高溫複合物射彈槍管以及製造方法與流程

2023-06-01 20:13:57

本申請是申請日為2014年8月28日，申請號為201480047500.9、發明名稱為「高溫複合物射彈槍管」的發明專利申請的分案申請。

相關申請案的交叉引用

本申請要求兩個臨時專利申請的優先權：2013年8月28日提交的第61/871,154號和2013年9月4日提交的第61/873,771號。兩臨時申請的整個公開內容特此以應用方式併入並且依賴於此。

本申請涉及高溫複合物射彈槍管以及製造方法。

背景技術：

使用者一直渴望保持耐用並且可靠的較輕的槍枝系統。已知有使用相對堅固但輕量的材料，如非強化型和強化型聚合物，連續玻璃纖維或碳纖維複合物，替代通常由鋼、鋁或其它金屬製造的槍枝的多個部分。注意力集中在槍枝槍管上，其佔槍枝重量的很大百分比。舉例來說，已知製造具有包圍有碳纖維強化的聚合物基質複合物(pmc)外殼的鋼內襯的槍枝槍管，所述外殼併入有樹脂。這一組合會使槍枝減輕，同時保持良好的槍管強度和硬度。

用於pmc外殼中的碳纖維可以為提供所需硬度、強度以及導熱率的任何類型。通常對於pmc槍枝槍管應用來說，使用聚丙烯腈(「pan」)前體或瀝青前體碳纖維。碳纖維可以幹碳纖維股線或纖維束加以應用，所述幹碳纖維股線或纖維束在「溼」浸塗盤方法中與樹脂組合，接著纏繞於內襯周圍。或者，外殼可以由先前在獨立方法(「浸漬纖維束」或「預浸」)用樹脂浸漬接著施用於內襯的碳纖維束、單向傳輸帶或織物構建。無論潤溼或乾燥應用，基質樹脂通常為環氧樹脂。複合物槍管接著可以進行固化、拋光並且連接到機匣和槍託。此類碳纖維/環氧樹脂基質複合物可以為許多常見槍械應用提供適合的熱特性、機械特性以及加工特徵的平衡。

然而，當複合物槍管經歷來自快速或持續射擊的高熱量時，與實心鋼槍管相比其通常較不耐用。舉例來說，半自動或自動步槍的槍管內的溫度可能容易超過500℉，並且可能超過700℉或更高。由完全由鋼和類似材料製造的槍管制得的槍械耐用並且具有高熱傳遞特徵足以使熱量足夠快速地耗散以適應此類射擊應用並且表現仍可接受。現有槍枝槍管複合物外殼與鋼相比具有較低徑嚮導熱率，以使得複合材料實際上起類似於熱絕緣體的作用。通常用於槍枝槍管的鋼的類型的導熱率為約20-40瓦/米-開爾文(20-40w/m·k)。在槍枝槍管應用中，典型pan碳纖維環氧樹脂複合物在「整個厚度」方向上或徑向上的導熱率僅為約0.5w/m·k。這些複合物的典型「平面內」(纖維方向)值為約僅1-5w/m·k。如下文所論述，與鋼相比pmc材料還會在較低溫度下發生降解。

u.s.6,889,464(德格尼詩(degerness))公開一種槍枝槍管，其包含螺旋纏繞有在浸塗盤浴方法中拉拔穿過潤溼環氧樹脂混合物的碳纖維長絲或纖維束的鋼內襯。德格尼詩將導熱材料添加到包含可以購得的短切/磨碎的瀝青碳纖維的環氧樹脂中。固化槍管展示明顯較高的導熱率和改進的從內槍管經由pmc到周圍大氣的熱耗散。然而，甚至在添加導熱短切碳瀝青的情況下，裝備有碳纖維複合物槍管的槍枝快速射擊仍可以致使槍管溫度明顯超過環氧樹脂的使用溫度性能。當槍管因持續射擊變熱時，其可能超過固化環氧樹脂基樹脂混合物的玻璃化轉變溫度tg。在tg下，pmc明顯變軟並且複合物槍管的機械完整性受損。當槍管加熱到甚至較高的溫度時，發生不可逆的固化環氧基質的熱分解並且槍管結構完整性進一步受損。具有所需加工特徵和固化熱和機械特性的環氧樹脂通常呈現140-400℉範圍內的玻璃化轉變溫度，並且通常在高於500℉的溫度下呈現熱分解。

