工程塑料在轻武器上的应用及发展

武器轻量化是兵器行业的研究重点，是提高单兵作战能力的重要手段。目前在军工领域工程塑料起到了重要的作用，已经从兵器工业中的替用品渐渐变为发展新型兵器必不可少的材料。

20世纪末，高新材料技术的兴起掀起了一场新的军事革命。高新材料技术是指轻质化材料技术、功能材料技术、智能材料技术等，它们对现代战争具有重大的影响，也改变了军队的武器装配。轻质化材料技术对轻武器的发展做出了巨大贡献，在提高武器轻量化、功能化和高性能化的同时，对下一代新型武器的研发与设计也有着全面而深刻的影响。

图源：搜狐

轻武器一般是指由单兵或者班组携行战斗的武器，其种类繁多，可装配于各种基础装备之上，使用范围较广，不仅是步兵作战的主要武器，更是全军通用性武器装备，其中枪械和弹药是使用最为普遍的轻武器。

各式枪械  图源：头条号/河东三叔

轻武器发展的必然趋势是单兵综合作战系统，该系统旨在最大限度地提升单兵作战能力，使士兵与武器装备形成一个有机整体，进而全面地增加了单兵的生存力、杀伤力、机动能力、指挥与控制能力以及耐久能力，实现轻武器的突破。

以往在评价武器装备水平时，通常是以单件武器的性能为主，而现在的评价标准则是单件武器装备和单个战斗单元以及联合作战体系是否能够实现一体化，是否具有通联性和联动性。一体化是单兵系统建设的内在要求，也是融入联合作战体系的迫切需要。

因此，为了实现单兵轻武器“一体化”，在不断研制新材料、提高轻武器的性能的同时，还需要找到合适的加工方法，根据士兵的个性化需求高效定制武器装备。将工程塑料应用在轻武器上可以有效实现武器轻量化，促进单兵轻武器“一体化”，从20世纪中旬起国内外研究者们已经进行了大量的探索。

工程塑料在枪械上的主要应用

• 工程塑料在枪械上应用的优势及要求

枪械上的木制零部件在使用一段时间后就会出现松动，连续射击时木头会被烧焦，拼刺时容易折断，在热带地区容易发霉，淋雨后膨胀使质量加大等，并且木制零部件的木材利用率很低，加工工艺复杂，质量较重，使用工程塑料制件替代木制零部件可以有效解决此类问题。工程塑料的优点如图1所示。

这些特点使得工程塑料被广泛应用于枪械的各个方面。在不同的构件上，对于工程塑料的性能有不同的要求，如图2所示。

在用作受力构件和次受力构件时，工程塑料制件不仅要具有耐磨性、耐腐蚀和抗老化性能，还需具备较高的强度、刚性和韧性;在用作高频受力构件时，制件的受力情况比受力构件的更加苛刻，所受作用力大而频繁。

如处于战斗状态中的击锤每分钟会发射几百甚至上千发枪弹，击锤会受到成百上千次冲击，并且对机构动作的准确性要求很高，因此对材料的性能具有更严苛的要求，该类制件还必须具有优异的强度、刚性、韧性和耐冲击疲劳强度;在用作与火药气体直接接触的耐高温高频受力构件时，其工作条件极其恶劣，枪弹在发射时的温度高达200~500℃。

活塞、枪机等可活动制件每分钟往复运动几千次，因此还需要有很高的热变形温度。一般的工程塑料难以达到这些要求，故常选用碳纤维复合材料制备该类制件。

• 工程塑料在枪械上的应用

从20世纪40年代开始，工程塑料逐渐被用于枪械的制造上。奥地利的斯太尔-曼利夏公司是最早将工程塑料用于枪械上的轻武器制造商，该公司研发的AUG5.56mm的步枪是枪械应用工程塑料的模范，如图3(a)所示。

该步枪采用了大量的工程塑料制件，含量占比约为全枪零部件总数的20%，其握把、枪托、弹匣、扳机和击锤等部件都采用了工程塑料制件。

除此之外，斯太尔公司研制的半自动手枪SSP9mm和摧毁物资器材步枪AMR15mm也广泛应用了工程塑料及其复合材料。奥地利研发的格洛克(CLOCK)17手枪由34个零部件组成，其中有14个零件为工程塑料制件，塑料件占比高达40%，如图3(b)所示。其套筒座以注射模压成型的方法制备而得，弹仓、托底板、瞄准器、击发机构和间隙套筒等制件也都为工程塑料。

• 美国枪械使用工程塑料情况

1944年，美国研发的7.62mm勃朗宁半自动步枪用玻璃纤维增强酚醛树脂作为枪托和护木，如图4(a)所示。随后用棉布增强酚醛树脂用作AR-10自动步枪的枪托、护木、握把、弹匣等部件。

1957年，美军换装了M147.62mm步枪，该枪采用玻璃纤维增强聚酯树脂作为枪托和护木，使得枪托强度提高的同时，质量也降低了30%。在连续射击500发枪弹之内，木制枪托容易出现燃烧和碳化，而塑料枪托基本无损，如图4(b)所示。

在M14步枪的研究基础之上，M165.56mm步枪的枪托、护木和握把全部采用织物增强高冲击强度酚醛树脂制备。随后的M16A1步枪使用聚酯型聚氨酯弹性体作为枪托，聚氨酯弹性体中含有炭黑、氧化铁和二氧化钛填料，可增加其力学性能和抗紫外辐照性能，并且能够通过塑模一次成型，整体性能明显强于酚醛树脂枪托，如图4(c)所示。另外，M16A2步枪的枪托和护木由超韧性尼龙制成，该枪枪托的力学强度要远高于M16A1步枪。

