏蔽部件。与铅相比，此高密度材料具有比铅结构强度高的优点。此外，此材料可用于制造供辐射工业工人使用的防止离子辐射作用的防护服。聚合物片状材料的试验将钨复合材料的片材放在带有6片最厚为0.25英寸的不同厚度铅片的X-射线胶片上。将本发明样品与0.125英寸厚的铅片相比。将样品进行辐照，把胶片显影并评价此样品防止胶片雾化的能力。
在一个例子中，厚0.250英寸，包含上述尼龙12/聚合物混合物的材料，具有与厚0.150英寸铅片相当的屏蔽能力。在另一例子中，厚0.50英寸，包含上述带有不锈钢纤维的尼龙12样品产生与0.187英寸铅片相当的屏蔽能力。第三个例子是0.375英寸厚，柔软形状，具有与约0.94～0.125英寸铅片相当的屏蔽能力。
在另一测试中，检测了本发明复合物样品作为辐射屏蔽组分的机械性能。样品A1是钨/尼龙12未辐射过的复合物；样品A2是钨/尼龙12，已用38400伦琴辐射过的复合物；样品B1是钨/尼龙12/不锈钢纤维，未辐射过的复合物，而样品B2是钨/尼龙12/不锈钢纤维已用38400伦琴辐射过的复合物。
在检测之前，将样品A1、A2、B1及B2在25℃及50％相对湿度环境下调理48小时。然后用横向对比法在万用检测机中对样品进行检测。结果列于表33中。
表33A1 B1 A2B2射击数L6-67322L6-67324L6-67323 L6-67325拉伸强度(psi) 6,306 7,257 7,088 7,698屈服强度(psi) 5,517 * 6,694 *伸长-0.5英寸(％)～1.0 ～0.5 ～1.0 ～0.5*在达到屈服点前样品破裂封泥在另一例子中，用活化器将聚氨酯树脂封泥与钨粉混合，封泥固化，形成柔软材料。此封泥的代表性配制物包含2100克钨粉(比重＝19.35)，而钨粉掺混在300克Techthane 425聚氨酯预聚物(比重＝1.11)中。最终混合物的比重约为6.3。将100克封泥与10克Ethacure300固化剂混合供使用，并使之在室温固化。
其他热固性材料包括列在下面表34和表35中的那些。表34列出了可与本发明钨粉组合物填混的热塑性材料。表35列出了用于本发明的热固性材料例子。
表34能用于本发明复合物中的热塑性材料丙烯酸类 聚甲基丙烯酸甲酯缩醛的均聚物和共聚物 聚甲醛丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 Monsanto，Dow Chemical，Borg Warnar Chemicals商品名，主要供应者热塑性氟聚合物Coflon(聚偏氟乙烯)离聚物Surlyn杜邦产品，商品名聚酰胺Nylons聚酰胺-酰亚胺 芳族二胺与1，2，4-苯三酸酐的缩合产物聚丙烯酸酯聚甲基丙烯酸羟乙酯聚醚酮Amoco Performance产品聚芳砜Amoco Performance产品聚苯并咪唑Hoechst Celanese聚碳酸酯 Lexan G.E.制造聚对苯二甲酸丁二醇酯 Valox G.E.制造聚醚酰亚胺General Electric Company聚醚砜ICI高级材料热塑性聚酰亚胺Ciba Geigy Corporation热塑性聚氨酯 Estane Line B.F.Goodrich，Texin Line Bayer聚苯硫醚 Ryton，Phillips Petroleum聚乙烯超高分子量及低分子量Hoechst Celanese聚丙烯Phillips Petroleum聚砜 Amoco Performance产品聚氯乙烯 B.F.Goodrich苯乙烯-丙烯腈 Dow Chemical聚苯乙烯 Mobil聚苯醚掺合物 Borg Wamer Chemicals苯乙烯-马来酸酐 Arco Chemical Company聚碳酸酯 General Electric Company
