工程塑料在輕武器上的應(yīng)用及發(fā)展

武器輕量化是兵器行業(yè)的研究重點(diǎn)，是提高單兵作戰(zhàn)能力的重要手段。目前在軍工領(lǐng)域工程塑料起到了重要的作用，已經(jīng)從兵器工業(yè)中的替用品漸漸變?yōu)榘l(fā)展新型兵器必不可少的材料。

20世紀(jì)末，高新材料技術(shù)的興起掀起了一場新的軍事革命。高新材料技術(shù)是指輕質(zhì)化材料技術(shù)、功能材料技術(shù)、智能材料技術(shù)等，它們對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭具有重大的影響，也改變了軍隊(duì)的武器裝配。輕質(zhì)化材料技術(shù)對(duì)輕武器的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，在提高武器輕量化、功能化和高性能化的同時(shí)，對(duì)下一代新型武器的研發(fā)與設(shè)計(jì)也有著全面而深刻的影響。

圖源：搜狐

輕武器一般是指由單兵或者班組攜行戰(zhàn)斗的武器，其種類繁多，可裝配于各種基礎(chǔ)裝備之上，使用范圍較廣，不僅是步兵作戰(zhàn)的主要武器，更是全軍通用性武器裝備，其中槍械和彈藥是使用最為普遍的輕武器。

各式槍械 ?圖源：頭條號(hào)/河?xùn)|三叔

輕武器發(fā)展的必然趨勢是單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在最大限度地提升單兵作戰(zhàn)能力，使士兵與武器裝備形成一個(gè)有機(jī)整體，進(jìn)而全面地增加了單兵的生存力、殺傷力、機(jī)動(dòng)能力、指揮與控制能力以及耐久能力，實(shí)現(xiàn)輕武器的突破。

以往在評(píng)價(jià)武器裝備水平時(shí)，通常是以單件武器的性能為主，而現(xiàn)在的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)則是單件武器裝備和單個(gè)戰(zhàn)斗單元以及聯(lián)合作戰(zhàn)體系是否能夠?qū)崿F(xiàn)一體化，是否具有通聯(lián)性和聯(lián)動(dòng)性。一體化是單兵系統(tǒng)建設(shè)的內(nèi)在要求，也是融入聯(lián)合作戰(zhàn)體系的迫切需要。

因此，為了實(shí)現(xiàn)單兵輕武器“一體化”，在不斷研制新材料、提高輕武器的性能的同時(shí)，還需要找到合適的加工方法，根據(jù)士兵的個(gè)性化需求高效定制武器裝備。將工程塑料應(yīng)用在輕武器上可以有效實(shí)現(xiàn)武器輕量化，促進(jìn)單兵輕武器“一體化”，從20世紀(jì)中旬起國內(nèi)外研究者們已經(jīng)進(jìn)行了大量的探索。

• 工程塑料在槍械上應(yīng)用的優(yōu)勢及要求

槍械上的木制零部件在使用一段時(shí)間后就會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)，連續(xù)射擊時(shí)木頭會(huì)被燒焦，拼刺時(shí)容易折斷，在熱帶地區(qū)容易發(fā)霉，淋雨后膨脹使質(zhì)量加大等，并且木制零部件的木材利用率很低，加工工藝復(fù)雜，質(zhì)量較重，使用工程塑料制件替代木制零部件可以有效解決此類問題。工程塑料的優(yōu)點(diǎn)如圖1所示。

這些特點(diǎn)使得工程塑料被廣泛應(yīng)用于槍械的各個(gè)方面。在不同的構(gòu)件上，對(duì)于工程塑料的性能有不同的要求，如圖2所示。

在用作受力構(gòu)件和次受力構(gòu)件時(shí)，工程塑料制件不僅要具有耐磨性、耐腐蝕和抗老化性能，還需具備較高的強(qiáng)度、剛性和韌性;在用作高頻受力構(gòu)件時(shí)，制件的受力情況比受力構(gòu)件的更加苛刻，所受作用力大而頻繁。

如處于戰(zhàn)斗狀態(tài)中的擊錘每分鐘會(huì)發(fā)射幾百甚至上千發(fā)槍彈，擊錘會(huì)受到成百上千次沖擊，并且對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的準(zhǔn)確性要求很高，因此對(duì)材料的性能具有更嚴(yán)苛的要求，該類制件還必須具有優(yōu)異的強(qiáng)度、剛性、韌性和耐沖擊疲勞強(qiáng)度;在用作與火藥氣體直接接觸的耐高溫高頻受力構(gòu)件時(shí)，其工作條件極其惡劣，槍彈在發(fā)射時(shí)的溫度高達(dá)200~500℃。