如图4(d)所示，AR-7运动枪使用ABS树脂制备枪托、前托和工具容器，M60轻机枪也用该塑料作为握把;5.56mm雷明顿步枪的枪托使用尼龙66通过一次性注射成型而得，该兵工厂的“尼龙”步枪除枪管以外的大部分部件都是由纤维增强尼龙复合材料制备;ASP9mm手枪用聚碳酸酯作为透明握把，5.56mm和4.32mm步枪用聚碳酸酯作为透明弹匣;M86LR300温切斯特大威力狙击步枪和M87ELR12.7mm狙击步枪的枪托均由玻璃钢制备而得。

• 俄罗斯及一些欧洲国家枪械使用工程塑料情况

俄罗斯在工程塑料在枪械上的应用研究起步较晚，20世纪70年代研发的AK-74突击步枪的弹匣由玻璃纤维增强热固性树脂制成，具有良好的力学性能，且比金属弹匣的质量减轻了28.5%，如图5(a)所示。

RPK-74轻机枪用玻璃纤维增强塑料制备枪托，如图5(b)所示。AR-744.5mm突击枪的弹匣采用玻璃纤维增强聚乙烯醇改性酚醛树脂制备而得。

其他各国具有代表性的含工程塑料的枪械还有:南斯拉夫研制的22LR冲锋枪采用了大量工程塑料复合材料，其占比远超其他冲锋枪，机匣使用一次性模压成型的方法制备而得，176发透明弹鼓和大量的小型零部件都由纤维增强塑料制得;比利时FN公司研制的P90冲锋枪也充分使用了工程塑料，整把枪含有的69个零部件中有27个为工程塑料制件，如图5(c)所示。

瑞士的STG905.56mm步枪枪托是由填充了合成泡沫塑料的工程塑料制成，弹匣是半透明塑料;法国FAMAS5.56mm步枪中的枪托、发射机座等33个零部件用30%和60%的玻璃纤维增强尼龙11制得，占全枪总部件数的16%，如图5(d)所示;英国PM狙击步枪和SAR-87突击步枪的枪托和握把分别由玻璃纤维和石棉增强酚醛树脂制得;德国HK公司的无壳弹先进战斗步枪的机匣由玻璃纤维增强尼龙塑料制得，枪管和瞄准器由高强度工程塑料通过一次性模塑成型得到。

• 中国枪械使用工程塑料情况

为了减少武器质量和节约木材，中国从20世纪60年代开始了工程塑料在轻武器上的应用研究，逐渐走过了以塑代木，以塑代金属制备受力构件、次受力构件、高频受力构件等关键零部件的道路。

中国研制的56式冲锋枪[图6(a)]、56式半自动步枪、63式自动步枪的枪托均使用玻璃钢制成，其护木、握把和63式自动步枪的弹匣、油壶和握把都使用了高强度工程塑料;为了取代54式7.62mm手枪，中国自主研制了92式手枪，使用热塑性好、强度高的工程塑料整体握把结构代替传统的金属枪底把，加工工艺简单，注塑一次成型，一致性、经济性好[图6(b)]。5.8mm一代、二代自动步枪的枪托、护木、握把、弹匣等11个零部件均由玻璃纤维增强改性尼龙66和尼龙610制备而来。

自20世纪30年代尼龙66实现工业化以来，工程塑料迅速发展，种类不断增加，在枪械上也得到了广泛应用，如图7所示。

1961年，美国杜邦公司成功研制出性能优异的聚酰亚胺，打开了特种工程塑料的发展之窗。但是，特种工程塑料在枪械上应用得并不多，聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚苯并咪唑等具有良好耐高温性、耐磨性、耐腐蚀性的高性能工程塑料在枪械上的应用并不多，未来在改进服役枪械和研发新型枪械的过程中，可以适当增加此类高性能工程塑料零部件，提高枪械在极端环境下的使用性能。

• 存在问题及未来发展趋势

虽然工程塑料在枪械上使用具备很多优势，但也暴露出了一些缺陷。例如，中国第一次大面积使用工程塑料的95式步枪，在使用过程中会出现摩擦后发白、受潮后发霉等状况，这是因为在工程塑料中添加了提升其力学性能的增强纤维，由于长时间的摩擦，导致纤维外露，俗称磨毛发白现象。

另外，常用的五大工程塑料还存在如下问题。

(1)收缩率高，尺寸稳定性较差，吸水率偏大，在潮湿环境下尺寸变大，影响制件精密度。

(2)耐水解稳定性较低，对缺口敏感，耐化学性、耐磨性和耐刮痕能力差，长时间暴露于紫外线中会发黄。

(3)不耐酸，不耐强碱和不耐太阳光紫外线的辐射，耐候性差，高温热稳定性差。

(4)耐光性差，熔融流动性差，耐无机酸、碱、芳香烃、卤代烃、油类等性能差。

(5)遇水易分解，在高温、高湿环境下不宜使用。

为了解决上述问题，使得枪械上的塑料构件能在较苛刻的化学、物理环境中长期使用，对工程塑料进行改性以及制备工程塑料复合材料是最为常见的方法。同时，研发综合性能更高的新型工程塑料，改进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。

参考资料：工程塑料在轻武器上的应用及发展 [J] 王沛，夏柳，蔡欢喜，等．科学技术与工程，2022，22 ( 13) : 5095-5105．

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原文始发于微信公众号（艾邦高分子）：工程塑料在轻武器上的应用及发展