理論上，應可能改良pmc的導熱率並且通過增加樹脂混合物中thermalgraph或如石墨烯、石墨、碳納米管、陶瓷顆粒或金屬粒子的其它導熱材料的比例來延遲熱量積聚。導熱添加劑的所需特徵為高導熱率、低密度並且具有適當尺寸和尺寸分布以佔據強化纖維之間的空隙。然而，因為所有這些導熱添加劑易於強烈增加樹脂的粘度，所以較高濃度的導熱添加劑使樹脂混合物更為粘稠，從而抑制用樹脂完全塗布碳纖維束並且使得製造更為困難並且不一致。另外，高負載的導熱添加劑一般會減小複合物的機械特性(例如強度)。

存在玻璃化轉變溫度比環氧樹脂高的其它樹脂，但其一般更難以加工和用其製造pmc物品，並且與環氧化物相比明顯更昂貴。已知具有聚醯亞胺化學物質的樹脂具有與環氧樹脂相比明顯更高的玻璃化轉變溫度、更好的導熱率以及改良的熱穩定性。儘管與環氧樹脂相比固化聚醯亞胺樹脂具有優良的熱效能，但許多因用於其製造的溶劑和單體而具有相對高的毒性。一般來說，溶劑中包含反應性單體的聚醯亞胺樹脂的熱固性類別稱為「可聚合單體反應物」或pmr聚醯亞胺。所要求的較低毒性聚醯亞胺樹脂公開於u.s.5,171,822(佩特(pater))「低毒性高溫pmr聚醯亞胺(lowtoxicityhightemperaturepmrpolyimide)」中並且可以名稱rp46購得。然而，在室溫下用於製造pmc的足高固體濃度的rp46樹脂為半固體；其高粘度使其在「潤溼」纏繞纖維長絲束時極難以操作。玻璃化轉變溫度高於環氧樹脂並且具有有用加工特徵的pmr聚醯亞胺樹脂公開於u.s.6,889,464(林肯(lincoln))中。併入林肯化學物質中的樹脂由俄亥俄州莫雷納蘭斯路2711號(2711lancedrive,moraine,ohio)45409的聚合物溶液性能公司(performancepolymersolutions,inc.)以名稱635lm製造。p2si635lm樹脂具有635℉的適當高的玻璃化轉變溫度，但在室溫下與典型潤溼長絲纏繞環氧樹脂相比還明顯更粘稠，看起來會妨礙其在長絲纏繞應用中的使用，如當嘗試將經樹脂浸泡的纖維束以多層纏繞於槍枝槍管的內襯上時。

在長絲纏繞應用中使用如635lm的聚醯亞胺樹脂的另一障礙涉及固化新近纏繞的槍管的加工困難性。當包含溶劑化聚醯亞胺樹脂的聚醯亞胺基質碳纖維複合物纏繞的槍管固化時，樹脂中的揮發物會釋放出。當平坦或大半徑面板固化時，這些氣體更容易遷移到面板的表面或邊緣，使更容易產生基本上不含不合需要的空隙的複合物物品。然而，當本質上具有最少部分「邊緣」的經纏繞的槍枝槍管固化時，證實因為揮發性產物和氣體易於滯留於繼續長絲繞圈之間而難以去除。不同於固化具有大平面表面的面板，從新近纏繞的聚醯亞胺樹脂複合物槍枝槍管中釋放的揮發性氣體的遷移路徑為以徑向向外穿過複合物的厚度(具有一定的縱向遷移)。當利用較高粘度的聚醯亞胺樹脂時這一問題複雜化。儘管使用聚醯亞胺樹脂環繞如小口徑槍枝槍管的薄圓筒存在優勢，但將聚醯亞胺樹脂用於pmc(甚至在替代複合物製造技術下，如預浸、浸漬纖維束以及樹脂輸送浸泡)實質上已被限制於平坦或相對大半徑的碳纖維薄片或面板。

