含金属内衬碳纤维复合材料身管的制作方法

本实用新型涉及一种含有金属内衬碳纤维复合材料承压身管结构。

背景技术：

现代军事技术的发展要求未来武器装备具有轻便、机动、灵活快速反应等特点，因此必须大力开发新型结构和功能材料。其中纤维复合材料具有轻质、高强、不锈蚀、耐腐蚀、耐疲劳及可设计性好等优点，是目前应用最为广泛的一类新型材料。但纤维复合材料的抗烧蚀能力和密闭性较差，所以一般在纤维复合材料发射筒的内壁附加一层金属材料，这种含金属内衬的纤维复合材料发射筒不仅质量轻、可设计性强，还具有很好的密封性，可满足各种武器平台对发射筒的使用要求，具有广泛的应用前景。目前我国部队采用的发射筒身管仍采用全金属制作，过重的发射筒不方便战士携带，作战的灵活机动性也较差。

如果直接在金属内衬外表面缠绕碳纤维复合材料来制作身管，也存在一些技术上的不足:

其一：金属内衬外表面缠绕的复合材料层需要高温固化，如果采用热固性聚酰亚胺树脂，固化温度达三百度以上，在这么高的固化温度下，金属内衬发生膨胀，而外表面的碳纤维复合材料层对温度不敏感，高温下基本不发生膨胀，金属内衬热膨胀后将外表面缠绕的碳纤维复合材料层撑开，固化冷却后，金属内衬发生收缩，容易在复合材料层与金属内衬界面产生间隙，发生结合不紧密的情况，导致碳纤维复合材料层无法起到加固身管环向强度的作用。

其二：金属内衬的模量一般为200GPa，屈服强度为1280MPa，而碳纤维(T800)复合材料层环向模量一般小于金属的模量，一般为180GPa，强度为3000MPa左右，因为复合材料的环向模量小于金属内衬，所以在实弹发射时，复合材料层上的环向应力小于金属内衬上的环向应力更远远低于其自身强度，造成材料的浪费。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种含金属内衬碳纤维复合材料的身管结构及其冷装配制造方法，提高金属内衬与作为加固件的碳纤维复合材料层之间的接触紧密性。利用特殊的冷加工工艺使碳纤维复合材料层对金属内衬产生环向压应力，而碳纤维复合材料层环向产生拉应力。当发射产生高膛压时，金属内衬的环向压应力将抵消部分火药气体带来的巨大拉应力，从而改善金属内衬的受力状况。如果内衬金属中有细微裂纹存在，由于压应力的存在，可延缓其发展过程，从而提高疲劳性能。

本实用新型解决上述问题所采用的技术方案为：一种含金属内衬碳纤维复合材料的身管，包括金属内衬、金属端管、金属连接管和碳纤维复合材料层，相邻金属内衬之间通过所述的金属连接管连接，金属端管分别衔接金属内衬的首尾末端，所述碳纤维复合材料层穿套在所述金属内衬外周，并且所述碳纤维复合材料层具有环向压紧该金属内衬的趋势。

所述金属内衬露于碳纤维复合材料层之外的两端设置有连接螺纹，所述金属内衬与无需碳纤维复合材料层加固的金属连接管或者金属端管之间螺纹连接。

制造上述含金属内衬碳纤维复合材料身管的冷装配方法，提高金属内衬与碳纤维复合材料层间的接触紧密性，具体为，首先，准备金属内衬和碳纤维复合材料层，采用缠绕工艺制作碳纤维复合材料层，机械加工制作金属内衬，且金属内衬的外径大于碳纤维复合材料层的内径，碳纤维复合材料层与金属内衬间穿套装配的尺寸过盈量为0.1mm～0.2mm；然后，将金属内衬单独浸入液氮中冷却，冷却温度为-205℃～-195℃，冷却10～15min，取出金属内衬测量外径，当金属内衬外径缩小至与碳纤维复合材料层内径间的间隙为0.12mm～0.2mm时，将碳纤维复合材料层穿套于金属内衬外周，并于自然状态下静置平衡；最后将做好的套有碳纤维复合材料层的金属内衬分别与金属连接管及金属端管连接组装好，即为身管。