活塞、槍機(jī)等可活動(dòng)制件每分鐘往復(fù)運(yùn)動(dòng)幾千次，因此還需要有很高的熱變形溫度。一般的工程塑料難以達(dá)到這些要求，故常選用碳纖維復(fù)合材料制備該類制件。

• 工程塑料在槍械上的應(yīng)用

從20世紀(jì)40年代開始，工程塑料逐漸被用于槍械的制造上。奧地利的斯太爾-曼利夏公司是最早將工程塑料用于槍械上的輕武器制造商，該公司研發(fā)的AUG5.56mm的步槍是槍械應(yīng)用工程塑料的模范，如圖3(a)所示。

該步槍采用了大量的工程塑料制件，含量占比約為全槍零部件總數(shù)的20%，其握把、槍托、彈匣、扳機(jī)和擊錘等部件都采用了工程塑料制件。

除此之外，斯太爾公司研制的半自動(dòng)手槍SSP9mm和摧毀物資器材步槍AMR15mm也廣泛應(yīng)用了工程塑料及其復(fù)合材料。奧地利研發(fā)的格洛克(CLOCK)17手槍由34個(gè)零部件組成，其中有14個(gè)零件為工程塑料制件，塑料件占比高達(dá)40%，如圖3(b)所示。其套筒座以注射模壓成型的方法制備而得，彈倉、托底板、瞄準(zhǔn)器、擊發(fā)機(jī)構(gòu)和間隙套筒等制件也都為工程塑料。

• 美國槍械使用工程塑料情況

1944年，美國研發(fā)的7.62mm勃朗寧半自動(dòng)步槍用玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹脂作為槍托和護(hù)木，如圖4(a)所示。隨后用棉布增強(qiáng)酚醛樹脂用作AR-10自動(dòng)步槍的槍托、護(hù)木、握把、彈匣等部件。

1957年，美軍換裝了M147.62mm步槍，該槍采用玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂作為槍托和護(hù)木，使得槍托強(qiáng)度提高的同時(shí)，質(zhì)量也降低了30%。在連續(xù)射擊500發(fā)槍彈之內(nèi)，木制槍托容易出現(xiàn)燃燒和碳化，而塑料槍托基本無損，如圖4(b)所示。

在M14步槍的研究基礎(chǔ)之上，M165.56mm步槍的槍托、護(hù)木和握把全部采用織物增強(qiáng)高沖擊強(qiáng)度酚醛樹脂制備。隨后的M16A1步槍使用聚酯型聚氨酯彈性體作為槍托，聚氨酯彈性體中含有炭黑、氧化鐵和二氧化鈦填料，可增加其力學(xué)性能和抗紫外輻照性能，并且能夠通過塑模一次成型，整體性能明顯強(qiáng)于酚醛樹脂槍托，如圖4(c)所示。另外，M16A2步槍的槍托和護(hù)木由超韌性尼龍制成，該槍槍托的力學(xué)強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于M16A1步槍。

如圖4(d)所示，AR-7運(yùn)動(dòng)槍使用ABS樹脂制備槍托、前托和工具容器，M60輕機(jī)槍也用該塑料作為握把;5.56mm雷明頓步槍的槍托使用尼龍66通過一次性注射成型而得，該兵工廠的“尼龍”步槍除槍管以外的大部分部件都是由纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料制備;ASP9mm手槍用聚碳酸酯作為透明握把，5.56mm和4.32mm步槍用聚碳酸酯作為透明彈匣;M86LR300溫切斯特大威力狙擊步槍和M87ELR12.7mm狙擊步槍的槍托均由玻璃鋼制備而得。

• 俄羅斯及一些歐洲國家槍械使用工程塑料情況

俄羅斯在工程塑料在槍械上的應(yīng)用研究起步較晚，20世紀(jì)70年代研發(fā)的AK-74突擊步槍的彈匣由玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂制成，具有良好的力學(xué)性能，且比金屬彈匣的質(zhì)量減輕了28.5%，如圖5(a)所示。

RPK-74輕機(jī)槍用玻璃纖維增強(qiáng)塑料制備槍托，如圖5(b)所示。AR-744.5mm突擊槍的彈匣采用玻璃纖維增強(qiáng)聚乙烯醇改性酚醛樹脂制備而得。