另一具有相對高玻璃化轉變溫度的樹脂類別為聚醚醚酮(peek)。peek明顯比環氧樹脂更昂貴。另外，peek的玻璃化轉變溫度僅為約290℉，其中(甚至更昂貴)較高溫度的調配物在約315℉下展現玻璃化轉變。這些玻璃化轉變溫度仍低於速射武器所需。peek又為熱塑性材料，意思是其為高分子量聚合物。其在遠高於其tg的溫度下(通常在約700℉下)在融化狀態下進行加工以實現流動並且凝固，因此其對剛性結構狀態施加熱和冷。另一方面，典型環氧樹脂和聚醯亞胺為熱固性材料，意思是在室溫或接近室溫下其通常以低粘度單體樹脂形式應用並且隨後通常在高溫及/或壓力條件下固化一段時間以形成稠密交聯的高分子量結構材料。與熱固性樹脂相比，如peek的熱塑性樹脂需要極不同的製造技術和設備。

pmc內的熱傳導易於受纖維的取向強烈影響，在長絲的縱向方向上高於橫跨方向。視使用哪種特定碳纖維而定，舉例來說，pan纖維的導熱率在縱向方向上可以高於鋼(約20-40w/m·k)，但在橫向方向或徑向小於10w/m·k。，固化pmc中的纖維之間的樹脂的導熱率甚至比纖維的橫嚮導熱率更低。當pmc用作槍管的外殼時，解決熱量問題成為困難，因為大多數熱量必須以徑向穿過複合物外殼傳導到槍管的外表面和周圍大氣，從而需要使熱量輸送穿過樹脂並且橫跨個別纖維。

導熱率不僅受樹脂、纖維和任何添加劑的類型以及其相對比例影響，而且受纖維的尺寸和添加劑粒子的尺寸影響。舉例來說，典型個別pan碳纖維的直徑可以在約5與10微米之間。碳纖維長絲束包含多個纖維，其中通常用於槍枝槍管應用的纖維束具有約6,000到24,000個個別纖維。在經樹脂塗布的碳纖維束纏繞於槍管周圍並且固化之後，樹脂將所有連續強化纖維粘結在一起以提供機械完整性和耐久性。理想地，固化的樹脂將主要地填充個別碳纖維之間的所有空隙。在pmc中個別碳纖維之間的體積或空隙(互換地稱為「未佔用體積或空隙」、「纖維間體積」或「間隙空隙」)因此理想地由固化樹脂佔據。在微米級(即纖維直徑的標尺大致為10微米)下，熱量由熱鋼內槍管傳遞穿過pmc的明顯障礙為纖維之間的樹脂的導熱率較低、聚合物基質纖維界面的熱傳遞阻力以及聚合物添加劑粒子界面的熱傳遞阻力。

導熱填充劑粒子對樹脂粘度的作用視許多因素而定，如尺寸、尺寸分布、形狀以及粒子彼此之間和粒子與樹脂的相互作用。理想地，導熱添加劑的有效存在為樹脂混合物均勻分散於整個間隙空隙中。然而，間隙空隙並不均勻；空隙可在例如約<1微米到約50微米的範圍內。因此，有效量的尺寸小到足以佔據較小間隙空隙的粒子將易於使樹脂混合物過粘稠，並且如果較小添加劑粒子在較大間隙空隙中「結塊」，那麼可能使基質局部弱化。另一方面，如果導熱材料粒子尺寸過大，大於可獲得的間隙空隙，那麼其將不能放入較小間隙空隙中，因此使連續強化纖維移位。這就使得複合物纖維體積分數較低，機械特性受損並且整個pmc中的導熱率較低。

所需的是用於複合物槍枝槍管的外殼的pmc樹脂混合物，所述pmc樹脂混合物在製造上可行，當固化時耐受高操作溫度和/或實際上更多地將由槍枝的快速或持續射擊產生的熱量傳遞到周圍大氣，並且輕、堅硬以及堅固。

技術實現要素：

公開一種複合物射彈槍管，其包含適應較高溫度操作的新聚合物基質複合外殼。在一個實施例中，本發明包含引導可發射射彈的路徑的槍管，其包括界定軸向孔的內襯和圍繞並且直接接觸內襯的外殼，所述外殼由包含樹脂混合物和纖維的聚合物基質複合物製造，其中所述樹脂混合物的全固化玻璃化轉變溫度tg大於500℉。在另一實施例中，穿過pmc的熱傳導通過使導熱添加劑包括在樹脂混合物中得以促進，所述導熱添加劑包含直徑在約0.1微米與10.0微米之間的大體球形的金屬粒子。

