工程塑料在輕武器上的應用及發展

王沛， 夏柳， 蔡歡喜， 武偉超*， 王強， 劉業寶

(1. 北京理工大學機電學院， 北京 100089； 2. 31700部隊， 遼陽 111000； 3. 航天時代飛鴻技術有限公司， 北京 100089)

在中國經濟騰飛式增長的背景下，技術的變革越來越受到人們的關注，而科學技術發展的物質基礎便是材料。在19世紀初期，高分子材料就進入了大眾的視野，經過100多年不斷的發展和完善，高分子材料已經成為人們日常生活中不可或缺的一部分。高分子材料主要分為塑料、橡膠、纖維三大種類，其中塑料根據用途又可以分為通用塑料、特種塑料和工程塑料[1]。工程塑料是指具有優異的力學性能以及耐熱性能，可用作結構材料，在較寬的溫度范圍內持續使用并保持良好的尺寸穩定性的新型塑料材料。在過去十多年中，中國工程塑料行業產值年均增長在20%以上，企業規模高速擴張，拜耳、杜邦等跨國公司也先后進入中國合成樹脂領域[2]，極大地提升了工程塑料產品的產能，推動了塑料行業的發展[3]。工程塑料資源廣泛、成型加工簡單、強度高、質量輕，塑料復合材料又具有低密度，高比強度，絕緣性，良好的耐腐蝕性、耐熱性、耐磨性等特點[4-6]。并且工程塑料的改性技術日益成熟[7-11]，改性方法一般為共混改性和填充改性[12]，常見共混改性包括嵌段共聚法[13]、機械共混法[14-15]、反應共混法[16]等，填充改性分為一步法和兩步法[17-19]，通過對工程塑料的改性，可以大幅度增加其應用領域。目前在軍工領域工程塑料也起到了重要的作用，已經從兵器工業中的替用品漸漸變為發展新型兵器必不可少的材料[20]。

20世紀末，高新材料技術的興起掀起了一場新的軍事革命。高新材料技術是指輕質化材料技術、功能材料技術、智能材料技術等[21]，它們對現代戰爭具有重大的影響，也改變了軍隊的武器裝配。輕質化材料技術對輕武器的發展做出了巨大貢獻，在提高武器輕量化、功能化和高性能化的同時，對下一代新型武器的研發與設計也有著全面而深刻的影響。輕武器一般是指由單兵或者班組攜行戰斗的武器，其種類繁多，可裝配于各種基礎裝備之上，使用范圍較廣，不僅是步兵作戰的主要武器，更是全軍通用性武器裝備[22]，其中槍械和彈藥是使用最為普遍的輕武器。輕武器發展的必然趨勢是單兵綜合作戰系統，該系統旨在最大限度地提升單兵作戰能力，使士兵與武器裝備形成一個有機整體，進而全面地增加了單兵的生存力、殺傷力、機動能力、指揮與控制能力以及耐久能力，實現輕武器的突破。以往在評價武器裝備水平時，通常是以單件武器的性能為主，而現在的評價標準則是單件武器裝備和單個戰斗單元以及聯合作戰體系是否能夠實現一體化，是否具有通聯性和聯動性。一體化是單兵系統建設的內在要求，也是融入聯合作戰體系的迫切需要[23]。因此，為了實現單兵輕武器“一體化”，在不斷研制新材料、提高輕武器的性能的同時，還需要找到合適的加工方法，根據士兵的個性化需求高效定制武器裝備。將工程塑料應用在輕武器上可以有效實現武器輕量化，促進單兵輕武器“一體化”，從20世紀中旬起國內外研究者們已經進行了大量的探索[24]。

1 工程塑料在槍械上的主要應用

1.1 工程塑料在槍械上應用的優勢及要求

工程塑料及其復合材料之所以能夠廣泛地用于槍械的制造，是因為其自身具有許多木制和金屬材料不具備的優勢[25]，從而使其逐漸發展為兵器工業中不可或缺的重要材料。槍械上的木制零部件在使用一段時間后就會出現松動，連續射擊時木頭會被燒焦，拼刺時容易折斷，在熱帶地區容易發霉，淋雨后膨脹使質量加大等，并且木制零部件的木材利用率很低，加工工藝復雜，質量較重，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。工程塑料的優點如圖1所示。