与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：

1、本实用新型开发出的相应金属内衬，便于进行与碳纤维复合材料层的冷装配，又方便通过螺纹连接与炮尾及支架等无碳纤维复合材料缠绕加固部分相连。这种身管分段设计方式，可减轻身管每段的重量，便于战士携带。

2、提出了一种含金属内衬碳纤维复合材料身管及其冷装配制造方法，利用金属内衬在低温条件下发生暂时性收缩的特性，使装配后的碳纤维复合材料层对金属内衬产生环向预应力，碳纤维复合材料层受到一个环向拉应力，而金属内衬受到一个环向压应力，从而使两者接触更加紧密。相应的身管在作为炮筒使用的情况下，当发射使炮筒内产生高膛压时，金属内衬受到的环向压应力将抵消部分火药气体带来的巨大拉应力，从而改善金属内衬的受力状况。而且如果金属内衬中有细微裂纹存在，由于压应力的存在，可延缓其发展过程，从而提高身管的耐疲劳性能。

3、本实用新型的身管可以使碳纤维复合材料层更多地承担环向承压负荷，充分发挥碳纤维复合材料高强度的优势，使整个身管结构受力更加合理。使使用低牌号低模量（例如T700级）碳纤维进行加固成为可能性，提高了产品的经济性。

附图说明

图1为本实用新型实施例中身管后端的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中身管前端的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中金属内衬和碳纤维复合材料层的装配示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1至3所示，本实施例中的含金属内衬碳纤维复合材料身管，可作为发射炮筒使用，包括金属内衬2、金属端管、金属连接管4和碳纤维复合材料层3，相邻金属内衬2之间通过金属连接管4连接，金属端管分别衔接金属内衬2的首尾末端，碳纤维复合材料层3穿套在金属内衬2外周，并且碳纤维复合材料层3具有环向压紧该金属内衬2的趋势。本实施例中的金属端管包括身管尾部纯金属部分1和身管头部纯金属部分5。

金属内衬2露于碳纤维复合材料层3之外的两端设置有连接螺纹，金属内衬2分别与无需碳纤维复合材料层加固的金属连接管4、身管尾部纯金属部分1和身管头部纯金属部分5螺纹连接。

上述结构的身管采用了分段组装的设计方式，可减轻身管每段的重量，便于战士携带。另外，碳纤维复合材料层对金属内衬产生环向预应力，碳纤维复合材料层受到一个环向拉应力，而金属内衬受到一个环向压应力，从而使两者接触更加紧密。

上述身管的制造工艺具体为，首先，准备金属内衬和碳纤维复合材料层，采用缠绕工艺制作碳纤维复合材料层，机械加工制作金属内衬，且金属内衬的外径大于碳纤维复合材料层的内径，碳纤维复合材料层与金属内衬间穿套装配的尺寸过盈量为0.1mm～0.2mm；然后，将金属内衬单独浸入液氮中冷却，冷却温度为-205℃～-195℃，冷却10～15min，取出金属内衬测量外径，当金属内衬外径缩小至与碳纤维复合材料层内径间的间隙为0.12mm～0.2mm时，将碳纤维复合材料层穿套于金属内衬外周，并于自然状态下静置平衡；最后将做好的套有碳纤维复合材料层的金属内衬分别与金属连接管及金属端管连接组装好，即为身管。

上述冷加工工艺利用金属内衬在低温条件下发生暂时性收缩的特性，使装配后的碳纤维复合材料层对金属内衬产生环向预应力，碳纤维复合材料层受到一个环向拉应力，而金属内衬受到一个环向压应力，从而使两者接触更加紧密，从而改善金属内衬的受力状况。