現(xiàn)代戰(zhàn)爭具有的突發(fā)性、速決性和多維性特點，使得武器裝備的靈活機動、快速部署能力成為搶占先機，贏得勝利的關鍵條件。迫擊炮作為一種支援和伴隨步兵作戰(zhàn)的有效壓制武器，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中仍具有不可替代的地位。而我軍現(xiàn)役迫擊炮的身管絕大部分仍采用炮鋼材料，戰(zhàn)斗全重較大，攜行不便，身管作為迫擊炮的重要組成部分，其重量約占總重的一半，亟需進行輕量化改造。

例如，美國貝尼特實驗室對碳纖維復合材料身管技術進行了深入探索，相繼開發(fā)了105mm加農(nóng)炮身管和120mm坦克滑膛炮身管。英國某型超輕榴彈炮復合身管，以高模量碳纖維作為縱向層，以中模量碳纖維作為環(huán)向層，采用高拉張力工藝，將碳纖維束纏繞在鋼制內(nèi)襯上，獲得了強度和剛度可同時比擬原身管的輕質復合身管，榴彈炮總重從4.08t降至2.27t，減重達40%。

與傳統(tǒng)的金屬材料相比，碳纖維復合材料具有比強度和比剛度高、耐腐蝕、破損安全性好、疲勞壽命高及可設計性好等優(yōu)點，在輕量化方面具有明顯的優(yōu)勢，本文將其用作迫擊炮輕量化身管的主要材料。但由于碳纖維復合材料的密閉性、耐磨性和抗燒蝕能力較差，所以根據(jù)迫擊炮身管的受力特點，復合材料身管設計可采用兩層結構：內(nèi)層為內(nèi)襯層，可選用炮鋼或鈦合金等金屬材料，主要起到隔絕高溫火藥燃氣，提供密封環(huán)境，避免彈體直接接觸纖維層；外層為纖維層，采用碳纖維復合材料纏繞，外部纖維層承擔大部分載荷，保證身管滿足強度要求，在內(nèi)襯和纖維層之間采用隔熱橡膠進行隔熱。

為進一步探索采用不同碳纖維對身管承壓性能的影響，分別對采用T300、T700和M46等級碳纖維纏繞的復合圓筒進行水壓試驗，T300、T700和M46等級碳纖維復合身管的最終爆破載荷為48MPa、63MPa和81MPa。T700試樣與T300試樣相比，其模量相同，因此內(nèi)襯屈服載荷近乎相同，這與NOL試樣的實驗結論一致；而T700試樣的強度高于T300試樣，因此對于復合圓筒最終爆破壓力，T700試樣大于T300試樣，復合碳纖維強度越高，爆破壓力越高的規(guī)律；M46試樣的強度介于T300和T700試樣中間，但拉伸模量約為T700和T300試樣的兩倍，M46試樣的內(nèi)襯屈服載荷約為31MPa，爆破壓力高達81MPa，遠高于T300和T700試樣。以內(nèi)襯材料的彈性模量為標準，外部纖維層的彈性模量越高，則纖維層承擔的載荷越多，相同載荷下內(nèi)襯的應力更低，內(nèi)襯的屈服載荷就越高，越能凸顯碳纖維高強的優(yōu)勢。因此用高模量碳纖維做外部增強層，內(nèi)襯厚度可以做得更薄，輕量化效益更高。

不同的鋪層順序同樣會對迫擊炮身管最終的承壓性能帶來一定影響。為了研究鋪層順序對承壓性能的定量影響，采用相同尺寸同種內(nèi)襯材料和T300等級碳纖維，分別采用兩種鋪層順序進行迫擊炮身管的纏繞，并進行對比水壓試驗，兩種鋪層順序的應變-載荷曲線基本重合，爆破載荷分別為48MPa和47.5MPa。由此可見，鋪層順序對身管靜態(tài)承壓性能的影響較小。

為了研究纏繞張力對迫擊炮身管最終承壓性能的影響，分別采用30N、50N、70N、90N的纏繞張力進行迫擊炮身管的纏繞加工，并對不同纏繞張力的迫擊炮身管進行了承壓試驗，其爆破壓力依次為48MPa、49MPa、49.5MPa和43MPa?？梢娎p繞張力在70N之前，隨著纏繞張力的增加，復合圓筒的爆破壓力逐漸升高，當纏繞張力為90N時，承壓性能顯著降低。這是由于適當?shù)靥岣呃p繞張力可以使纖維層之間結合更緊密，排出多余的樹脂減少氣泡等缺陷，相當于提高了纖維層的纏繞質量。纏繞張力為90N時，復合材料圓筒過早破壞，綜上可知：適當?shù)靥岣呃p繞張力可以提高纖維層纏繞質量，增強金屬內(nèi)襯預應力，提高復合身管的承壓性能；但纏繞張力過大會降低其承壓性能。

來源于：搜狐號、博實碳纖維等

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