應了解，本發明可以由具有類似效用的許多射彈槍管造型和模型實施並且可以實施於其它結構，在所述其它結構中纖維與樹脂組合併且纏繞或以其它方式構築於伸長軸周圍。

附圖說明

當與以下詳細描述和附圖結合考慮時，本發明的這些和其它特徵和優勢將更容易理解，其中：

圖1圖示裝備有複合物槍管的步槍；

圖1a為圖1中所示的複合物槍管的一部分的剖視圖；

圖2圖示樹脂纖維束纏繞系統；

圖3圖示幹浸漬纖維束纏繞系統；

圖4為展示複合物槍管的實施例的剖視圖解；並且

圖5為穿過範例聚合物基質複合物的截面的放大視圖。

具體實施方式

參見圖式，其中在若干視圖中類似編號指示類似或對應部件，圖1展示裝備有機匣12、槍託、扳機、槍管14以及其它熟悉特徵的栓式步槍10。在所示實施例中，槍管14通過螺紋16與機匣12牢固地接合。在操作中，將彈藥筒插入到機匣中。藥筒具有含有火藥裝料的基底部分和可發射射彈，即子彈。當射擊者扣動扳機時，撞針撞擊藥筒的基底，使火藥裝料點火併且使子彈發射穿過軸向孔24並且從槍口18中射出。

如圖1a中所示，槍管14由內襯22和外殼20構成。在一個實施例中，內襯22由如鋼合金的金屬製成。如不鏽鋼的金屬內襯有助於製造沿軸向孔24的陽線和陰線以及槍管槍口和/或後膛端的螺紋。內襯還可以為非金屬材料，如陶瓷或聚合物基材料。外殼20為如下文較全面描述的包含碳纖維和樹脂混合物的固化聚合物基質複合物(pmc)。內襯22無需為均勻圓柱形。舉例來說，內襯22可以在後膛端徑向擴展以適應插入到機匣12中的螺紋16的切割，在槍口18向外變成錐形，或視槍枝的所需特徵而定包括其它配置。外殼20同樣可以包括非圓柱特徵或在槍管14的長度上是不連續的。

外殼20在界面26處與內襯22直接接觸。可能需要促進界面26處內襯22與pmc外殼20之間的粘著或抑制腐蝕。對於本說明書和權利要求書來說，「直接接觸」的意思是界面26處的內襯22的外表面可以包括在內襯22上製造外殼20之前施用的表面處理。舉例來說，pmc外殼20在界面26處與鋼內襯22「直接接觸」，甚至將鋼內襯的表面電鍍、陽極化或用如油漆、樹脂或其它物質的化合物或混合物塗布。

圖2展示適用於製造具有pmc外殼20的複合物槍枝槍管14的簡化的纖維束纏繞系統30。在一個實施例中，外殼20包含由纖維束卷盤32提供的連續纖維長絲或纖維束34。在另一實施例中(未展示)，纖維可以呈織物或編織形式。碳纖維通常因其高硬度、高強度以及低密度而有利地用於pmc槍枝彈筒。術語「碳纖維」一般用以描述碳和石墨纖維，與其製造過程或前體材料無關，並且確切地說包含pan前體與瀝青前體碳纖維。在一個實施例中，纖維束34為pan碳纖維長絲束，如可購自康乃狄克州斯坦福德的赫氏公司(hexcelcorporation,stamfordconnecticut)的hextowim2a。然而，纖維束34還可以為瀝青碳纖維，如可購自日本東京的日本石墨纖維公司(nippongraphitefibercorporation,tokyo,japan)的granoccn-60-a2s，或任何適合用於製造複合物的纖維，包括克維拉(kevlar)、玻璃、石英、陶瓷、礦物質、碳、金屬、石墨或通過組合不同類型的纖維形成的纖維的交雜以增加在單一強化纖維下不可得到的特徵。

通過充當心軸的旋轉內襯22以一定拉力從纖維束卷盤32拉拔纖維束34。內襯22放置於夾具47之間並且圍繞軸向孔24旋轉。旋轉內襯22拖曳纖維束34穿過樹脂混合物36，圍繞浸沒在樹脂浴35中的一系列滾筒38浸漬，其中滾筒38有助於將樹脂混合物36壓入纖維束34中。所屬領域的技術人員將理解，存在多種將樹脂塗覆於纖維束的方式。在另一實施例中(未展示)，可以拉拔纖維束34跨越用樹脂潤溼的半浸沒旋轉鼓輪的上表面。