表35可用于本发明复合物中的热固性材料烯丙基类 Osaka Soda Company胺类 American Cyanamid氰酸酯类 Dow Chemical环氧类 双酚A型环氧类及丙烯酸酯改性的环氧类，带有脂族和芳族胺固化剂Ciba Geigy and Shell苯酚类 Resole and Novalacs Occidental Chemical不饱和聚酯类 Ashland Chemical双马来酰亚胺类 Ciba Geigy聚氨酸类 聚醚和聚酯聚氨酯类聚硅氧烷类Dow Corning Corporation乙烯基酯类 Ashland Chemical Corporation氨酯杂化物 氨酯丙烯酸酯类及氨酯环氧类使用带有热固性环氧树脂的钨粉的具体例子如下。在烧杯中称出27.7克钨粉，放在一边。随后在另一容器中称出5.0克丙烯酸类改性环氧树脂Epon 8111，并于其中立即加入0.5克Shell Epi-Cure3271。然后，将已混合的环氧树脂及固化剂加至27.7克Teledyne C-8钨粉中。把钨粉及环氧树脂用手混合，放入两个泰氟隆片之间，并使之固化过夜，制得钨粉环氧树脂柔软样品。泡沫体用本发明组合物也可制造聚氨酯刚性泡沫体。泡沫体制造如下将238克Teledyne C8钨粉加至109.9克Premium Polymer 475-20B组分中，并把混合物搅拌。随后，把120克Premium Polymer 475-20A组分加入，并把此淤浆搅拌约20秒钟。将淤浆放入容器中。它在两分钟内迅速膨胀，并且可自由拼接。钨粉均匀分散在泡沫体中。可以想像到，此泡沫体可用于在别处已定义有粘结能力的地方。此高密度泡沫材料在隔音防振、辐射屏蔽等等方面有用处。淤浆在某些实施方案中，本发明组合物可用于制造高密度、低粘度淤浆。这种淤浆如目前使用汞一样用于深潜援救容器或遥控操作车辆的倾斜体系。
在现行体系中，汞在两个球形室之间移动以使左舷或右舷倾斜，或改变浮力中心与重心之间的距离。这类容器倾斜体系包括将约2800磅汞在储舱(它较低，并横跨船中心)与左右舷翼罐(位于水平面上45°，尽可能远的船外舷之间移动。所有的罐均是球形的并装有隔板，而隔板被液压液体驱动而使汞转移。这些球形罐位于中心和船尾人活动范围之间并非常靠近中心)，其表面及结构箍作为人用压力小室的船尾支持物。这些罐用1.25英寸外径不锈钢管连接、汞能以45秒时间在储舱与翼罐之间转移，这表明其流速约为25gpm。
当设计这些体系时，认为汞是这种重量调整的理想液体，然而，由于汞的毒性为此用途是极危险的。因此需要替代物。美国专利5349915(这里把它收作参考文献)介绍了把液压管中的钨球作为深潜重量介质。
本发明组合物提供了一种高密度复合物，后者可用作平衡和倾斜体系的重量介质。这些组合物可成形为包含溶剂、悬浮剂、表面活性剂及润滑剂的高密度淤浆。本发明高密度材料可形成高密度球或淤浆中的粉状混合物。
选择的溶剂可以是全氟聚醚，其他例子包括蓖麻油、磷酸三甲苯酯、聚氧丙烯醚二醇类、聚甲基苯基硅氧烷、氟代聚硅氧烷、parathermNF、therminol、dynalene、tribolube F-219、全氟烃类、fomalin1818全氟聚醚、Voranol 5070全氟聚醚、Voranol全氟聚醚5004，及Voranol全氟聚醚2004。这些液体有良好粘度、相容性及挥发性，与不锈钢、钨、泰氟隆、合成橡胶及维顿氟橡胶相容。
所选择的表面活性剂可以是阴离子型、阳离子型或非离子型。也可采用硅表面活性剂和氟硅氧烷表面活性剂。本发明的钨复合物可以是粉末状或球状。钨粉或钨球可以制成聚合物胶囊以降低淤浆中的摩擦。脲-甲醛乳液、二醇类及嘧胺-甲醛组合物是良好胶囊包封材料候选物。
现就淤浆举例说明，将700克钨粉(2-4微米)与100克60wt马达油(比重1.1)及800克镇重材料1(比重6.3)相混合。在另一实施方案中，350克钨粉(8-10微米)与50克80-100wt齿轮箱油(比重1.1)及400克镇重物2(比重6.3)相掺混。