這些特點使得工程塑料被廣泛應用于槍械的各個方面。在不同的構件上，對于工程塑料的性能有不同的要求，需要根據不同構件在槍械上發揮的主要作用來選擇合適的工程塑料制件，如圖2所示。在用作受力構件和次受力構件時，工程塑料制件不僅要具有耐磨性、耐腐蝕和抗老化性能，還需具備較高的強度、剛性和韌性；在用作高頻受力構件時，制件的受力情況比受力構件的更加苛刻，所受作用力大而頻繁。如處于戰斗狀態中的擊錘每分鐘會發射幾百甚至上千發槍彈，擊錘會受到成百上千次沖擊，并且對機構動作的準確性要求很高，因此對材料的性能具有更嚴苛的要求。該類制件除了具備耐磨性、耐腐蝕、抗老化性能外，還必須具有優異的強度、剛性、韌性和耐沖擊疲勞強度；在用作與火藥氣體直接接觸的耐高溫高頻受力構件時，其工作條件極其惡劣，在火藥氣體的高溫高壓環境下，槍彈在發射時的溫度高達200～500 ℃?；钊寵C等可活動制件每分鐘往復運動幾千次，因此對所用工程塑料的要求除了具備高頻受力構件的一系列性能之外，還需要有很高的熱變形溫度。一般的工程塑料難以達到這些要求，故常選用碳纖維復合材料制備該類制件[26]。

圖1 工程塑料在槍械上使用的優點Fig.1 Advantages of engineering plastics applied on firearms

圖2 槍械上不同構件對工程塑料性能的要求Fig.2 Performance requirements of engineering plastics for different components of firearms

1.2 工程塑料在槍械上的應用

從20世紀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，該公司研發的AUG 5.56 mm的步槍是槍械應用工程塑料的模范，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的20%，其握把、槍托、彈匣、扳機和擊錘等部件都采用了工程塑料制件，這些部件堅固且不會生銹，具有良好的耐沖擊、耐高溫和耐磨性，因而有較長的使用壽命[27]。除此之外，斯太爾公司研制的半自動手槍SSP 9 mm和摧毀物資器材步槍AMR 15 mm也廣泛應用了工程塑料及其復合材料。奧地利研發的格洛克 (CLOCK) 17手槍由34個零部件組成，其中有14個零件為工程塑料制件，塑料件占比高達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、瞄準器、擊發機構和間隙套筒等制件也都為工程塑料。

1944年，美國研發的7.62 mm勃朗寧半自動步槍用玻璃纖維增強酚醛樹脂作為槍托和護木，如圖4 (a)所示。隨后用棉布增強酚醛樹脂用作AR-10自動步槍的槍托、護木、握把、彈匣等部件。1957年，美軍換裝了M14 7.62 mm步槍，該槍采用玻璃纖維增強聚酯樹脂作為槍托和護木，使得槍托強度提高的同時，質量也降低了30%。在連續射擊500發槍彈之內，木制槍托容易出現燃燒和碳化，而塑料槍托基本無損，如圖4 (b)所示。在M14步槍的研究基礎之上，M16 5.56 mm步槍的槍托、護木和握把全部采用織物增強高沖擊強度酚醛樹脂制備。隨后的M16 A1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，整體性能明顯強于酚醛樹脂槍托，如圖4 (c)所示。另外，M16 A2步槍的槍托和護木由超韌性尼龍制成，該槍槍托的力學強度要遠高于M16 A1步槍。如圖4 (d)所示，AR-7運動槍使用ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)樹脂制備槍托、前托和工具容器，M60輕機槍也用該塑料作為握把；5.56 mm雷明頓步槍的槍托使用尼龍66通過一次性注射成型的方法制備而得，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尼龍復合材料制備；ASP 9 mm手槍用聚碳酸酯作為透明握把，5.56 mm和4.32 mm步槍用聚碳酸酯作為透明彈匣；M86 LR 300溫切斯特大威力狙擊步槍和M87 ELR 12.7 mm狙擊步槍的槍托均由玻璃鋼制備而得。