快速移動纖維束34穿過樹脂混合物36並且圍繞滾筒38會產生渦流和湍流，從而有助於使樹脂混合物36內的樹脂固體和其它顆粒保持懸浮。任選地，放置於樹脂浴35中的攪拌器(未展示)可以用以促進均勻混合以及樹脂、溶劑和任何添加的顆粒或以固體形式添加到樹脂混合物36中的其它導熱材料的粘度。攪拌器可以為由馬達驅動的機械漿、由泵驅動的樹脂混合物再循環系統、超聲波攪拌器或使固體和顆粒維持懸浮的其它構件。

在用樹脂混合物36浸漬長絲之後，從纖維束去除過量樹脂混合物。過量樹脂混合物可以通過獨立或組合的具有適當間隙設定的軋輥40、刮板(未展示)、適當尺寸的模具(未展示)和/或所屬領域中已知的其它構件從纖維束去除。

樹脂浸泡的纖維束42離開樹脂浴35並且拉拔穿過由長絲引導結構44控制的長絲引導孔口46。任選地，在樹脂浸泡的纖維束42離開樹脂浴35之後，一或多個加熱元件48可以通過熱單元48閃蒸出樹脂混合物36中存在的第一階段揮發物。加熱單元致使樹脂浸泡的纖維束42中存在的一些或甚至大多數任何溶劑揮發。加熱元件48可以放置於樹脂浸泡的纖維束42的路徑上的任何地方，包括加熱心軸內襯22本身。加熱元件可以為輻射加熱器、管式爐/加熱器、對流加熱器或加熱樹脂浸泡的纖維束42的其它構件，包括組合的不同類型的加熱元件。

在過量樹脂混合物36以機械方式去除並且任選地經歷加熱之後，樹脂浸泡的纖維束42以所需螺旋樣式纏繞於內槍管周圍並且達到所需直徑。長絲引導結構44包含如下機制：以大體平行於軸向孔24的橫向運動移動長絲引導孔口46，由此沿旋轉內襯22來回引導樹脂浸泡的纖維束42，以使得樹脂浸泡的纖維束42以螺旋纏繞樣式施加到內襯上。長絲引導孔口46本身還可以相對於長絲引導結構44旋轉或轉移。

應了解，如果內襯22以恆定速率旋轉，那麼長絲引導結構44的較快橫向移動將產生螺旋纏繞樣式的樹脂浸泡的纖維束42，其特徵為相對於軸向孔24的纏繞角較小。在快速橫向速度下，樹脂浸泡的纖維束的螺旋纏繞角小，相對於軸向孔24幾乎為縱向的。相反，長絲引導結構44的較慢橫向移動將產生較大的相對於軸向孔24的螺旋纏繞角。在極慢橫向速度下，樹脂浸泡的纖維束42的纏繞角可以為幾乎環形的箍，差不多90°。對於權利要求和本說明書來說，此類幾乎環形的箍仍然為「螺旋的」。纖維束纏繞系統30可以由計算機處理器控制，以使得內襯22的旋轉速度、長絲引導結構44的橫向移動、長絲引導孔口46的運動、施加到纖維束34的拉力以及其它方面可以由使用者程序化控制以產生所需樣式和順序的纏繞角、層數以及層的厚度。此類系統可購自例如威斯康星州斯科菲爾德的羅斯大道300號54476的麥克萊恩安德森公司(mcleananderson,300rossavenue,schofield,wisconsin54476)。

在優選實施例中，樹脂混合物36包含熱固性pmr聚醯亞胺樹脂。然而，目前可獲得的聚醯亞胺樹脂在室溫下過粘稠，在不添加過量溶劑下不能令人滿意地塗布纖維束34。另外，樹脂固體或如顆粒的其它組分可以分散在樹脂混合物36內。因此需要額外措施，如加熱或溶劑化樹脂混合物36以降低粘度並且確保纖維束34令人滿意地浸漬。

樹脂浴35可經配置以使用所屬領域的技術人員已知的技術加熱樹脂混合物36，如使如水的熱流體循環穿過圍繞樹脂浴35的夾套，或施加加熱元件到樹脂浴35的底部或側邊，或經由浸沒在樹脂混合物36中的加熱盤管。包含熱固性聚醯亞胺樹脂的樹脂混合物36可以加熱到約200℉，確切溫度視樹脂的特徵和所用溶劑的揮發性而定，其中在某種程度上較低溫度為優選的。較高溫度使樹脂混合物36較不粘稠，從而使得能夠更好地浸漬並且更均勻地纏繞，但會促進溶劑損失並且可促進聚醯亞胺樹脂中(例如過早發生固化反應(例如亞胺化反應)，由此降低樹脂的「適用期」。