其他各國具有代表性的含工程塑料的槍械還有:南斯拉夫研制的22LR沖鋒槍采用了大量工程塑料復(fù)合材料，其占比遠(yuǎn)超其他沖鋒槍，機(jī)匣使用一次性模壓成型的方法制備而得，176發(fā)透明彈鼓和大量的小型零部件都由纖維增強(qiáng)塑料制得;比利時(shí)FN公司研制的P90沖鋒槍也充分使用了工程塑料，整把槍含有的69個(gè)零部件中有27個(gè)為工程塑料制件，如圖5(c)所示。

瑞士的STG905.56mm步槍槍托是由填充了合成泡沫塑料的工程塑料制成，彈匣是半透明塑料;法國FAMAS5.56mm步槍中的槍托、發(fā)射機(jī)座等33個(gè)零部件用30%和60%的玻璃纖維增強(qiáng)尼龍11制得，占全槍總部件數(shù)的16%，如圖5(d)所示;英國PM狙擊步槍和SAR-87突擊步槍的槍托和握把分別由玻璃纖維和石棉增強(qiáng)酚醛樹脂制得;德國HK公司的無殼彈先進(jìn)戰(zhàn)斗步槍的機(jī)匣由玻璃纖維增強(qiáng)尼龍塑料制得，槍管和瞄準(zhǔn)器由高強(qiáng)度工程塑料通過一次性模塑成型得到。

• 中國槍械使用工程塑料情況

為了減少武器質(zhì)量和節(jié)約木材，中國從20世紀(jì)60年代開始了工程塑料在輕武器上的應(yīng)用研究，逐漸走過了以塑代木，以塑代金屬制備受力構(gòu)件、次受力構(gòu)件、高頻受力構(gòu)件等關(guān)鍵零部件的道路。

中國研制的56式?jīng)_鋒槍[圖6(a)]、56式半自動(dòng)步槍、63式自動(dòng)步槍的槍托均使用玻璃鋼制成，其護(hù)木、握把和63式自動(dòng)步槍的彈匣、油壺和握把都使用了高強(qiáng)度工程塑料;為了取代54式7.62mm手槍，中國自主研制了92式手槍，使用熱塑性好、強(qiáng)度高的工程塑料整體握把結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬槍底把，加工工藝簡單，注塑一次成型，一致性、經(jīng)濟(jì)性好[圖6(b)]。5.8mm一代、二代自動(dòng)步槍的槍托、護(hù)木、握把、彈匣等11個(gè)零部件均由玻璃纖維增強(qiáng)改性尼龍66和尼龍610制備而來。

自20世紀(jì)30年代尼龍66實(shí)現(xiàn)工業(yè)化以來，工程塑料迅速發(fā)展，種類不斷增加，在槍械上也得到了廣泛應(yīng)用，如圖7所示。

1961年，美國杜邦公司成功研制出性能優(yōu)異的聚酰亞胺，打開了特種工程塑料的發(fā)展之窗。但是，特種工程塑料在槍械上應(yīng)用得并不多，聚醚醚酮、聚醚酰亞胺、聚苯并咪唑等具有良好耐高溫性、耐磨性、耐腐蝕性的高性能工程塑料在槍械上的應(yīng)用并不多，未來在改進(jìn)服役槍械和研發(fā)新型槍械的過程中，可以適當(dāng)增加此類高性能工程塑料零部件，提高槍械在極端環(huán)境下的使用性能。

• 存在問題及未來發(fā)展趨勢

雖然工程塑料在槍械上使用具備很多優(yōu)勢，但也暴露出了一些缺陷。例如，中國第一次大面積使用工程塑料的95式步槍，在使用過程中會(huì)出現(xiàn)摩擦后發(fā)白、受潮后發(fā)霉等狀況，這是因?yàn)樵诠こ趟芰现刑砑恿颂嵘淞W(xué)性能的增強(qiáng)纖維，由于長時(shí)間的摩擦，導(dǎo)致纖維外露，俗稱磨毛發(fā)白現(xiàn)象。

另外，常用的五大工程塑料還存在如下問題。

為了解決上述問題，使得槍械上的塑料構(gòu)件能在較苛刻的化學(xué)、物理環(huán)境中長期使用，對(duì)工程塑料進(jìn)行改性以及制備工程塑料復(fù)合材料是最為常見的方法。同時(shí)，研發(fā)綜合性能更高的新型工程塑料，改進(jìn)工程塑料制件的加工方法，也是提升工程塑料制件性能的重要手段。

參考資料：工程塑料在輕武器上的應(yīng)用及發(fā)展 [J] 王沛，夏柳，蔡歡喜，等．科學(xué)技術(shù)與工程，2022，22 ( 13) : 5095-5105．

原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦高分子）：工程塑料在輕武器上的應(yīng)用及發(fā)展