圖3 步槍和手槍Fig.3 Rifle and pistol

圖4 各類步槍 Fig.4 Various rifles

俄羅斯在工程塑料在槍械上的應用研究起步較晚，20世紀70年代研發的AK-74突擊步槍的彈匣由玻璃纖維增強熱固性樹脂制成，具有良好的力學性能，且比金屬彈匣的質量減輕了28.5%，如圖5 (a)所示。RPK-74輕機槍用玻璃纖維增強塑料制備槍托，如圖5 (b)所示。AR-74 4.5 mm突擊槍的彈匣采用玻璃纖維增強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合材料，其占比遠超其他沖鋒槍，機匣使用一次性模壓成型的方法制備而得，176發透明彈鼓和大量的小型零部件都由纖維增強塑料制得；比利時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個零部件中有27個為工程塑料制件，如圖5 (c)所示；瑞士的STG90 5.56 mm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FAMAS 5.56 mm步槍中的槍托、發射機座等33個零部件用30%和60%的玻璃纖維增強尼龍11制得，占全槍總部件數的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酚醛樹脂制得；德國HK公司的無殼彈先進戰斗步槍的機匣由玻璃纖維增強尼龍塑料制得，槍管和瞄準器由高強度工程塑料通過一次性模塑成型得到。

就中國而言，中華人民共和國成立初，很快完成了第一代裝備體系，并將目光放在了工程塑料在輕武器上的應用。為了減少武器質量和節約木材，中國從20世紀60年代開始了工程塑料在輕武器上的應用研究[28]，逐漸走過了以塑代木，以塑代金屬制備受力構件、次受力構件、高頻受力構件等關鍵零部件的道路。中國研制的56式沖鋒槍[圖6 (a)]、56式半自動步槍、63式自動步槍的槍托均使用玻璃鋼制成，其護木、握把和63式自動步槍的彈匣、油壺和握把都使用了高強度工程塑料；為了取代54式7.62 mm手槍，中國自主研制了92式手槍，使用熱塑性好、強度高的工程塑料整體握把結構代替傳統的金屬槍底把，加工工藝簡單，注塑一次成型，一致性、經濟性好[圖6 (b)]。5.8 mm一代、二代自動步槍的槍托、護木、握把、彈匣等11個零部件均由玻璃纖維增強改性尼龍66和尼龍610制備而來。

圖5 步槍和沖鋒槍Fig.5 Rifles and submachine guns

圖6 沖鋒槍和手槍Fig.6 Submachine gun and pistol

為了加深對輕武器中工程塑料性能的了解，近年來一些研究者對槍用工程塑料的環境適應性進行了研究。范啟勝等[29]針對輕武器中工程塑料在使用過程中性能逐漸下降的問題，對A、B兩種材料做了熱老化實驗和壽命預測。將A、B兩種材料分別在50、60、70、80 ℃的環境下放置不同的周期，隨后測試不同環境和周期中兩種材料的沖擊強度，最后通過多項式擬合曲線方法對材料的貯存壽命進行預測。實驗結果表明，相同的實驗環境中，材料B的失效時間要遠遠大于材料A的。根據不同環境溫度下材料的失效時間，使用3階多項式對數據進行擬合，由擬合方程推算出A、B兩種材料在常溫下(20 ℃)的失效時間分別為694.53 d和1 370 d。胥澤奇等[30]使用實驗室環境試驗的方法，對5種槍械上用作上、下護手的工程塑料和4種用作槍械彈匣的工程塑料進行了耐磨性、耐候性、常貯性和抗霉性試驗，選出了各方面綜合性能最好的2種材料進行自然環境試驗站的自然環境試驗驗證。實驗結果表明，經過改性處理的槍械上、下護手及彈匣比未經改性的樣品工藝環境適應性要好很多，其耐環境變色能力大幅度提高，未出現明顯粉化現象，僅在海洋環境下出現少量增強纖維外露情況。