樹脂混合物36優選地包含溶劑。許多溶劑均可以用以使聚醯亞胺樹脂較不粘稠，包括醇、非質子溶劑以及其混合物。pmr聚醯亞胺樹脂通常將包括充當溶劑的醇共反應物。沸點較低(即較高揮發性)的溶劑一般更需要，因為其可以更容易在如熱單元48的加熱單元下閃蒸出樹脂浸泡的纖維束42。甲醇和乙醇為優選的溶劑。本發明人已確定在樹脂浴35中加熱p2si635lmpmr聚醯亞胺樹脂混合物36到約40℃到60℃，並且添加甲醇溶劑以將樹脂混合物36的粘度降低到約1000cp，會產生良好樹脂浸漬和均勻長絲纏繞操作。有可能通過添加更多溶劑獲得較低粘度和更好的處理特徵。然而，過多溶劑將導致樹脂混合物36中的樹脂固體不足以用樹脂充分浸漬碳纖維束34。使用過高溫度降低樹脂粘度會引起不合需要的副作用，所述副作用會降低聚醯亞胺聚合物基質的固化熱量和機械特性。

樹脂混合物36中如甲醇的溶劑具有與聚醯亞胺樹脂相比較低的沸點。優選地，樹脂浸泡的纖維束42在由後續纖維束繞圈覆蓋之前閃蒸出許多或大多數溶劑。如上文所論述，加熱構件可以包括一或多個輻射加熱器48、管式加熱器、對流加熱器、源自加熱心軸的導熱或其它加熱構件。在一個實施例中，管式加熱器包圍樹脂浸泡的纖維束42並且沿纖維束向後朝向樹脂浴35吹氣加熱到約300℉的空氣，並且輻射加熱器會將熱量引導到旋轉內襯22上。

並非拉拔纖維束穿過潤溼樹脂，幹浸漬纖維束(即先前已經具有高玻璃化轉變溫度的樹脂塗布和/或浸漬的纖維)可以環繞於旋轉內襯22上，接著在熱和/或壓力下乾式固化。醯亞胺化浸漬纖維束可以由首先以如下方式將聚醯亞胺樹脂加工成部分固化的狀態來製造。將可聚合單體聚醯亞胺樹脂加熱到約300-500℉維持約30分鐘到四個小時之間，以醯亞胺化樹脂，以使得形成具有反應性封端的寡聚物。優選地，抽取熱量並且將樹脂冷卻，之後寡聚物上的功能性封端劑開始明顯反應和交聯。目前呈固體形式的醯亞胺化聚醯亞胺樹脂接著可以研磨成精細粉末。這一粉末接著可以靜電方式塗布於纖維或分裂條帶上，接著在再纏繞之前任選地以熱方式熔融到纖維或條帶。

圖3展示與圖2的纖維束纏繞系統類似的浸漬纖維束纏繞系統。纖維卷盤32帶有如上文剛剛所描述製備的部分固化的浸漬纖維束37的供應器。替代樹脂浴，浸漬纖維束在施加到旋轉內襯22之前和/或期間加熱以將先前併入到浸漬纖維束37中的部分固化的聚醯亞胺樹脂軟化，因此使其流動並且有助於凝固。圖3展示可能的加熱技術的若干變化形式，包括管式加熱器39和輻射加熱器41。其它熱源包括紅外加熱器、熱氣射流以及雷射加熱。浸漬纖維束與旋轉內襯22可以高於聚合物的熔點進行加熱以在浸漬纖維束與內襯之間實現熔融物/熔融物接觸。旋轉內襯22可以例如通過輻射加熱器41和/或放置在軸向孔24內的通過筒式加熱器(未展示)加熱。單獨或組合形式的前述加熱器類型中的任一者可用以加熱浸漬纖維束和/或內襯，以使得浸漬纖維束與內襯實現良好熔融物接觸。經軟化並且加熱的浸漬纖維束43以與針對上述潤溼樹脂纖維束纏繞系統所述類似的方式纏繞在內襯22周圍。