就本发明公开的内容而言，本文所描述和要求保护的所有组合物和制备方法，可以不作过多的实验而进行制造和实施。尽管本发明的组合物及制法已用优选具体实施例作了描述，但本领域技术人员应明白，在不背离本发明的内容、精神实质及范围的情况下，这里所述的组合物、制法、工序或步骤顺序可以予以改变。更具体地说，人们将明白，某些与化学和生理学相关的试剂可用来取代这里所述的试剂，而仍会获得相同或相似结果。所有这些相似的代替和改性方法，对本领域技术人员均属显而易见，相信其应落入本发明的精神，范围及原理之中。
参考文献下列资料特别用作本文参考文献，这些参考资料对本文所述内容提供典型示范作用或详细补充。
美国专利5189252PCT申请WO92/08346美国专利5081786美国专利3546769美国专利4428295美国专利5399187《Shooting Sportman(射击运动员)》，7月/8月，1995，pp.9-12英国专利申请，GB 2179664A。
权利要求
1.一种高密度组合物料，它包含a.钨粉，b.纤维，c.粘结剂。
2.根据权利要求1的组合物，其中钨占复合物重量的约5～95％。
3.根据权利要求2的组合物，其中钨占复合物重量的约10％～80％。
4.根据权利要求3的组合物，其中钨占复合物重量的约15％～70％。
5.根据权利要求4的组合物，其中钨占复合物重量的约25％～50％。
6.根据权利要求5的组合物，其中钨占复合物重量的约35％～40％。
7.根据权利要求1的组合物，其中钨粉的直径约为2～40微米。
8.根据权利要求7的组合物，其中钨粉的直径约为4～8微米。
9.根据权利要求7的组合物，其中钨粉的直径约为20～40微米。
10.根据权利要求1的组合物，其中所述纤维包括不锈钢、铜、铝、尼龙、Kevlar、Spectra、镍、玻璃或碳纤维。
11.根据权利要求10的组合物，其中纤维是不锈钢纤维。
12.根据权利要求11的组合物，其中纤维占复合物重量的约3％～30％。
13.根据权利要求12的组合物，其中纤维占复合物重量的约10％～20％。
14.根据权利要求13的组合物，其中纤维占复合物重量的约15％～18％。
15.根据权利要求8的组合物，其中粘结剂是聚合物粘结剂。
16.根据权利要求15的组合物，其中聚合物粘结剂包括纤维素、氟-聚合物、乙烯共聚物合金弹性体、乙烯-醋酸乙烯酯、离聚物、尼龙、聚醚酰亚胺(Polythermide)、聚酯弹性体、聚酯砜、聚苯基酰胺、聚丙烯、聚偏氟乙烯或热固性聚脲弹性体。
17.根据权利要求16的组合物，其中聚合物粘结剂是尼龙12及聚酯弹性体。
18.根据权利要求15的组合物，其中聚合物粘结剂占复合物重量的约1～30％。
19.根据权利要求18的组合物，其中聚合物粘结剂占复合物重量的约2～20％。
20.根据权利要求19的组合物，其中聚合物粘结剂占复合物重量的约5～15％。
21.根据权利要求20的组合物，其中聚合物粘结剂占复合物重量的约8～12％。
22.一种包含基本金属粉末、纤维及粘结剂混合物的高密度塑性组合物。
23.根据权利要求22的组合物，将其用作辐射屏蔽材料。
24.根据权利要求23的组合物，其中辐射屏蔽材料是柔软的屏蔽材料。
全文摘要
本发明涉及一类材料,它们在很需要铅的高密度而又不希望有铅的毒性的场合,可用作铅代替品。本发明更具体提供包含钨、纤维及粘结剂的高密度材料。本文公开这类材料的制法、组成以及它们的应用。
文档编号C22C49/10GK1228798SQ97197487
公开日1999年9月15日 申请日期1997年6月27日 优先权日1996年6月28日
发明者A·V·布雷, B·A·穆斯科普夫, M·L·丁古斯 申请人:德克萨斯研究协会奥斯丁公司