自20世紀30年代尼龍66實現工業化以來，工程塑料迅速發展，種類不斷增加，在槍械上也得到了廣泛應用，如圖7所示。1961年，美國杜邦公司成功研制出性能優異的聚酰亞胺，打開了特種工程塑料的發展之窗。但是，特種工程塑料在槍械上應用得并不多，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用并不多，未來在改進服役槍械和研發新型槍械的過程中，可以適當增加此類高性能工程塑料零部件，提高槍械在極端環境下的使用性能。

1.3 存在問題及未來發展趨勢

雖然工程塑料在槍械上使用具備很多優勢，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，在使用過程中會出現摩擦后發白、受潮后發霉等狀況，這是因為在工程塑料中添加了提升其力學性能的增強纖維，由于長時間的摩擦，導致纖維外露，俗稱磨毛發白現象。另外，常用的五大工程塑料還存在如下問題。

(1)收縮率高，尺寸穩定性較差，吸水率偏大，在潮濕環境下尺寸變大，影響制件精密度。

(2)耐水解穩定性較低，對缺口敏感，耐化學性、耐磨性和耐刮痕能力差，長時間暴露于紫外線中會發黃。

(3)不耐酸，不耐強堿和不耐太陽光紫外線的輻射，耐候性差，高溫熱穩定性差。

(4)耐光性差，熔融流動性差，耐無機酸、堿、芳香烴、鹵代烴、油類等性能差。

(5)遇水易分解，在高溫、高濕環境下不宜使用。

為了解決上述問題，使得槍械上的塑料構件能在較苛刻的化學、物理環境中長期使用，對工程塑料進行改性以及制備工程塑料復合材料是最為常見的方法。同時，研發綜合性能更高的新型工程塑料，改進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。

2 工程塑料在彈藥上的主要應用

使用輕質量、高強度的工程塑料制備彈藥的零部件，可以起到減輕彈體質量、增加彈丸速度和射程、提高命中精準度和威力、降低彈藥成本等作用[31]，同時還能節省大量金屬材料，在國內外已經得到了廣泛的應用[32]。工程塑料在常規彈藥上的應用主要是發展彈托、彈帶和閉氣環三大系列。

圖7 部分工程塑料工業化時間及應用Fig.7 Industrialization time and application of some engineering plastics

2.1 在彈托上的應用

彈托材料在使用過程中經歷了兩次革命，第一次是由鋁合金代替合金鋼，第二次則是由工程塑料取代鋁合金，其主要目的是減輕彈托消極質量，提高彈丸初速和終點彈道威力[33]，還可避免彈托破裂后對友鄰槍手的傷害。

美國陸軍材料力學中心對大長徑比脫殼穿甲彈彈托用工程塑料及其復合材料進行了一系列的研究，包括彈托材料、有限元結構分析、結構優化設計理論和成型工藝等[34]。他們設計了兩種不同結構的卡瓣狀塑料彈托，一種是由4個卡瓣構成，另一種是由16個卡瓣構成。先用工程塑料制備卡瓣，再用機械和整體成型的方法把彈托固定在彈心上。在彈丸的射擊過程中，由于離心力作用，膛線與彈帶分離，彈托自由落下。此類彈托質量輕，成本低，塑料卡瓣可均勻脫落，飛行過程穩定[35]；美國Olin軍械公司在1984年研發的脫殼穿甲彈塑料彈托是由高強度工程塑料聚醚酰亞胺Ultem 1000制備而得，其懸臂梁沖擊強度高于640 J/m，壓縮強度在130.7 MPa以上，拉伸強度和剪切強度高于82.7 MPa，在射擊過程中彈托性能穩定，大幅度提升了彈丸的準確度和穿甲速度[36]；該公司還使用就地塑模法制備了無應力塑料彈托用于Phalanx彈，使得彈心、彈帶、彈塞和彈托能夠自動有效地配合，減輕炮管振動，提高打擊精度；美國太平洋技術公司研發的12.7 mm 脫殼穿甲彈的彈托使用了力學性能良好的聚碳酸酯復合材料，20 mm和30 mm口徑的穿甲彈使用尼龍基復合材料作為彈托；美國研發的“阿里法”槍彈運用了彈丸裝入塑料彈托內的組合結構，工程塑料特殊的潤滑作用能使摩擦造成的動能損耗降低至0.5%，該彈丸的初速度比常規彈丸大50%，后坐力減少36%，散步降低1/2～2/3[37]；近年美國還在纖維增強工程塑料上取得了較大的突破，使用碳纖維增強聚醚酰亞胺復合材料制備的120 mm M829A3穿甲彈彈托展現出了優異的性能，且制造成本較低；法國研發了一類可應用于不同口徑的手槍、步槍和沖鋒槍的西尼克斯高性能槍彈，該彈同樣采用了彈頭嵌入塑料彈托內的組合結構，降低膛內摩擦的同時提高射擊初速度；瑞士、德國、荷蘭等國也采用新型熱塑性樹脂復合材料制備了各類彈托用于不同口徑的穿甲彈，使得彈丸的綜合性能顯著提高；工程塑料在其他國外彈托上的應用情況如表1所示。中國在彈托中應用最為廣泛的工程塑料是尼龍材料，增強增韌尼龍66、增強改性尼龍610等材料已成功應用于25、30 mm脫殼穿甲彈彈托和30 mm曳光鎢合金脫殼穿甲彈彈托上。