圖4展示由所述纏繞系統製造的範例槍管14，其包含pmc外殼20，所述pmc外殼逐漸切開以展現多個由圍繞內襯22纏繞樹脂浸泡的纖維束42(或經加熱的浸漬纖維束43)產生的纏繞層。在所示實施例中，每一纏繞層具有不同螺旋環繞角。第一層50具有第一環繞角58，第二層52具有第二環繞角60，並且第三層54具有第三環繞角62。層的數量可以為任何數量，並且纏繞角和每一層的厚度同樣可以發生改變。

在另一實施例中，樹脂混合物36(或乾燥的部分固化浸漬纖維束37)還包含導熱添加劑粒子。添加劑微粒理論上可以包含任何具有與pmc中的樹脂相比導熱率較高的固體，如金屬、陶瓷或短切瀝青碳纖維。石墨烯片、經研磨石墨泡沫或碳納米管還具有良好導熱率。由於金屬的相對低密度、較高導熱率、成本以及固化pmc內的其它優良屬性的組合，所以其為優選的導熱添加劑材料，並且更優選為鋁。

如上文所指出，添加明顯量的熱傳導添加劑會不利地增加樹脂混合物36的粘度。舉例來說，石墨烯片呈現極好導熱率，但易於使樹脂混合物不可接受地粘稠。石墨烯片的面積可以(x-y方向)在1與50微米(μm)之間，但厚度僅為約50-100納米(nm)，從而產生接近1000:1的縱橫比。具有此類高縱橫比的粒子會加重折磨上文所論述的聚醯亞胺樹脂的粘度問題。本發明人已確定並非聚焦於具有最好的導熱率的添加劑材料，替代方法為採用相對於添加劑體表面積添加劑體積達到最大的材料。這一方法表明添加劑粒子應為大致球形的。

在一個實施例中，添加劑粒子為金屬並且具有大體球形的形狀。金屬球包含大致0.2重量％到50重量％的樹脂混合物36(約0.1體積％到25體積％)。在另一實施例中，添加劑粒子本身包含兩個或兩個以上尺寸以更高效地增加複合物的導熱率，並且對加工特徵的影響最小。樹脂混合物36具有至少兩個尺寸的導熱粒子會改良間隙空隙內的粒子填充，並且對樹脂粘度的影響較小，並且因此改良熱傳遞特徵，同時保持粘度可管理。

圖5展示固化聚合物基質複合物70的一個實施例的放大截面視圖。聚合物基質複合物70可以通過潤溼纏繞樹脂或通過纏繞先前施用於浸漬纖維束的部分固化的樹脂來製造。圖5展示大體彼此平行排列並且由固化樹脂74包圍的個別纖維股線/長絲72的切割端。樹脂74佔據纖維股線72之間的空隙。個別纖維股線大體平行並且直徑為大致3到15微米(μm)。間隙空隙可以在約1微米到約50微米的範圍內。在一個實施例中，多個尺寸的熱傳導添加劑粒子，優選地球形金屬粒子分布於樹脂74和纖維股線72內的間隙空隙中和樹脂74內的間隙空隙中。

在所示實施例中，纖維股線72的直徑為大致7μm，並且熱傳導添加劑包含三個尺寸的大致球形的鋁粒子，最小粒子76的直徑為約0.1-1μm，中等粒子78的直徑為約1-3μm，並且大粒子80的直徑為約3-4μm。這些粒度可依據例如纖維的尺寸而改變。舉例來說，最大粒子可以測量為10μm。大多數添加劑由小粒子76和中等粒子78組成；明顯較小的部分為大粒子80。通過以此類方式配製和分布導熱添加劑，許多粒子將極為接近或甚至彼此觸碰，並且優選地極為接近和/或觸碰相鄰纖維束72，其中較大粒子易於佔據較大間隙空隙並且較小粒子佔據較小空洞，所述空洞先前由在固化過程中揮發的樹脂混合物36的溶劑或揮發性部分佔據。熱傳導添加劑粒子的導熱率比樹脂74高，由此製造更能導熱的pmc。通常，多個尺寸的導熱添加劑球佔據較高體積分數的以其它方式存在於pmc中的間隙空隙，從而使外殼20的導熱率較高。