表1 國外塑料彈托部分應用情況Table 1 Application of plastic sabot of foreign countries

2.2 在彈帶上的應用

塑料彈帶的研發始于20世紀40年代，于1954年研制出第一個塑料彈帶，其作用是降低膛線的磨損與燒蝕，提升彈丸初速度和速射能力，延長火炮使用壽命。塑料彈帶通常分為固定式和滑動式，固定式塑料彈帶常用于線膛炮和滑膛炮發射的靠旋轉穩定的彈丸上，滑動式塑料彈帶用于線膛炮發射的尾翼穩定的彈丸。塑料彈帶常用的材料有聚乙烯、聚苯硫醚、聚碳酸酯、聚甲醛、聚醚砜、聚四氟乙烯、尼龍等，這些材料擁有優異的延展性和抗撓曲性，受熱后能夠發生明顯的塑性流動，可以完美地嵌入膛線并密封彈丸，使之與炮管緊密結合，從而減少對炮管的磨損。

美國研發的M61A1式6管航炮彈中，鋼彈帶被塑料彈帶取代之后，其發射初速度由1 036 m/s提升到1 125 m/s，射速由6 000 發/min提升到7 200 發/min，壽命可達15萬發，生產成本也有所降低；30 mm GAV8/A艦炮穿甲燃燒彈采用塑料彈帶后，射速可達750發/min，炮管使用壽命提高了3倍；90 mm M431式破甲彈和105 mm M68U式脫殼穿甲彈都采用尼龍66制備滑動式彈帶，解決了彈體結合不牢固的問題，且制備方法簡單；通用電氣公司研發的30 mm口徑GAU-8/A“復仇者”7管炮彈采用了塑料旋轉彈帶，使得整個體系的質量減少了272 kg，導彈壽命有所延長。蘇聯研發的30 mm加特林6管機炮彈中，使用塑料彈帶取代銅彈帶后，初速度提高的同時，射速從3 000 發/min提升到9 000 發/min，槍管磨損降低，使用壽命延長；德國研制的27 mm毛瑟BK27式航炮彈使用塑料彈帶之后，與燒結鐵彈帶相比，生產成本下降，身管的磨損減少了90%，初速度提升了6%，并使連發射擊過程中相鄰兩發彈的初速跳動量降低；工程塑料在其他國外彈帶上的應用情況如表2所示。中國從20世紀70年代初開始塑料彈帶的研發工作，積極探索新材料、

表2 國外塑料彈帶部分應用情況Table 2 Application of plastic belt of foreign countries

新技術、新工藝在塑料彈帶研發中的應用，目前已取得了很大的進展。中國兵器工業集團在20世紀80年代成功研制出用于大口徑整體塑料彈帶的微晶纖維素(microcrystalline cellulose，MCC)、單體澆鑄(monomer casting，MC)尼龍和聚丙烯材料，同時發展了彈帶整體裝配成型工藝技術，分別應用于7種口徑脫殼穿甲彈9個不同彈種上，并已經取得了良好的效果，其性能在某些方面已經超過了國外同類彈帶[38]。

2.3 在閉氣環上的應用

塑料閉氣環也屬于塑料彈帶的一種，其主要作用是在彈丸發射時閉氣和定心。彈丸發射之后，塑料閉氣環會受到旋轉離心力、發射藥氣體作用力以及空氣阻力等作用力而破碎脫落[39]。目前塑料閉氣環在線膛炮和迫擊炮的各種不同口徑的炮彈上廣泛使用，且效果良好。

美國Martin Marietta公司研發了一類帶有V形槽的脫耦式塑料閉氣環，可用于線膛炮發射高精度炮彈。此類塑料閉氣環能夠刻入膛線，氣密性良好，能夠保證炮彈發射時有足夠的推力，又能讓炮彈在炮管末端脫離膛線，使其轉速低于20 r/s，并且可耐受204.4 ℃高溫。此類閉氣環分為陸軍和海軍使用的兩種類型。前者由對位芳綸增強127E型尼龍制備而得，在炮彈飛行過程中為炮彈的一部分，離開炮管時不會破碎，環形槽部分較穩定，V形原件部分容易變形，可刻入膛線；后者是未用纖維增強的127E型尼龍制備，炮彈發射后就會破碎。美國United Technogies公司用剛性較好的工程塑料制備了一種雙件消旋型閉氣環，它是由剛性環體和柔性滑動片組成，能夠在極端環境中使用，起到高壓和低壓密封作用，使炮彈在高速發射的過程中在炮管內保持合適的位置。中國制造的81、82、100、120 mm迫擊炮榴彈和105 mm破甲彈、155 mm 榴彈都使用了塑料閉氣環，其制備材料主要為聚砜、尼龍和聚乙烯。

2.4 塑料彈帶和彈托的作用機制

對于不同類型的炮彈，彈帶和彈托使用的塑料種類各異，其對彈藥的作用機制也有差別。每一種類型的塑料彈帶和彈托都具有其特殊的作用，但又存在基本的共同之處。主要作用如下。

(1)閉氣、定心、導旋和微旋作用。工程塑料具有優異的塑性變形能力，耐磨性較好，摩擦因數小，使得彈帶的摩擦熱低，利于裝配成型。因此塑料彈帶、彈托及閉氣環的閉氣定心效果要比金屬材料強，尤其是滑動式塑料彈帶的微旋作用是金屬彈帶不能做到的。

(2)提升射擊密度。由于塑料彈帶和彈托及閉氣環的閉氣定心效果，降低了彈丸靠向膛壁的速度，減少了膛壁彈丸間的作用力，彈丸的最大擺動角度也減小，因而減小彈丸在膛內振動和碰撞所產生的起始擾動和彈丸外彈道散布，進一步提升了彈丸彈道飛行穩定性及射擊密度。

(3)提高初速度和射程。塑料彈帶和彈托相較金屬材料有更好的密閉定心作用，可更加充分地利用火藥氣體的能量，降低摩擦剪切動能，改善內彈道性能，因此無論是對于線膛炮還是滑膛炮都能夠提升初速度和射程，增加彈藥威力[38]。

3 結語與展望

隨著高分子材料行業的蓬勃發展，中國工程塑料的生產技術水平取得了巨大進步，研發生產的工程塑料及其復合材料的各方面性能也在不斷提高，使其能夠更廣泛地應用于兵器工業中，為輕武器的研發提供了堅實的物質基礎和保障。如圖8所示，為滿足各行業對材料質量及強度的需求，所研制出的工程塑料的性能也隨之提高，通用工程塑料和特種工程塑料已經在航空航天、汽車、軍工等領域展現出了巨大的潛能[40-45]。未來可能還會研制出性能更好、質量更輕的工程塑料，再結合纖維增強技術、共混與合金技術以及填充與納米技術[46-51]，進一步提升輕武器中塑料構件所需性能和質量占比。