在纏繞潤溼樹脂纖維束42或加熱的浸漬纖維束43之後，複合物槍管14從夾具47去除並且經歷熱和/或壓力以使熱固性聚醯亞胺樹脂完全固化。對於潤溼樹脂系統，視在固化方法開始之前存在的揮發物的量而定，完全固化可能需要去除約新近纏繞的pmc結構的15質量％。一般優選地為先前在固化過程中去除揮發物以使基質中的空洞形成減到最小。

與纖維束潤溼或乾燥纏繞於內襯22無關，與常見環氧樹脂基樹脂相比，併入聚醯亞胺樹脂的結構更難以固化。確切地說，在潤溼樹脂應用中，難以從纖維樹脂基質去除揮發物而不會產生空洞。當聚醯亞胺樹脂用於平坦或大半徑面板時，揮發物輸送更容易，因為揮發物可以逃逸到表面的敞開邊緣，和/或更容易在織物層之間遷移。然而，在長絲纏繞應用中，這些氣體可以滯留於繼續繞圈之間。

pmc中的空洞具有不合需要的降低強度、硬度以及導熱率的作用。與固化平坦的經浸漬織物薄片相比，當固化通過長絲纏繞製造的物品時，甚至更難以獲得令人滿意的結果。不可滲透的內襯22迫使揮發物以徑向向外遷移穿過多個稠密纏繞層(其中較小部分的揮發物遷移到槍管14的後膛和槍口18)。另外當導熱添加劑存在於樹脂混合物36中時，固化問題可以複雜化。

根據一個實施例的固化外殼22如下來製造：首先提供併入pan碳纖維和樹脂混合物36的新近纏繞的槍管，所述樹脂混合物包含p2si635lm聚醯亞胺樹脂和約40重量濃度％的1與5微米之間的大體球形的鋁粒子。在固化之後此類樹脂混合物36的玻璃化轉變溫度為約635℉。潤溼纖維束42穿過如上文所述的管式加熱器，接著使用圖2中所描繪之潤溼樹脂系統纏繞於內襯22周圍，以按多個纏繞角產生多個纏繞層。接著將新近纏繞的槍管放置於烘箱或高壓釜中並且在一系列階段中固化。

在第一階段中，高壓釜中的溫度逐漸升高，經約5到10小時，達到約350℉。為有助於將揮發物輸送出pmc，在這一階段期間可以對槍管14施加真空。在第二階段中，烘箱或高壓釜溫度增加到約500-536℉維持2與8小時之間，以價格pmr聚醯亞胺樹脂混合物溶液醯亞胺化，以形成具有反應性封端的寡聚物。在這一階段，所有揮發物基本上從複合物外殼去除並且寡聚物上的功能性封端劑可以開始反應和交聯。在固化的這一第二階段期間，時間10與400psi之間，優選地為約200psi的壓力以有助於凝固。在第三階段中，烘箱或高壓釜內的溫度甚至進一步升高到約600-700℉優選地維持至少四小時，以實現最終固化，即通過與封端劑反應醯亞胺化聚醯亞胺實質上完成交聯並且使碳纖維/樹脂混合物基質穩定。烘箱或高壓釜內的總固化時間優選地為14-24小時。在第二和第三階段期間高壓釜可以保持加壓。

在冷卻之後，將固化槍管14放置於車床上並且用一或多個如金剛石塗布的研磨和拋光輪的磨料工具研磨到所需加工直徑。對於權利要求和本說明書來說，「圍繞並且直接接觸內襯」的意思是外殼20沿槍管14的軸向長度的至少一部分圍繞並且直接接觸內襯22；例如在槍口18、螺紋16或槍管14上的任何其它所需位置可以暴露內襯22的一部分。

上述pmc實施例包括玻璃化轉變溫度大於500℉的熱固性聚醯亞胺樹脂混合物，從而允許槍管14的較熱操作。與通常經歷約140-400℉的玻璃化轉變並且具有相對較低熱穩定性的環氧樹脂基樹脂混合物相比，此類樹脂表明優良的熱穩定性。槍管14的結構不僅能夠更好地耐受較高溫度，而且額外益處為較高操作溫度有助於從金屬內襯22到周圍大氣的熱傳遞，這是因為外殼20的外表面與氛圍之間的溫差較高。

已根據相關法律標準描述前述發明，因此本說明書本質上為示範性而非限制性的。所公開的實施例的變化和修改對所屬領域的技術人員可以變得顯而易見並且屬於本發明的範圍內。