PI(聚酰亞胺)，PAI(聚酰胺酰亞胺)，PBI(聚苯并咪唑)，PEEK(聚醚醚酮)，PEI(聚醚酰亞胺)，PPS(聚苯硫醚)，PTFE(聚三氟氯乙烯)，PSU(聚砜)，PC(聚碳酸酯)，PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)，PBT(聚對苯二甲酸丁二酯)，PE(聚乙烯)，UHMW(超高分子質量聚乙烯)，PMMA(有機玻璃)，POM(聚甲醛)，PA(聚酰胺)，PPO(聚苯醚)，ABS(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三種單體的三元共聚物)，PP(聚丙烯)，HDPE(高密度聚乙烯)，LDPE(低密度聚乙烯)，PS(聚苯乙烯)，PLA(聚乳酸)，PVC(聚氯乙烯)圖8 工程塑料和通用塑料的性能Fig.8 Performance of engineering plastics and other general plastics

在制備工藝方面，3D打印(增材制造技術)這一革命性制造方法的興起，對傳統制造業產生了巨大的沖擊，對未來軍事領域的發展也必將產生重大的影響[52-59]。該方法是通過CAD或其他建模軟件建立三維模型之后，使用3D打印機以“自下而上”的材料堆疊方式制得實物模型，可在短時間內精準地打印出用于輕武器上的工程塑料制件[53]。自2013年首款3D打印手槍“解放者”(全槍16個零部件均由塑料ABS制得，見圖9)問世以來[60]，3D打印技術已經充分應用于美軍的裝備研發，近年來美軍在此技術上的投資也越來越大[61-64]。美軍曾在非常短的時間內打印出AR-15半自動步槍的實體和大部分零部件，并且使用此槍發射600多發子彈，展現出良好的實用性能。此外，由于士兵體型、射擊和瞄準習慣等個體差異，槍械的個性化定制變得尤為重要。3D打印技術可根據士兵的握槍習慣及手感，打印出不同質量和形狀的槍托、護木、握把等零部件，替換批量生產的槍械上的制件，滿足不同需求，讓士兵在使用此類定制槍械時更加得心應手，提高士兵的作戰能力。與機器制造的零部件相比，3D打印技術生產的制件質量更輕，時間更短，且機械強度相差不大，可全面應用于輕武器的制備，如槍械構件在實際作戰中有所損傷，采用此技術可迅速生產所需構件，替換破損零部件，及時補給軍用裝備。張永弟等[65]分析了國內外武器裝備維修現狀,并使用3D打印技術實現軍工零件的快速維修，通過對結構、材料的雙重拓撲優化(圖10)，將組合件通過3D打印技術一體成型, 省去了裝配環節, 節約成本和時間, 達到輕量化的效果。結合戰地搶修要求和3D 打印技術工藝特點, 成功地將3D 打印技術應用在了武器裝備維修上。Kim等[66]提出了一個數學模型，用于通過調整優化便攜式3D打印機進行武器零件的高效生產，大幅度縮短了零件生產時間，可在行軍或作戰過程中及時補給輕武器構件。Yang等[67]用3D打印技術制備了推進劑，為后續輕武器彈藥的3D打印成型研究提供了新思路。在未來很長一段時間內，3D打印必將會成為制造輕武器零部件的重要手段，研發性能更好的新型工程塑料及其復合材料，結合不斷進步的3D打印技術，制備出尺寸精準、綜合性能優異的輕武器零部件是輕武器未來發展的必經之路。

圖9 3D打印手槍“解放者”零部件[60]Fig.9 Parts of Liberator 3D printing gun[60]

圖10 某武器裝備連接件拓撲優化[65]Fig.10 Topology optimization of a weapon equipment connector[65]

工程塑料在輕武器上的質量占比某種程度上代表了它的發展水平，目前中國在輕武器的研發方面和世界一流水平還有一定差距。面對全球新一輪技術革命的挑戰，一定要把握機會，尋找對策，一方面加強材料的基礎研究，另一方面專研新興材料成型工藝，充分利用互聯網資源，引進先進技術，聯合攻關技術難題，加強工程塑料在輕武器上的應用，促進兵器工業和國民經濟的發展。